基于MSP430單片機(jī)的便攜式氣象儀設(shè)計(jì)

摘要：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)。
關(guān)鍵詞：MSP430單片機(jī)；溫度傳感器；濕度傳感器；氣壓傳感器；風(fēng)速風(fēng)向傳感器

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。

    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。

    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)1．2 μW，采用I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且具有過溫保護(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I2C總線寫入控制字，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，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。

    濕度測(cè)量電路如圖3所示，相對(duì)濕度測(cè)量通過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R3，R4充電到門限電壓(約0．67 V)，通過R4放電到觸發(fā)電平，然后R4通過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。

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)。

    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，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。

    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，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)的類型和偏轉(zhuǎn)角一同顯示。
2．7 人機(jī)接口模塊
    鍵盤模塊：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。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 軟件流程
    氣象儀的軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的初始化、溫度數(shù)據(jù)采集、濕度數(shù)據(jù)采集、氣壓數(shù)據(jù)采集、風(fēng)速數(shù)據(jù)采集、風(fēng)向數(shù)據(jù)采集、時(shí)鐘、液晶顯示、儲(chǔ)存、按鍵等10大模塊，主要流程如圖7，圖8所示。

    系統(tǒng)初始化以后，各個(gè)傳感器開始采集數(shù)據(jù)、時(shí)鐘芯片開始計(jì)時(shí)、單片機(jī)開始處理數(shù)據(jù)、液晶開始實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。當(dāng)觸發(fā)不同的功能按鍵，系統(tǒng)進(jìn)入按鍵中斷，執(zhí)行儲(chǔ)存、查詢數(shù)據(jù)等功能。
    傳感器采集的數(shù)據(jù)受外界因素的干擾，有可能采集到存在誤差較大的數(shù)據(jù)，為了保證測(cè)量的精確性，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)每10個(gè)做平均值，其平均值作為最終的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行顯示、儲(chǔ)存，以減小測(cè)量誤差。
3．2 低功耗設(shè)計(jì)
    MSP430單片機(jī)最大優(yōu)勢(shì)在于它的低功耗特性，本系統(tǒng)程序按照低功耗方式設(shè)計(jì)。除了必要的設(shè)備初始化以外，其余程序(鍵盤觸發(fā)、定時(shí)器、A／D轉(zhuǎn)換)均在中斷中完成。單片機(jī)大部分時(shí)間處于LPM1低功耗模式中，只有中斷被觸發(fā)時(shí)，才被喚醒，這一設(shè)計(jì)方案大大降低了系統(tǒng)功耗。為了進(jìn)一步降低功耗，當(dāng)不觀測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，可以使系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)測(cè)量模式，單片機(jī)控制液晶，關(guān)閉其背光，減少功耗。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析
    經(jīng)過軟、硬件調(diào)試后，系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向的測(cè)量、顯示、存儲(chǔ)、查詢功能。為了測(cè)試本氣象儀測(cè)量的精確度，分別將系統(tǒng)在2013年1月21日18時(shí)45分和2013年1月22日14時(shí)45分于南京室外讀到的數(shù)據(jù)與中央氣象臺(tái)同一時(shí)間發(fā)布的南京天氣實(shí)況進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

    從對(duì)比結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的氣象儀和中央氣象臺(tái)發(fā)布的溫度、濕度、氣壓基本一致，風(fēng)向完全一樣，風(fēng)速差別略大，由于天氣預(yù)報(bào)范圍很廣，而本氣象儀測(cè)量的是小區(qū)域內(nèi)的氣候，所以測(cè)量值存在微小差異很正常，更可以說明在小范圍區(qū)域，本設(shè)計(jì)測(cè)量值更精確。而對(duì)比中風(fēng)速差異稍大，一是由于本氣象儀測(cè)量的范圍與天氣預(yù)報(bào)測(cè)量范圍差異造成的，二是由于風(fēng)速較低，小磁鋼所轉(zhuǎn)圈數(shù)較少，風(fēng)杯與支柱間的摩擦力等因素造成速度分辨率低，若風(fēng)速較大，則測(cè)量更精確些。總之，實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明本文設(shè)計(jì)的氣象儀精度達(dá)到普通氣象測(cè)量要求，穩(wěn)定性好，適用于小區(qū)域內(nèi)的氣候測(cè)量。

5 結(jié)語
    針對(duì)天氣預(yù)報(bào)范圍太廣，無法精確到小范圍區(qū)域；氣象臺(tái)成本太高；便攜式氣象儀匱乏的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于MSP430低功耗單片機(jī)的便攜式氣象儀。該氣象儀集成了多種氣象傳感器，可系統(tǒng)地測(cè)量溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象參數(shù)，精確度達(dá)到了普通氣象參數(shù)的測(cè)量要求，具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和回溯查詢的功能。同時(shí)功耗很低，可用電池供電，普通5 V鋰電池大約可以持續(xù)工作2天左右，攜帶方便，可適應(yīng)于各種小區(qū)域環(huán)境的氣侯預(yù)報(bào)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。