一種基于MSP430的低功耗便攜式氣象儀設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)了一種低功耗便攜式氣象儀，該氣象檢測(cè)系統(tǒng)以低功耗MSP430單片機(jī)為主控，利用溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器、風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量模塊，進(jìn)行溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向的測(cè)量;通過(guò)時(shí)鐘芯片和12864液晶實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示;通過(guò)E2PROM進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和查詢。該氣象儀具有小型化、實(shí)時(shí)化、低功耗和便攜式等特點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果表明該氣象儀的測(cè)量精度可達(dá)普通氣象測(cè)量要求，穩(wěn)定性好，特別適用于小區(qū)域的氣候監(jiān)測(cè)。

　　0引言

　　溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象參數(shù)的測(cè)量在日常生活、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、工業(yè)、林業(yè)、航海等領(lǐng)域中起著十分重要的作用，很多地區(qū)氣象參數(shù)的測(cè)量大多依靠當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)，可是，天氣預(yù)報(bào)地域范圍較廣，無(wú)法精確到小區(qū)域的氣候測(cè)量。而搭建氣象臺(tái)成本較高，性價(jià)比很低，因此設(shè)計(jì)一種小型化，便攜式的綜合氣象測(cè)量?jī)x就顯得十分必要。針對(duì)上述問(wèn)題本文設(shè)計(jì)了一種低功耗便攜式氣象儀，該氣象檢測(cè)系統(tǒng)可以有效地測(cè)量小區(qū)域的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象參數(shù)，精度可達(dá)到普通氣象測(cè)量要求，還有實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、回溯查詢的功能，具有低功耗、小型化、便攜式、低成本的特點(diǎn)，適應(yīng)于各種小區(qū)域的氣象測(cè)量，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

　　1系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作原理

　　如圖1所示，本氣象測(cè)量系統(tǒng)以低功耗單片機(jī)MSP430F149作為核心控制部件，加以溫度測(cè)量模塊、濕度測(cè)量模塊、氣壓測(cè)量模塊、風(fēng)速測(cè)量模塊、風(fēng)向測(cè)量模塊、時(shí)鐘模塊、以及E2PROM、液晶顯示和獨(dú)立按鍵等模塊組成。

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　　利用各個(gè)傳感器將溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)處理后得到測(cè)量數(shù)據(jù)，各個(gè)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘芯片得到的時(shí)間信息一并在液晶上顯示，實(shí)現(xiàn)氣象參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。

　　通過(guò)E2PROM和獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢——按下存儲(chǔ)鍵，儲(chǔ)存當(dāng)前的時(shí)間和數(shù)據(jù);按下查詢鍵，查詢以前存儲(chǔ)的測(cè)量數(shù)據(jù)。同時(shí)，還具有自動(dòng)測(cè)量的功能，自動(dòng)測(cè)量時(shí)，關(guān)閉液晶，測(cè)得數(shù)據(jù)每小時(shí)存入E2PROM一次。

　　2硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 MSP430簡(jiǎn)介

　　MSP430是TI公司推出的一系列超低功耗微處理器。它的顯著特性是具有超低功耗，有5個(gè)低功耗模式可供選擇，喚醒時(shí)間很短，只需 6μs，同時(shí)還擁有強(qiáng)大的處理力，集成度高，嵌入模塊豐富(12位A/D、16位定時(shí)器、FLASH等)，多用于智能儀表、智能家電、電池供電等便攜式設(shè)備中。本氣象儀采用MSP430系列的MSP430F149單片機(jī)為主控芯片，不僅滿足了設(shè)計(jì)的要求，可以直接運(yùn)用內(nèi)部集成的12位A/D和16位定時(shí)器，減少外圍模塊，從而提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時(shí)還可使單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式，有效地減少系統(tǒng)功耗，節(jié)約電能。

　　2.2溫度測(cè)量模塊

　　目前常用的溫度傳感器主要有模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式的溫度傳感器主要有PT100，它精度高，性能穩(wěn)定，工作溫度在 -200～650℃之間，但是由PT100構(gòu)成的溫度測(cè)量電路十分復(fù)雜，功耗和成本較大，而且普通氣象測(cè)量對(duì)于溫度測(cè)量的精度要求并不是十分高，所以，本設(shè)計(jì)選用電路較為簡(jiǎn)單的數(shù)字式溫度傳感器AD7416.

