基于ATmega16單片機的微型氣象探測系統(tǒng)設計

摘 要： 設計了一種便攜式低功耗微型氣象探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以低功耗ATmega16單片機作為核心控制部件，采用溫濕度傳感器、氣壓傳感器以及光強度傳感器，進行溫度、濕度、氣壓和光照強度的測量；通過12864液晶、時鐘芯片和E2PROM實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲和查詢。實驗測試結果表明該微型氣象探測系統(tǒng)的測量精度達到了普通氣象測量要求，穩(wěn)定性高。由于該氣象探測系統(tǒng)具有微型化、低功耗、實時化和便攜式等特點，因而特別適用于小區(qū)域的氣象監(jiān)測。

關鍵詞： ATmega16單片機； 溫濕度傳感器； 氣壓傳感器； 光強度傳感器； E2PROM； 便攜式氣象探測系統(tǒng)

中圖分類號： TN06?34； TH765 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）11?0106?04

0 引 言

氣候變化使得我國干旱，洪澇等自然災害更加嚴重，提高我國的氣象探測能力，有助于增強我國災害預警和人工影響天氣能力。因此，氣象要素測量系統(tǒng)開發(fā)研究具有重要的意義。目前很多地區(qū)氣象要素的測量大多依靠當?shù)靥鞖忸A報，然而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，性價比低，因此設計一種微型化，便攜式的綜合氣象探測系統(tǒng)就顯得十分必要。針對以上問題本文設計了一種便攜式氣象探測系統(tǒng)，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、光照強度等氣象參數(shù)，精度可達到普通氣象測量要求，還有顯示、存儲、回溯查詢的功能，具有低功耗、微型化、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

本氣象測量系統(tǒng)以低功耗AVR單片機ATmega16作為核心控制部件，如圖1所示，由溫度測量模塊、濕度測量模塊、氣壓測量模塊、光照強度測量模塊、時鐘芯片、E2PROM、液晶顯示和獨立按鍵等模塊組成。通過各個傳感器將溫度、濕度、氣壓、光強度轉化為電信號，利用單片機處理后得到測量數(shù)據(jù)，并在液晶上顯示。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，儲存各個測量數(shù)據(jù)和時鐘芯片得到的當前時間；按下查詢鍵，查詢以前存儲的測量數(shù)據(jù)。同時該系統(tǒng)還具有自動測量功能，自動測量時，關閉液晶，測得數(shù)據(jù)每30 min存入E2PROM一次。

2 氣象探測系統(tǒng)硬件設計

2.1 ATmega16簡介

ATmega16 是Atmel公司推出的基于增強的AVR RISC結構的低功耗8 位CMOS微控制器[1?2]。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16擁有強大的處理能力，集成度高，嵌入模塊豐富（32個通用工作寄存器、10位A/D通道、16位定時器、512 B E2PROM、16 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH等），多用于智能家電、智能儀表、電池供電等便攜式設備中。本氣象探測系統(tǒng)采用ATmega16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8通道10位A/D和16位定時器，減少外圍模塊，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。ATmega16可寬電壓運行（2.7～5.5 V）。在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，這有效地減少系統(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，其精度高，性能穩(wěn)定[3]，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，成本和功耗較大，而且普通氣象測量對于溫度測量的精度要求并不高，所以，本設計選用電路簡單的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20[4]。

DS18B20是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，內(nèi)部自帶可編程9～12位轉換精度的模/數(shù)轉換器，溫度數(shù)字量轉換時間為200 ms，分辨率可達0.062 5 ℃，測量范圍為-55～125 ℃，供電范圍為3.0～5.5 V。它采用先進的單總線進行數(shù)據(jù)通信，而且可以不需要提供額外的電源，直接通過DQ與單片機的通信口相連，為傳感器供電。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，圖中為DS18B20設計了外接的電源，[R1]的兩端分別與[VCC]和DQ相連，將DQ端的電壓拉高為傳感器供電。電容[C1]接在GND和[VCC]之間起到非直流濾波作用，提高DS18B20的穩(wěn)定性，從而提高溫度測量的精確度。

