基于MSP430F149单片机的炮兵气象仪设计

针对目前采用的简易气象综合观测仪，存在着实时性差、精度不够、作业时间长以及不能直接计算射击条件修正量和地面风修正量等诸多问题，本文提出基于MSP430F149单片机设计一种炮兵气象仪，以满足炮兵分队射击时的简易气象条件和火箭炮地面风修正的需要。

气象仪的功能和基本工作原理

气象仪的功能包括：①实时测定风向、风速、气温和气压等气象条件，为炮兵射击提供简易气象条件修正量；②实时测定火箭炮阵地的地面风向和风速，为火箭炮分队提供地面风修正量。

炮兵气象仪用于实现地面气象条件风向、风速、气温、气压的自动测量和射击条件修正量及火箭炮地面风修正量的自动计算。其基本工作原理是：将气象仪与处理机通过数据线相连，通过升降杆将气象仪升至要求的高度后，风的作用使风标指向风吹来的方向，磁方位传感器即感应出风向磁方位角；风速叶轮随风速以不同的转速旋转，每转一圈即产生一个脉冲信号，通过单位时间内计数即可计算出风速；气温、气压传感器感应出当时的气温和气压。以上数据经气象仪数据处理后传输给处理机，处理机按要求以固定格式显示。气象仪组成如图1所示。

图1 气象仪组成框图

气象仪硬件设计

气象仪的任务是实现大气压力、温度、风向和风速的实时测量，由压力传感器、温度传感器、风速传感器、磁方位风向传感器、数据采集与处理电路、风标、连接座等组成，其基本设计思想是在满足精度和使用环境要求的前提下，体积小、重量轻，便于野战条件下使用。

传感器的选型

（1）压力、温度传感器

压力和温度传感器采用带预处理电路的模拟输出传感器，以简化后续电路的设计。

压力传感器选用美国Honeywell公司的ASDX015绝压传感器。

温度传感器选用美国Dallas公司推出的基于单总线技术的数字温度计芯片DS1820，便于调整传感器的位置和方向，使其能有效感应外界温度。

（2）风速传感器

对于风速的测量，可以选用的传感器种类很多。综合比较后，选用叶轮式风速传感器，利用霍尔效应测量风速。该方式与光电编码相比更可以做到气象仪整体小巧、结构紧凑，携带使用方便。

（3）风向传感器

磁方位传感器，也就是通常所说的电子罗盘，军用、民用产品比较多。本文选用由平面电子罗盘XW3200和风标组成磁方位风向传感器。

该传感器通过两轴磁阻传感器测量平面地磁场，双轴倾角补偿，内置微处理器计算传感器与磁北夹角，两轴磁阻传感器的方向受风标的带动，始终指向风吹来的方向，则其输出的角度即为风向磁方位角。整个测量过程无需定向，操作简便灵活。

电路设计

气象仪的电路设计的任务是对风速传感器输出的脉冲序列进行单位时间计数，对压力传感器输出的模拟信号进行A/D转换，基于单总线技术读温度数据，接收风向磁方位传感器通过RS-232S输出的数据及与处理机互传数据等。

主控芯片简介

数据处理部分采用MSP430F149作为系统的主芯片，该芯片是美国TI公司推出的超低功耗微处理器。MSP430F149有60KB+256字节FLASH，2KB RAM，包括以下模块：

①基本时钟模块：包括1个数控振荡器(DCO)和2个晶体振荡器。

②看门狗定时器Watchdog Timer，可用作通用定时器。

③带3个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器Timer A。

④带7个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器Timer B。

⑤2个具有中断功能的8位并行端口：P1和P2。

⑥4个8位并行端口：P3、P4、P5和P6。

⑦模拟比较器Comparator A。

⑧12位A/D转换器ADC 12。

⑨2个串行通信接口USART0与USART1。

电源电路设计

该气象仪为电池供电系统，因此对系统的总体功耗有较高的要求，为了降低功耗，选用MSP430系列的单片机，该系列的单片机工作电压为1.8V~3.6V，并且具有休眠功能，耗电电流在0.1µA~400µA之间，具有极低的功耗。

主控芯片MSP430单片机电源电压为3.3V，外围传感器的工作电压要求为5V，两节7号充电电池电压为2.4V，因此电源电路的设计采用升压DC-DC芯片NCP1400ASN30T1和NCP1400ASN50T1，可将0.8V~3V的电压升至3.3V和5V，分别为单片机和外围器件供电，同时设计有电源关断功能，当无需外围器件工作时，将外围器件的供电全部切断，减少了整体功耗，电源电路原理见图2。

图2 电源电路原理图

主控电路设计

主控电路可以分为温度测量电路，压力测量电路，风速测量电路，风向测量电路和通信电路等。

（1）温度测量电路

温度测量电路如图3所示，测量时采用数字温度传感器DS1820，将采集到的温度数据通过主芯片MSP430F149的P6.5引脚传送给主芯片。根据系统的需要和实际情况，采用外接电源供电方式，主芯片的P6.5脚用于DS1820的数据输入/输出引脚。

图3 温度测量电路图

（2）压力测量电路

压力测量电路如图4所示。压力的测量采用绝压传感器ASDX015，其采集模拟信号，并将模拟电压传入主芯片，通过主芯片的A/D转换模块将模拟信号转化为数字信号，所以必须连接在主芯片具有A/D转换功能的引脚上。MSP430F149的P6口具有8路A/D转换通道，压力传感器连接于主芯片的P6.4引脚。在实现A/D转换功能时，使用内部参考电压2.5V作为A/D转换的电压基准，但是压力传感器的输出范围为0～4V，所以在压力传感器的输出端需设计有分压电路。

图4 压力测量电路图