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　　AD7416是一款多功能溫度傳感器，內(nèi)部采用10位逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，典型的溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間為400μs，分辨率可達(dá)0.25℃，測(cè)量范圍為 -40～125℃，最低功耗可達(dá)1.2μW，采用I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且具有過(guò)溫保護(hù)和采樣放錯(cuò)機(jī)制。選用此傳感器不僅滿足精度要求，而且電路簡(jiǎn)單，還可以達(dá)到低功耗的功能。溫度測(cè)量電路如圖2所示，串行總線地址的低3位A0，A1，A2均接地，其串行地址為48H;其數(shù)據(jù)引腳SDA和時(shí)鐘引腳 SCL外接上拉電阻與單片機(jī)I/O口相連，通過(guò)I2C總線寫(xiě)入控制字，控制其進(jìn)行溫度測(cè)量。

　　2.3濕度測(cè)量模塊

　　濕度傳感器主要分為電容式和電阻式兩大類(lèi)，目前應(yīng)用比較廣泛的是HS1101電容式濕度傳感器，它的穩(wěn)定性好、精度高、外帶防護(hù)罩、抗靜電、防灰塵、并可抵抗氯氣、氨水等，可測(cè)量的濕度范圍為1%～100%RH，精度可達(dá)±2%RH，符合普通氣象測(cè)量的要求。當(dāng)相對(duì)濕度變化時(shí) HS1101的相對(duì)電容改變，相對(duì)電容大小的改變會(huì)導(dǎo)致充放電時(shí)間的變化，測(cè)量時(shí)僅需要根據(jù)充放電頻率即可計(jì)算出相對(duì)濕度。

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　　濕度測(cè)量電路如圖3所示，相對(duì)濕度測(cè)量通過(guò)555多諧振蕩電路實(shí)現(xiàn)，HS1101作為電容變量接在TLC555芯片的2腳和5腳之間，管腳7用作電阻R5 的短路，等量電容HS1101通過(guò)R3，R4充電到門(mén)限電壓(約0.67 V)，通過(guò)R4放電到觸發(fā)電平，然后R4通過(guò)7短路到地，傳感器由不同的電阻R5，R4充放電，形成充放電循環(huán)，形成方波。由單片機(jī)測(cè)得方波頻率，根據(jù) HS1101的換算關(guān)系，轉(zhuǎn)換成濕度置。

　　2.4氣壓測(cè)量模塊

　　氣壓傳感器選用美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的具有溫度補(bǔ)償能力的集成壓力傳感器MPX4115，這種芯片可靠性高，經(jīng)濟(jì)性和適用性均符合要求，其輸出與外加壓力成正比，測(cè)量范圍是15～115 kPa，輸出電壓范圍是0.2～4.8 V.MPX4115輸出電壓與大氣壓的關(guān)系如下：Vo≈Vs(P×0.009-0.095) (1)

　　式中：Vs是電源電壓;P是大氣壓。MPX4115輸出電壓送給MSP430單片機(jī)內(nèi)部A/D，由于單片機(jī)內(nèi)部A/D的參考電壓為2.5 V，小于壓力傳感器最大輸出電壓，所以，在MPX4115輸出端用電阻分壓，輸入單片機(jī)后，根據(jù)式(1)，換算得到氣壓值。氣壓測(cè)量電路如圖4所示。

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　　2.5風(fēng)速測(cè)量模塊

　　風(fēng)速測(cè)量傳感器選用CS3144霍爾開(kāi)關(guān)集成電路，它是運(yùn)用半導(dǎo)體集成電路技術(shù)制造出的磁場(chǎng)敏感電路，它的組成有電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大電路、思密特觸發(fā)器、溫度補(bǔ)償電路以及集電極的開(kāi)路輸出，其的輸入是磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度，輸出的是數(shù)字電壓信號(hào)。

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　　為測(cè)量風(fēng)速，選用三風(fēng)杯式風(fēng)速組件，在風(fēng)杯的旋轉(zhuǎn)體上加上小磁鋼，小磁鋼體積小，質(zhì)量小，磁鋼強(qiáng)，其磁場(chǎng)適合于被霍爾傳感器接收，且方便屏蔽環(huán)境里的其他磁場(chǎng)，也可以減小機(jī)械系統(tǒng)對(duì)最后的感應(yīng)量的影響，從而使測(cè)量更加精確。風(fēng)速測(cè)量電路如圖5所示，由CS3144接收磁場(chǎng)強(qiáng)度輸出數(shù)字信號(hào)再由 LM393轉(zhuǎn)化成為脈沖，最后傳送到單片機(jī)的I/O口，小磁鋼每次轉(zhuǎn)過(guò)一圈，就會(huì)輸出一個(gè)脈沖給單片機(jī)接收，利用單片機(jī)計(jì)數(shù)，得每秒鐘轉(zhuǎn)的圈數(shù)，再轉(zhuǎn)換成當(dāng)前的風(fēng)速。利用電壓比較器LM393還可以起到調(diào)節(jié)霍爾元件靈敏度的作用，調(diào)節(jié)電位器，反向輸入端的比較電壓相應(yīng)變化，比較的電壓變低時(shí)，輸入的數(shù)字信號(hào)很小也會(huì)輸出脈沖，相應(yīng)的靈敏度變高，反之則靈敏度變低。

