基于 ATmega16 單片機(jī)的微型氣象探測系統(tǒng)設(shè)計

DS18B20是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，內(nèi)部自帶可編程9~12位轉(zhuǎn)換精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間為200 ms,分辨率可達(dá)0.062 5 ℃，測量范圍為-55~125 ℃，供電范圍為3.0~5.5 V.它采用先進(jìn)的單總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而且可以不需要提供額外的電源，直接通過DQ與單片機(jī)的通信口相連，為傳感器供電。選用此傳感器不僅滿足精度要求，而且電路簡單，還可以達(dá)到低功耗的功能。溫度測量電路如圖2所示，圖中為DS18B20設(shè)計了外接的電源，R1的兩端分別與VCC 和DQ相連，將DQ端的電壓拉高為傳感器供電。電容C1 接在GND 和VCC 之間起到非直流濾波作用，提高DS18B20的穩(wěn)定性，從而提高溫度測量的精確度。

　　2.3 濕度測量模塊

　　濕度傳感器主要分為電容式和電阻式兩大類，目前應(yīng)用比較廣泛的是HS1101電容式濕度傳感器，它典型的供電電壓為5 V.HS1101穩(wěn)定性好、精度高、外帶防護(hù)罩、抗靜電、防灰塵、并可抵抗氨水、氯氣等，可測量的濕度范圍為1~100% RH,精度可達(dá)[5]±2% RH,符合普通氣象測量的要求。當(dāng)相對濕度變化時HS1101的相對電容改變，相對電容大小的改變會導(dǎo)致充放電時間的變化，測量時僅需要根據(jù)充放電頻率即可計算出相對濕度。

　　濕度測量電路如圖3所示，相對濕度測量通過555多諧振蕩電路實現(xiàn)，HS1101 作為電容變量接在LM555CN芯片的2腳和5腳之間，管腳7用作電阻R2 的短路，等量電容HS1101 通過R2,R4 充電到門限電壓（約0.67 V），通過R3 放電到觸發(fā)電平，然后R3 通過7腳短路到地，傳感器由不同的電阻R2,R3 充放電，形成充放電循環(huán)，形成方波。由單片機(jī)測得方波頻率，根據(jù)HS1101的換算關(guān)系，轉(zhuǎn)換成濕度值。

　　2.4 氣壓測量模塊

　　氣壓模塊選用BOSCH公司生產(chǎn)的具有溫度補償能力的集成數(shù)字氣壓傳感器BMP085[6],它包含電阻式壓力傳感器、AD轉(zhuǎn)換器和控制單元，其中控制單元包括E2PROM和I2C接口。這種數(shù)字壓力傳感芯片的供電電壓為1.8~3.6 V,它具有超低功耗（標(biāo)準(zhǔn)工作模式下5 mA;待機(jī)電流0.1 mA）、高精度（低功耗模式下分辨率為0.06 hPa）和高可靠性，已廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報、GPS精準(zhǔn)導(dǎo)航、垂直速度指示和風(fēng)扇功率控制等領(lǐng)域，其經(jīng)濟(jì)性和適用性均符合本設(shè)計的要求，BMP085的輸出與外加壓強成正比，測量范圍是300~1 100 hPa,完全校準(zhǔn)數(shù)字輸出，在完成采樣后，通過I2C 總線直接將數(shù)據(jù)傳送給微處理器。氣壓測量電路如圖4 所示。值得注意的是，BMP085數(shù)字壓力傳感器對氣壓？海拔高度提供了參考公式，利用該公式配合傳感器測量的氣壓值能夠較好地得到海拔高度[6?7].

　　2.5 光強度測量模塊

　　光強模塊的主要部件是BH1750FVI[8?9],這是一種16 位數(shù)字輸出型環(huán)境光強度傳感器集成芯片，其具有兩線式串行總線接口，內(nèi)置了16位AD轉(zhuǎn)換器，功耗低，集成度高，不需任何輔助器件就能夠完成光照度測量，設(shè)計人員無需考慮傳感器標(biāo)定、信號放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等過程，只需通過I2C BUS接口完成傳感器設(shè)置與照度讀取等操作。BH1750FVI光源依賴性弱，受紅外線影響很小，能夠測量范圍廣泛的輸入光（相當(dāng)于1~65 536 lx），可對廣泛的亮度進(jìn)行1 lx的高精度測定。利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化，能夠根據(jù)收集的光線強度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。

　　BH1750FVI工作電壓為2.4~3.6 V,典型的測量時間為120 ms.ATmega16 單片機(jī)通過BH1750FVI 采集環(huán)境光的強弱的數(shù)據(jù)。單片機(jī)和BH1750FVI之間的通信使用標(biāo)準(zhǔn)的I2C協(xié)議，單片機(jī)通過內(nèi)部包含的I2C通信接口與BH1750FVI的I2C接口相連，容易實現(xiàn)編程與控制。如圖5所示，BH1750FVI只占用了單片機(jī)的兩個I/O接口，其中時鐘端SCL,數(shù)據(jù)端SDA 分別外接到了單片機(jī)的PD1和PD2口。

　　2.6 人機(jī)接口模塊及其他硬件模塊