基于MSP430單片機的便攜式氣象儀設計
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溫度、濕度、氣壓、風速、風向等氣象參數的測量在日常生活、農業、漁業、工業、林業、航海等領域中起著十分重要的作用，很多地區氣象參數的測量大多依靠當地天氣預報，可是，天氣預報地域范圍較廣，無法精確到小區域的氣候測量。而搭建氣象臺成本較高，性價比很低，因此設計一種小型化，便攜式的綜合氣象測量儀就顯得十分必要。針對上述問題本文設計了一種低功耗便攜式氣象儀，該氣象檢測系統可以有效地測量小區域的溫度、濕度、氣壓、風速、風向等氣象參數，精度可達到普通氣象測量要求，還有實時顯示、實時存儲、回溯查詢的功能，具有低功耗、小型化、便攜式、低成本的特點，適應于各種小區域的氣象測量，具有一定的實用價值。
1 系統設計和工作原理
如圖1所示，本氣象測量系統以低功耗單片機MSP430F149作為核心控制部件，加以溫度測量模塊、濕度測量模塊、氣壓測量模塊、風速測量模塊、風向測量模塊、時鐘模塊、以及E2PROM、液晶顯示和獨立按鍵等模塊組成。
利用各個傳感器將溫度、濕度、氣壓、風速、風向轉化為電信號，通過單片機處理后得到測量數據，各個數據和時鐘芯片得到的時間信息一并在液晶上顯示，實現氣象參數的實時顯示。
通過E2PROM和獨立按鍵實現數據的存儲和查詢——按下存儲鍵，儲存當前的時間和數據；按下查詢鍵，查詢以前存儲的測量數據。同時，還具有自動測量的功能，自動測量時，關閉液晶，測得數據每小時存入E2PROM一次。
2 硬件設計
2．1 MSP430簡介
MSP430是TI公司推出的一系列超低功耗微處理器。它的顯著特性是具有超低功耗，有5個低功耗模式可供選擇，喚醒時間很短，只需6μs，同時還擁有強大的處理力，集成度高，嵌入模塊豐富(12位A／D、16位定時器、FLASH等)，多用于智能儀表、智能家電、電池供電等便攜式設備中。本氣象儀采用MSP430系列的MSP430F149單片機為主控芯片，不僅滿足了設計的要求，可以直接運用內部集成的12位A／D和16位定時器，減少外圍模塊，從而提高了系統穩定性。同時還可使單片機進入低功耗模式，有效地減少系統功耗，節約電能。
2．2 溫度測量模塊
目前常用的溫度傳感器主要有模擬式和數字式兩種。模擬式的溫度傳感器主要有PT100，它精度高，性能穩定，工作溫度在-200～650℃之間，但是由PT100構成的溫度測量電路十分復雜，功耗和成本較大，而且普通氣象測量對于溫度測量的精度要求并不是十分高，所以，本設計選用電路較為簡單的數字式溫度傳感器AD7416。
AD7416是一款多功能溫度傳感器，內部采用10位逐次逼近型模／數轉換器，典型的溫度轉換時間為400μs，分辨率可達0．25℃，測量范圍為-40～125℃，最低功耗可達1．2 μW，采用I2C總線進行數據傳輸，并且具有過溫保護和采樣放錯機制。選用此傳感器不僅滿足精度要求，而且電路簡單，還可以達到低功耗的功能。溫度測量電路如圖2所示，串行總線地址的低3位A0，A1，A2均接地，其串行地址為48H；其數據引腳SDA和時鐘引腳SCL外接上拉電阻與單片機I／O口相連，通過I2C總線寫入控制字，控制其進行溫度測量。
2．3 濕度測量模塊
濕度傳感器主要分為電容式和電阻式兩大類，目前應用比較廣泛的是HS1101電容式濕度傳感器，它的穩定性好、精度高、外帶防護罩、抗靜電、防灰塵、并可抵抗氯氣、氨水等，可測量的濕度范圍為1％～100％ RH，精度可達±2％RH，符合普通氣象測量的要求。當相對濕度變化時HS1101的相對電容改變，相對電容大小的改變會導致充放電時間的變化，測量時僅需要根據充放電頻率即可計算出相對濕度。
濕度測量電路如圖3所示，相對濕度測量通過555多諧振蕩電路實現，HS1101作為電容變量接在TLC555芯片的2腳和5腳之間，管腳7用作電阻R5的短路，等量電容HS1101通過R3，R4充電到門限電壓(約0．67 V)，通過R4放電到觸發電平，然后R4通過7短路到地，傳感器由不同的電阻R5，R4充放電，形成充放電循環，形成方波。由單片機測得方波頻率，根據HS1101的換算關系，轉換成濕度置。
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