　　2.6風(fēng)向測(cè)量模塊

　　為了達(dá)到較好的測(cè)量效果，選擇增壓式光電編碼器CHA3806進(jìn)行風(fēng)向的測(cè)量，增壓式光電編碼器一般輸出A，B，Z三路脈沖信號(hào)，Z信號(hào)主要用于同步或調(diào)零，A、B信號(hào)包含了被測(cè)對(duì)象的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)速率等信息，它的機(jī)械構(gòu)造相比而言是簡(jiǎn)單的，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，有 600分辨率的編碼盤(pán)，測(cè)量范圍在0°～360°，滿足測(cè)量要求。

　　在光電編碼器的旋轉(zhuǎn)軸上加上很大的風(fēng)向標(biāo)，當(dāng)風(fēng)向標(biāo)角度變化時(shí)，光電編碼器就會(huì)發(fā)出A，B兩路相位差90°的數(shù)字脈沖信號(hào)。當(dāng)角度為正轉(zhuǎn)時(shí)A超前B為 90°，反轉(zhuǎn)時(shí)則B超前A為90°。輸出的數(shù)字脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)和角度位移量的關(guān)系為正比。因此，通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)就能計(jì)算出相應(yīng)的角位移量。風(fēng)向測(cè)量電路如圖6所示。

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　　光電編碼器的輸出A，B向脈沖接到單片機(jī)的I/O端口，固定選擇某一個(gè)光電編碼器位置朝向北，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)位置，A發(fā)出一個(gè)脈沖被單片機(jī)接收，此時(shí)單片機(jī)會(huì)判別B脈沖此時(shí)為高電平還是低電平。如果B是高電平，則此時(shí)光電編碼器為正轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)加1;否則光電編碼器編碼器反轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)減1，計(jì)數(shù)等于600時(shí)歸零，同樣的小于0的角度則從599開(kāi)始減去，最終的計(jì)數(shù)值乘以0.6，這樣就測(cè)算出了風(fēng)向。為了直觀的看出風(fēng)向，按照風(fēng)向表示法，以0°為正北，每隔22.5° 為一類(lèi)，分別表示，北風(fēng)、北東北風(fēng)、東北風(fēng)、東東北風(fēng)、東風(fēng)、東東南風(fēng)、東南風(fēng)、南東風(fēng)、南風(fēng)、南西南風(fēng)、西南風(fēng)、西西南風(fēng)、西風(fēng)、西西北風(fēng)、西北風(fēng)、北西北風(fēng)，液晶顯示時(shí)風(fēng)的類(lèi)型和偏轉(zhuǎn)角一同顯示。

　　2.7人機(jī)接口模塊

　　鍵盤(pán)模塊：采用6個(gè)獨(dú)立按鍵，分別對(duì)應(yīng)觀測(cè)、查詢、儲(chǔ)存、自動(dòng)測(cè)量、上、下6個(gè)功能。上、下鍵用于在查詢功能中看不同時(shí)期的測(cè)量值。液晶顯示模塊：采用低功耗12864液晶，3.3 V供電，打開(kāi)背光時(shí)工作電流約10 mA，關(guān)閉背光工作電流小于1 mA.觀測(cè)時(shí)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間、溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向;查詢時(shí)，現(xiàn)實(shí)記錄的測(cè)量值和測(cè)量時(shí)間;自動(dòng)測(cè)量時(shí)，可由單片機(jī)控制，關(guān)閉背光，減少電能消耗，達(dá)到低功耗效果。

　　2.8其他硬件模塊

　　系統(tǒng)電源模塊：電路中共用到3.3 V、5 V電壓值，由于是便攜式產(chǎn)品，可用5 V鋰電池供電。進(jìn)入系統(tǒng)后，5 V電壓通過(guò)LM1117 3.3 V得到3.3 V電壓給MSP430單片機(jī)供電。

　　時(shí)鐘模塊：實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用低功耗芯片DS1302，可自動(dòng)對(duì)秒、分、時(shí)、日、周、月、念年及閏年補(bǔ)償進(jìn)行計(jì)數(shù)，擴(kuò)展萬(wàn)年歷功能顯示，功耗低，2.5 V供電時(shí)，功耗小于300 nA，且精度較高，滿足系統(tǒng)需求。

　　E2PROM模塊：由于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)較多，選用儲(chǔ)存空間較大，成本較低的AT24C256儲(chǔ)存器。這種E2PROM具有32 KB容量，通過(guò)I2C總線與單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存與讀取。