設計了一種低功耗便攜式氣象儀，該氣象檢測系統以低功耗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液晶實現數據的實時顯示；通過E2PROM進行數據的實時存儲和查詢.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，穩定性好，特別適用于小區域的氣候監測.

　　0 引言

　　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.

　　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 單片機內部A/D,由于單片機內部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.霍爾電壓發生器.差分放大電路.思密特觸發器.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，且方便屏蔽環境里的其他磁場，也可以減小機械系統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，得每秒鐘轉的圈數，再轉換成當前的風速.利用電壓比較器LM393 還可以起到調節霍爾元件靈敏度的作用，調節電位器，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，光電編碼器就會發出A,B 兩路相位差90°的數字脈沖信號.當角度為正轉時A 超前B 為90°，反轉時則B超前A為90°.輸出的數字脈沖信號的個數和角度位移量的關系為正比.因此，通過對脈沖信號計數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，計數加1;否則光電編碼器編碼器反轉，計數減1,計數等于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，由于是便攜式產品，可用5 V 鋰電池供電.進入系統后，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，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，滿足系統需求.

　　E2PROM 模塊：由于儲存數據較多，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，實現數據的儲存與讀取.

　　3 軟件設計

　　3.1 軟件流程

　　氣象儀的軟件設計包括系統的初始化.溫度數據采集.濕度數據采集.氣壓數據采集.風速數據采集.風向數據采集.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.

　　系統初始化以后，各個傳感器開始采集數據.時鐘芯片開始計時.單片機開始處理數據.液晶開始實時顯示數據.當觸發不同的功能按鍵，系統進入按鍵中斷，執行儲存.查詢數據等功能.

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

　　3.2 低功耗設計

　　MSP430單片機最大優勢在于它的低功耗特性，本系統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.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，只有中斷被觸發時，才被喚醒，這一設計方案大大降低了系統功耗.為了進一步降低功耗，當不觀測測量數據時，可以使系統進入自動測量模式，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

　　經過軟.硬件調試后，系統成功實現了溫度.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據與中央氣象臺同一時間發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域內的氣候，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，穩定性好，適用于小區域內的氣候測量.

　　5 結語

　　針對天氣預報范圍太廣，無法精確到小范圍區域；氣象臺成本太高；便攜式氣象儀匱乏的現狀，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，可系統地測量溫度.濕度.氣壓.風速.風向等氣象參數，精確度達到了普通氣象參數的測量要求，具有數據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工作2天左右，攜帶方便，可適應于各種小區域環境的氣侯預報，具有較強的實用性.