設計了一種低功耗便攜式氣象儀，該氣象檢測系統(tǒng)以低功耗MSP430單片機為主控，利用溫度傳感器.濕度傳感器.氣壓傳感器.風速和風向測量模塊，進行溫度.濕度.氣壓.風速.風向的測量；通過時鐘芯片和12864液晶實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示；通過E2PROM進行數(shù)據(jù)的實時存儲和查詢.該氣象儀具有小型化.實時化.低功耗和便攜式等特點，測試結果表明該氣象儀的測量精度可達普通氣象測量要求，穩(wěn)定性好，特別適用于小區(qū)域的氣候監(jiān)測.

　　0 引言

　　溫度.濕度.氣壓.風速.風向等氣象參數(shù)的測量在日常生活.農(nóng)業(yè).漁業(yè).工業(yè).林業(yè).航海等領域中起著十分重要的作用，很多地區(qū)氣象參數(shù)的測量大多依靠當?shù)靥鞖忸A報，可是，天氣預報地域范圍較廣，無法精確到小區(qū)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(tǒng)可以有效地測量小區(qū)域的溫度.濕度.氣壓.風速.風向等氣象參數(shù)，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(qū)域的氣象測量，具有一定的實用價值.

　　1 系統(tǒng)設計和工作原理

　　如圖1 所示，本氣象測量系統(tǒng)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(shù)據(jù)，各個數(shù)據(jù)和時鐘芯片得到的時間信息一并在液晶上顯示，實現(xiàn)氣象參數(shù)的實時顯示.

　　通過E2PROM 和獨立按鍵實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和查詢--按下存儲鍵，儲存當前的時間和數(shù)據(jù)；按下查詢鍵，查詢以前存儲的測量數(shù)據(jù).同時，還具有自動測量的功能，自動測量時，關閉液晶，測得數(shù)據(jù)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6 μs,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(nèi)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(tǒng)穩(wěn)定性.同時還可使單片機進入低功耗模式，有效地減少系統(tǒng)功耗，節(jié)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(shù)字式兩種.模擬式的溫度傳感器主要有PT100,它精度高，性能穩(wěn)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(shù)字式溫度傳感器AD7416.

　　AD7416是一款多功能溫度傳感器，內(nèi)部采用10位逐次逼近型模/數(shù)轉換器，典型的溫度轉換時間為400 μs,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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wěn)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(jù)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(xiàn)，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(fā)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(huán)，形成方波.由單片機測得方波頻率，根據(jù)HS1101的換算關系，轉換成濕度置.

　　2.4 氣壓測量模塊

　　氣壓傳感器選用美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的具有溫度補償能力的集成壓力傳感器MPX4115,這種芯片可靠性高，經(jīng)濟性和適用性均符合要求，其輸出與外加壓力成正比，測量范圍是15~115 kPa,輸出電壓范圍是0.2~4.8 V.MPX4115輸出電壓與大氣壓的關系如下：

　　式中：VS 是電源電壓；P 是大氣壓.MPX4115 輸出電壓送給MSP430 單片機內(nèi)部A/D,由于單片機內(nèi)部A/D 的參考電壓為2.5 V,小于壓力傳感器最大輸出電壓，所以，在MPX4115 輸出端用電阻分壓，輸入單片機后，根據(jù)式（1），換算得到氣壓值.氣壓測量電路如圖4所示.

　　2.5 風速測量模塊

　　風速測量傳感器選用CS3144霍爾開關集成電路，它是運用半導體集成電路技術制造出的磁場敏感電路，它的組成有電壓調整器.霍爾電壓發(fā)生器.差分放大電路.思密特觸發(fā)器.溫度補償電路以及集電極的開路輸出，其的輸入是磁場感應強度，輸出的是數(shù)字電壓信號.

