多功能電子高原登山輔助儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
被稱為“世界屋脊”的青藏高原擁有世界上無(wú)與倫比的自然景觀,這里有遠(yuǎn)近馳名藏式宮殿建筑布達(dá)拉宮,世界最高峰珠穆朗瑪峰,多少神山圣水,吸引了大量的國(guó)內(nèi)外游客到此國(guó)光旅游,這里可以說是旅游者的天堂。到此登山的游客更是絡(luò)繹不絕,而西藏地處高原,海拔相對(duì)較高,紫外線強(qiáng)烈,氧氣濃度較低,氣候比較干燥,導(dǎo)致游客皮膚曬傷、因缺氧導(dǎo)致高原反應(yīng)等不利情況。而在登山過程中,也會(huì)發(fā)生因意外事件如手機(jī)相機(jī)在拍照時(shí)沒電,夜晚在野外缺乏照明設(shè)備等。綜上筆者設(shè)計(jì)了此款輔助儀器,它采用不同的傳感器對(duì)溫度、濕度、紫外線強(qiáng)度環(huán)境變量的實(shí)時(shí)測(cè)量,通過顯示屏顯示;及時(shí)提醒游客采取保護(hù)措施;本儀器開發(fā)了外設(shè)充電模塊,采用太陽(yáng)能作為主充電。當(dāng)使用太陽(yáng)能充電不能滿足需求時(shí),我們可以采用交流充電,如在野外陰天采用手搖發(fā)電,此充電方法簡(jiǎn)單快捷;能夠最大限度的解決野外供電問題;本儀器還增添了USB應(yīng)急充電接口以及LED照明燈,可以在偏遠(yuǎn)或者緊急情況下照明使用;同時(shí)它還集成了GPS定位的功能,可以顯示出此儀器所在地的經(jīng)緯度,方便使用者了解自己的位置信息。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的硬件包括,凌陽(yáng)公司的SPCE061A單片機(jī)、穩(wěn)壓電路、過充過放保護(hù)電路。本文中主要利用由蓄電池給硬件部分提供電源,通過穩(wěn)壓電路提供單片機(jī)工作電壓,主控芯片控制LCD顯示和AD采樣,系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
1.2 GPS Module定位原理
GPS定位的基本原理:根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的數(shù)據(jù),采用空間距離后方交會(huì)的方法,確定待測(cè)點(diǎn)的位置。如圖2所示,假設(shè)t時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置GPS接收機(jī),可以測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間△t,再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)可以確定以下4個(gè)方程式:
[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2+c(Vt1-Vt0)=d1
[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2+c(Vt2-Vt0)=d2
[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2+c(Vt3-Vt0)=d3
[(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2]1/2+c(Vt4-Vt0)=d4
上述4個(gè)方程式中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)z、y、z和Vt0為未知參數(shù),其中dt=cti(i=△1、2、3、4)。di(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機(jī)之間的距離。ti(i= △1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。c為GPS信號(hào)的傳播速度(即光速)。
1.3 溫度/光線檢測(cè)傳感器電路
溫度/光線檢測(cè)模塊電路如圖3,電源電壓經(jīng)穩(wěn)壓管TL431穩(wěn)壓到2.5V,提供給由R8和熱敏電阻R9組成的分壓電路以及R10和光敏電阻R11組成的分壓電路,熱敏電阻R9分得的電壓通過TO輸出,光敏電阻R11分得的電壓通過LO輸出。可以直接把SPCE061A單片機(jī)ADC的任一通道與TO或LO連接,利用單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度和光線強(qiáng)度。
1.4 液晶顯示子函數(shù)軟件流程框圖
設(shè)備啟動(dòng)后,系統(tǒng)調(diào)用液晶驅(qū)動(dòng)函數(shù),端口初始化后,執(zhí)行一個(gè)循環(huán),判斷是否完成清屏,然后調(diào)用液晶顯示函數(shù),并執(zhí)行另一個(gè)循環(huán),判斷相應(yīng)的數(shù)據(jù)是否完全顯示,如
圖4所示。
1.5 GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序
2 整體測(cè)試結(jié)果
本項(xiàng)目順利完成,最終效果與設(shè)計(jì)要求誤差不大。圖5為實(shí)物顯示圖,圖中顯示出了從GPS模塊接收過來的時(shí)間和經(jīng)緯度信息,圖中時(shí)間和緯度后面都帶了一個(gè)A,這是一個(gè)標(biāo)志信息說明GPS模塊接收到的信息是有效且正確的。圖5中后兩幅圖是液晶顯示屏顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度、濕度和紫外線強(qiáng)度,這組數(shù)據(jù)是在室內(nèi)測(cè)量的,我們用了相應(yīng)的溫濕度計(jì)和紫外線輻射計(jì)進(jìn)行對(duì)照,本儀器測(cè)量的和實(shí)測(cè)結(jié)果相差并不大。實(shí)物如圖6所示。
下表為儀器測(cè)量出的一些實(shí)際數(shù)據(jù),由于液晶顯示屏效果較差我將顯示的數(shù)據(jù)分別列出,表中顯示的是在校園中實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù),它包括了藏語(yǔ)顯示和漢語(yǔ)顯示,至于所顯示出的經(jīng)緯度是在西藏大學(xué)校園內(nèi)實(shí)際測(cè)量出來的。
3 結(jié)束語(yǔ)
文中運(yùn)用16位主控芯片結(jié)合傳感器模組、溫濕度傳感器、液晶顯示等制作了一個(gè)由可充電電池供電,并且便攜、人性化的多功能電子高原登山輔助儀。本文采用的16位控制芯片具有較高的執(zhí)行效率,功耗低,穩(wěn)定性好,實(shí)現(xiàn)了智能化控制。通過對(duì)西藏地區(qū)實(shí)際情況的考察,結(jié)合游客和當(dāng)?shù)厥忻竦男枰驹O(shè)計(jì)不但解決了西藏地區(qū)的實(shí)際問題,而且具有非常好的市場(chǎng)空間,完全可以在內(nèi)地諸多城市進(jìn)行推廣。