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基于MSP430单片机的便携式气象仪设计

作者:时间:2013-10-24来源:网络收藏
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,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。

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利用各个将温度、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
目前常用的温度主要有模拟式和数字式两种。模拟式的温度主要有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AD7416。

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AD7416是一款多功能温度,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1.2 μW,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。

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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。

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