　　為測量風速，選用三風杯式風速組件，在風杯的旋轉體上加上小磁鋼，小磁鋼體積小，質量小，磁鋼強，其磁場適合于被霍爾傳感器接收，且方便屏蔽環(huán)境里的其他磁場，也可以減小機械系統(tǒng)對最后的感應量的影響，從而使測量更加精確.風速測量電路如圖5 所示，由CS3144接收磁場強度輸出數(shù)字信號再由LM393轉化成為脈沖，最后傳送到單片機的I/O口，小磁鋼每次轉過一圈，就會輸出一個脈沖給單片機接收，利用單片機計數(shù)，得每秒鐘轉的圈數(shù)，再轉換成當前的風速.利用電壓比較器LM393 還可以起到調節(jié)霍爾元件靈敏度的作用，調節(jié)電位器，反向輸入端的比較電壓相應變化，比較的電壓變低時，輸入的數(shù)字信號很小也會輸出脈沖，相應的靈敏度變高，反之則靈敏度變低.

　　2.6 風向測量模塊

　　為了達到較好的測量效果，選擇增壓式光電編碼器CHA3806 進行風向的測量，增壓式光電編碼器一般輸出A,B,Z三路脈沖信號，Z信號主要用于同步或調零，A.B信號包含了被測對象的旋轉方向.旋轉速率等信息，它的機械構造相比而言是簡單的，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，有600分辨率的編碼盤，測量范圍在0°~360°，滿足測量要求.

　　在光電編碼器的旋轉軸上加上很大的風向標，當風向標角度變化時，光電編碼器就會發(fā)出A,B 兩路相位差90°的數(shù)字脈沖信號.當角度為正轉時A 超前B 為90°，反轉時則B超前A為90°.輸出的數(shù)字脈沖信號的個數(shù)和角度位移量的關系為正比.因此，通過對脈沖信號計數(shù)就能計算出相應的角位移量.風向測量電路如圖6所示.

　　光電編碼器的輸出A,B向脈沖接到單片機的I/O端口，固定選擇某一個光電編碼器位置朝向北，每轉過一個位置，A 發(fā)出一個脈沖被單片機接收，此時單片機會判別B 脈沖此時為高電平還是低電平.如果B 是高電平，則此時光電編碼器為正轉，計數(shù)加1;否則光電編碼器編碼器反轉，計數(shù)減1,計數(shù)等于600時歸零，同樣的小于0 的角度則從599 開始減去，最終的計數(shù)值乘以0.6,這樣就測算出了風向.為了直觀的看出風向，按照風向表示法，以0°為正北，每隔22.5°為一類，分別表示，北風.北東北風.東北風.東東北風.東風.東東南風.東南風.南東風.南風.南西南風.西南風.西西南風.西風.西西北風.西北風.北西北風，液晶顯示時風的類型和偏轉角一同顯示.

　　2.7 人機接口模塊

　　鍵盤模塊：采用6 個獨立按鍵，分別對應觀測.查詢.儲存.自動測量.上.下6個功能.上.下鍵用于在查詢功能中看不同時期的測量值.液晶顯示模塊：采用低功耗12864 液晶，3.3 V 供電，打開背光時工作電流約10 mA,關閉背光工作電流小于1 mA.觀測時實時顯示當前時間.溫度.濕度.氣壓.風速.風向；查詢時，現(xiàn)實記錄的測量值和測量時間；自動測量時，可由單片機控制，關閉背光，減少電能消耗，達到低功耗效果.

　　2.8 其他硬件模塊

　　系統(tǒng)電源模塊：電路中共用到3.3 V.5 V電壓值，由于是便攜式產(chǎn)品，可用5 V 鋰電池供電.進入系統(tǒng)后，5 V 電壓通過LM1117 3.3 V 得到3.3 V 電壓給MSP430單片機供電.

　　時鐘模塊：實時時鐘采用低功耗芯片DS1302,可自動對秒.分.時.日.周.月.念年及閏年補償進行計數(shù)，擴展萬年歷功能顯示，功耗低，2.5 V 供電時，功耗小于300 nA,且精度較高，滿足系統(tǒng)需求.

　　E2PROM 模塊：由于儲存數(shù)據(jù)較多，選用儲存空間較大，成本較低的AT24C256儲存器.這種E2PROM具有32 KB容量，通過I2C總線與單片機相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲存與讀取.

