基于MSP430单片机的便携式气象仪设计 单片机, 气象

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设计了一种低功耗便携式气象仪，该气象检测系统以低功耗MSP430单片机为主控，利用温度传感器、湿度传感器、气压传感器、风速和风向测量模块，进行温度、湿度、气压、风速、风向的测量；通过时钟芯片和12864液晶实现数据的实时显示；通过E2PROM进行数据的实时存储和查询。该气象仪具有小型化、实时化、低功耗和便携式等特点，测试结果表明该气象仪的测量精度可达普通气象测量要求，稳定性好，特别适用于小区域的气候监测。


0引言
温度、湿度、气压、风速、风向等气象参数的测量在日常生活、农业、渔业、工业、林业、航海等领域中起着十分重要的作用，很多地区气象参数的测量大多依靠当地天气预报，可是，天气预报地域范围较广，无法精确到小区域的气候测量。而搭建气象台成本较高，性价比很低，因此设计一种小型化，便携式的综合气象测量仪就显得十分必要。针对上述问题本文设计了一种低功耗便携式气象仪，该气象检测系统可以有效地测量小区域的温度、湿度、气压、风速、风向等气象参数，精度可达到普通气象测量要求，还有实时显示、实时存储、回溯查询的功能，具有低功耗、小型化、便携式、低成本的特点，适应于各种小区域的气象测量，具有一定的实用价值。

1系统设计和工作原理
如图1所示，本气象测量系统以低功耗单片机MSP430F149作为核心控制部件，加以温度测量模块、湿度测量模块、气压测量模块、风速测量模块、风向测量模块、时钟模块、以及E2PROM、液晶显示和独立按键等模块组成。



利用各个传感器将温度、湿度、气压、风速、风向转化为电信号，通过单片机处理后得到测量数据，各个数据和时钟芯片得到的时间信息一并在液晶上显示，实现气象参数的实时显示。
通过E2PROM和独立按键实现数据的存储和查询——按下存储键，储存当前的时间和数据；按下查询键，查询以前存储的测量数据。同时，还具有自动测量的功能，自动测量时，关闭液晶，测得数据每小时存入E2PROM一次。

2硬件设计

2.1 MSP430简介MSP430是TI公司推出的一系列超低功耗微处理器。它的显著特性是具有超低功耗，有5个低功耗模式可供选择，唤醒时间很短，只需6μs，同时还拥有强大的处理力，集成度高，嵌入模块丰富（12位A/D、16位定时器、FLASH等），多用于智能仪表、智能家电、电池供电等便携式设备中。本气象仪采用MSP430系列的MSP430F149单片机为主控芯片，不仅满足了设计的要求，可以直接运用内部集成的12位A/D和16位定时器，减少外围模块，从而提高了系统稳定性。同时还可使单片机进入低功耗模式，有效地减少系统功耗，节约电能。

2.2温度测量模块目前常用的温度传感器主要有模拟式和数字式两种。模拟式的温度传感器主要有PT100，它精度高，性能稳定，工作温度在-200～650℃之间，但是由PT100构成的温度测量电路十分复杂，功耗和成本较大，而且普通气象测量对于温度测量的精度要求并不是十分高，所以，本设计选用电路较为简单的数字式温度传感器AD7416.




AD7416是一款多功能温度传感器，内部采用10位逐次逼近型模/数转换器，典型的温度转换时间为400μs，分辨率可达0.25℃，测量范围为-40～125℃，最低功耗可达1.2μW，采用I2C总线进行数据传输，并且具有过温保护和采样放错机制。选用此传感器不仅满足精度要求，而且电路简单，还可以达到低功耗的功能。温度测量电路如图2所示，串行总线地址的低3位A0，A1，A2均接地，其串行地址为48H；其数据引脚SDA和时钟引脚SCL外接上拉电阻与单片机I/O口相连，通过I2C总线写入控制字，控制其进行温度测量。

2.3湿度测量模块湿度传感器主要分为电容式和电阻式两大类，目前应用比较广泛的是HS1101电容式湿度传感器，它的稳定性好、精度高、外带防护罩、抗静电、防灰尘、并可抵抗氯气、氨水等，可测量的湿度范围为1％～100％RH，精度可达±2％RH，符合普通气象测量的要求。当相对湿度变化时HS1101的相对电容改变，相对电容大小的改变会导致充放电时间的变化，测量时仅需要根据充放电频率即可计算出相对湿度。



湿度测量电路如图3所示，相对湿度测量通过555多谐振荡电路实现，HS1101作为电容变量接在TLC555芯片的2脚和5脚之间，管脚7用作电阻R5的短路，等量电容HS1101通过R3，R4充电到门限电压（约0.67 V），通过R4放电到触发电平，然后R4通过7短路到地，传感器由不同的电阻R5，R4充放电，形成充放电循环，形成方波。由单片机测得方波频率，根据HS1101的换算关系，转换成湿度置。

2.4气压测量模块气压传感器选用美国摩托罗拉公司生产的具有温度补偿能力的集成压力传感器MPX4115，这种芯片可靠性高，经济性和适用性均符合要求，其输出与外加压力成正比，测量范围是15～115 kPa，输出电压范围是0.2～4.8V.MPX4115输出电压与大气压的关系如下：Vo≈Vs（P×0.009-0.095）
（1）
式中：Vs是电源电压；P是大气压。MPX4115输出电压送给MSP430单片机内部A/D，由于单片机内部A/D的参考电压为2.5 V，小于压力传感器最大输出电压，所以，在MPX4115输出端用电阻分压，输入单片机后，根据式（1），换算得到气压值。气压测量电路如图4所示。



2.5风速测量模块风速测量传感器选用CS3144霍尔开关集成电路，它是运用半导体集成电路技术制造出的磁场敏感电路，它的组成有电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大电路、思密特触发器、温度补偿电路以及集电极的开路输出，其的输入是磁场感应强度，输出的是数字电压信号。