基于MSP430单片机的便携式气象仪设计
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1．2 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。
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。
评论