　　3 軟件設計

　　3.1 軟件流程

　　氣象儀的軟件設計包括系統(tǒng)的初始化.溫度數(shù)據(jù)采集.濕度數(shù)據(jù)采集.氣壓數(shù)據(jù)采集.風速數(shù)據(jù)采集.風向數(shù)據(jù)采集.時鐘.液晶顯示.儲存.按鍵等10大模塊，主要流程如圖7,圖8所示.

　　系統(tǒng)初始化以后，各個傳感器開始采集數(shù)據(jù).時鐘芯片開始計時.單片機開始處理數(shù)據(jù).液晶開始實時顯示數(shù)據(jù).當觸發(fā)不同的功能按鍵，系統(tǒng)進入按鍵中斷，執(zhí)行儲存.查詢數(shù)據(jù)等功能.

　　傳感器采集的數(shù)據(jù)受外界因素的干擾，有可能采集到存在誤差較大的數(shù)據(jù)，為了保證測量的精確性，對采集到的數(shù)據(jù)每10個做平均值，其平均值作為最終的測量數(shù)據(jù)，進行顯示.儲存，以減小測量誤差.

　　3.2 低功耗設計

　　MSP430單片機最大優(yōu)勢在于它的低功耗特性，本系統(tǒng)程序按照低功耗方式設計.除了必要的設備初始化以外，其余程序（鍵盤觸發(fā).定時器.A/D轉換）均在中斷中完成.單片機大部分時間處于LPM1 低功耗模式中，只有中斷被觸發(fā)時，才被喚醒，這一設計方案大大降低了系統(tǒng)功耗.為了進一步降低功耗，當不觀測測量數(shù)據(jù)時，可以使系統(tǒng)進入自動測量模式，單片機控制液晶，關閉其背光，減少功耗.

　　4 實驗結果對比與分析

　　經(jīng)過軟.硬件調試后，系統(tǒng)成功實現(xiàn)了溫度.濕度.氣壓.風速.風向的測量.顯示.存儲.查詢功能.為了測試本氣象儀測量的精確度，分別將系統(tǒng)在2013 年1 月21日18時45分和2013年1月22日14時45分于南京室外讀到的數(shù)據(jù)與中央氣象臺同一時間發(fā)布的南京天氣實況進行對比，測試結果如表1所示.

　　從對比結果可以看出，本文設計的氣象儀和中央氣象臺發(fā)布的溫度.濕度.氣壓基本一致，風向完全一樣，風速差別略大，由于天氣預報范圍很廣，而本氣象儀測量的是小區(qū)域內(nèi)的氣候，所以測量值存在微小差異很正常，更可以說明在小范圍區(qū)域，本設計測量值更精確.

　　而對比中風速差異稍大，一是由于本氣象儀測量的范圍與天氣預報測量范圍差異造成的，二是由于風速較低，小磁鋼所轉圈數(shù)較少，風杯與支柱間的摩擦力等因素造成速度分辨率低，若風速較大，則測量更精確些.總之，實驗對比表明本文設計的氣象儀精度達到普通氣象測量要求，穩(wěn)定性好，適用于小區(qū)域內(nèi)的氣候測量.

　　5 結語

　　針對天氣預報范圍太廣，無法精確到小范圍區(qū)域；氣象臺成本太高；便攜式氣象儀匱乏的現(xiàn)狀，設計了基于MSP430 低功耗單片機的便攜式氣象儀.該氣象儀集成了多種氣象傳感器，可系統(tǒng)地測量溫度.濕度.氣壓.風速.風向等氣象參數(shù)，精確度達到了普通氣象參數(shù)的測量要求，具有數(shù)據(jù)儲存和回溯查詢的功能.同時功耗很低，可用電池供電，普通5 V 鋰電池大約可以持續(xù)工作2天左右，攜帶方便，可適應于各種小區(qū)域環(huán)境的氣侯預報，具有較強的實用性.