基于MSP430F149單片機(jī)的炮兵氣象儀設(shè)計(jì)

針對目前采用的簡易氣象綜合觀測儀，存在著實(shí)時(shí)性差、精度不夠、作業(yè)時(shí)間長以及不能直接計(jì)算射擊條件修正量和地面風(fēng)修正量等諸多問題，本文提出基于MSP430F149單片機(jī)設(shè)計(jì)一種炮兵氣象儀，以滿足炮兵分隊(duì)射擊時(shí)的簡易氣象條件和火箭炮地面風(fēng)修正的需要。

氣象儀的功能和基本工作原理

氣象儀的功能包括：①實(shí)時(shí)測定風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫和氣壓等氣象條件，為炮兵射擊提供簡易氣象條件修正量；②實(shí)時(shí)測定火箭炮陣地的地面風(fēng)向和風(fēng)速，為火箭炮分隊(duì)提供地面風(fēng)修正量。

炮兵氣象儀用于實(shí)現(xiàn)地面氣象條件風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、氣壓的自動(dòng)測量和射擊條件修正量及火箭炮地面風(fēng)修正量的自動(dòng)計(jì)算。其基本工作原理是：將氣象儀與處理機(jī)通過數(shù)據(jù)線相連，通過升降桿將氣象儀升至要求的高度后，風(fēng)的作用使風(fēng)標(biāo)指向風(fēng)吹來的方向，磁方位傳感器即感應(yīng)出風(fēng)向磁方位角；風(fēng)速葉輪隨風(fēng)速以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)一圈即產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，通過單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)即可計(jì)算出風(fēng)速；氣溫、氣壓傳感器感應(yīng)出當(dāng)時(shí)的氣溫和氣壓。以上數(shù)據(jù)經(jīng)氣象儀數(shù)據(jù)處理后傳輸給處理機(jī)，處理機(jī)按要求以固定格式顯示。氣象儀組成如圖1所示。

圖1 氣象儀組成框圖

氣象儀硬件設(shè)計(jì)

氣象儀的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)大氣壓力、溫度、風(fēng)向和風(fēng)速的實(shí)時(shí)測量，由壓力傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、磁方位風(fēng)向傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理電路、風(fēng)標(biāo)、連接座等組成，其基本設(shè)計(jì)思想是在滿足精度和使用環(huán)境要求的前提下，體積小、重量輕，便于野戰(zhàn)條件下使用。

傳感器的選型

（1）壓力、溫度傳感器

壓力和溫度傳感器采用帶預(yù)處理電路的模擬輸出傳感器，以簡化后續(xù)電路的設(shè)計(jì)。

壓力傳感器選用美國Honeywell公司的ASDX015絕壓傳感器。

溫度傳感器選用美國Dallas公司推出的基于單總線技術(shù)的數(shù)字溫度計(jì)芯片DS1820，便于調(diào)整傳感器的位置和方向，使其能有效感應(yīng)外界溫度。

（2）風(fēng)速傳感器

對于風(fēng)速的測量，可以選用的傳感器種類很多。綜合比較后，選用葉輪式風(fēng)速傳感器，利用霍爾效應(yīng)測量風(fēng)速。該方式與光電編碼相比更可以做到氣象儀整體小巧、結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶使用方便。

（3）風(fēng)向傳感器

磁方位傳感器，也就是通常所說的電子羅盤，軍用、民用產(chǎn)品比較多。本文選用由平面電子羅盤XW3200和風(fēng)標(biāo)組成磁方位風(fēng)向傳感器。

該傳感器通過兩軸磁阻傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補(bǔ)償，內(nèi)置微處理器計(jì)算傳感器與磁北夾角，兩軸磁阻傳感器的方向受風(fēng)標(biāo)的帶動(dòng)，始終指向風(fēng)吹來的方向，則其輸出的角度即為風(fēng)向磁方位角。整個(gè)測量過程無需定向，操作簡便靈活。

電路設(shè)計(jì)

氣象儀的電路設(shè)計(jì)的任務(wù)是對風(fēng)速傳感器輸出的脈沖序列進(jìn)行單位時(shí)間計(jì)數(shù)，對壓力傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，基于單總線技術(shù)讀溫度數(shù)據(jù)，接收風(fēng)向磁方位傳感器通過RS-232S輸出的數(shù)據(jù)及與處理機(jī)互傳數(shù)據(jù)等。

主控芯片簡介

數(shù)據(jù)處理部分采用MSP430F149作為系統(tǒng)的主芯片，該芯片是美國TI公司推出的超低功耗微處理器。MSP430F149有60KB+256字節(jié)FLASH，2KB RAM，包括以下模塊：

①基本時(shí)鐘模塊：包括1個(gè)數(shù)控振蕩器(DCO)和2個(gè)晶體振蕩器。

②看門狗定時(shí)器Watchdog Timer，可用作通用定時(shí)器。

③帶3個(gè)捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時(shí)器Timer A。

④帶7個(gè)捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時(shí)器Timer B。

⑤2個(gè)具有中斷功能的8位并行端口：P1和P2。

⑥4個(gè)8位并行端口：P3、P4、P5和P6。

⑦模擬比較器Comparator A。

⑧12位A/D轉(zhuǎn)換器ADC 12。

⑨2個(gè)串行通信接口USART0與USART1。

電源電路設(shè)計(jì)

該氣象儀為電池供電系統(tǒng)，因此對系統(tǒng)的總體功耗有較高的要求，為了降低功耗，選用MSP430系列的單片機(jī)，該系列的單片機(jī)工作電壓為1.8V~3.6V，并且具有休眠功能，耗電電流在0.1µA~400µA之間，具有極低的功耗。

主控芯片MSP430單片機(jī)電源電壓為3.3V，外圍傳感器的工作電壓要求為5V，兩節(jié)7號(hào)充電電池電壓為2.4V，因此電源電路的設(shè)計(jì)采用升壓DC-DC芯片NCP1400ASN30T1和NCP1400ASN50T1，可將0.8V~3V的電壓升至3.3V和5V，分別為單片機(jī)和外圍器件供電，同時(shí)設(shè)計(jì)有電源關(guān)斷功能，當(dāng)無需外圍器件工作時(shí)，將外圍器件的供電全部切斷，減少了整體功耗，電源電路原理見圖2。

圖2 電源電路原理圖

主控電路設(shè)計(jì)

主控電路可以分為溫度測量電路，壓力測量電路，風(fēng)速測量電路，風(fēng)向測量電路和通信電路等。

（1）溫度測量電路

溫度測量電路如圖3所示，測量時(shí)采用數(shù)字溫度傳感器DS1820，將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過主芯片MSP430F149的P6.5引腳傳送給主芯片。根據(jù)系統(tǒng)的需要和實(shí)際情況，采用外接電源供電方式，主芯片的P6.5腳用于DS1820的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。

圖3 溫度測量電路圖

（2）壓力測量電路

壓力測量電路如圖4所示。壓力的測量采用絕壓傳感器ASDX015，其采集模擬信號(hào)，并將模擬電壓傳入主芯片，通過主芯片的A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，所以必須連接在主芯片具有A/D轉(zhuǎn)換功能的引腳上。MSP430F149的P6口具有8路A/D轉(zhuǎn)換通道，壓力傳感器連接于主芯片的P6.4引腳。在實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能時(shí)，使用內(nèi)部參考電壓2.5V作為A/D轉(zhuǎn)換的電壓基準(zhǔn)，但是壓力傳感器的輸出范圍為0～4V，所以在壓力傳感器的輸出端需設(shè)計(jì)有分壓電路。

圖4 壓力測量電路圖