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，它典型的供電電壓為5 V。HS1101穩(wěn)定性好、精度高、外帶防護罩、抗靜電、防灰塵、并可抵抗氨水、氯氣等，可測量的濕度范圍為1～100% RH，精度可達[5]±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LM555CN芯片的2腳和5腳之間，管腳7用作電阻[R2]的短路， 等量電容HS1101通過[R2，][R4]充電到門限電壓（約0.67 V），通過[R3]放電到觸發(fā)電平，然后[R3]通過7腳短路到地，傳感器由不同的電阻[R2，][R3]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，轉換成濕度值。

2.4 氣壓測量模塊

氣壓模塊選用BOSCH公司生產(chǎn)的具有溫度補償能力的集成數(shù)字氣壓傳感器BMP085[6]，它包含電阻式壓力傳感器、AD轉換器和控制單元，其中控制單元包括E2PROM和I2C接口。這種數(shù)字壓力傳感芯片的供電電壓為1.8～3.6 V，它具有超低功耗（標準工作模式下5 mA；待機電流0.1 mA）、高精度（低功耗模式下分辨率為0.06 hPa）和高可靠性，已廣泛應用于天氣預報、GPS精準導航、垂直速度指示和風扇功率控制等領域，其經(jīng)濟性和適用性均符合本設計的要求，BMP085的輸出與外加壓強成正比，測量范圍是300～1 100 hPa，完全校準數(shù)字輸出，在完成采樣后，通過I2C總線直接將數(shù)據(jù)傳送給微處理器。氣壓測量電路如圖4所示。值得注意的是，BMP085數(shù)字壓力傳感器對氣壓?海拔高度提供了參考公式，利用該公式配合傳感器測量的氣壓值能夠較好地得到海拔高度[6?7]。

2.5 光強度測量模塊

光強模塊的主要部件是BH1750FVI[8?9]，這是一種16位數(shù)字輸出型環(huán)境光強度傳感器集成芯片，其具有兩線式串行總線接口，內(nèi)置了16位AD轉換器，功耗低，集成度高，不需任何輔助器件就能夠完成光照度測量，設計人員無需考慮傳感器標定、信號放大、模/數(shù)轉換等過程，只需通過I2C BUS接口完成傳感器設置與照度讀取等操作。BH1750FVI光源依賴性弱，受紅外線影響很小，能夠測量范圍廣泛的輸入光（相當于1～65 536 lx），可對廣泛的亮度進行1 lx的高精度測定。利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化，能夠根據(jù)收集的光線強度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。

BH1750FVI工作電壓為2.4～3.6 V，典型的測量時間為120 ms。ATmega16單片機通過BH1750FVI采集環(huán)境光的強弱的數(shù)據(jù)。單片機和BH1750FVI之間的通信使用標準的I2C協(xié)議，單片機通過內(nèi)部包含的I2C通信接口與BH1750FVI的I2C接口相連，容易實現(xiàn)編程與控制。如圖5所示，BH1750FVI只占用了單片機的兩個I/O接口，其中時鐘端SCL，數(shù)據(jù)端SDA分別外接到了單片機的PD1和PD2口。

2.6 人機接口模塊及其他硬件模塊

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。觀測時實時顯示溫度、濕度、氣壓、光照；查詢時，顯示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。

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12864液晶、數(shù)字氣壓傳感器BMP085和數(shù)字光強度傳感器BH1750FVI等模塊供電。

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[10]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[11]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 氣象探測系統(tǒng)軟件設計

微型氣象探測系統(tǒng)的軟件設計主要包括系統(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、光照強度數(shù)據(jù)采集、時鐘芯片、液晶顯示、儲存、按鍵等9個模塊，主要流程如圖6，圖7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。值得注意的是，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。

4 實驗測試結果對比與分析

如圖8所示，經(jīng)過軟硬件調(diào)試后，微型氣象探測系統(tǒng)成功實現(xiàn)了溫度、濕度、氣壓、光照強度的測量、顯示、存儲、查詢功能。為了測試本氣象探測系統(tǒng)測量的精確度，分別將系統(tǒng)在2013年2月19日14時5分和2013年2月20日9時25分于南京浦口室外讀到的數(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，測試結果見表1。

從對比結果可以看出，本文設計的微型氣象探測系統(tǒng)和中央氣象臺發(fā)布的溫度、濕度、氣壓基本一致，由于天氣預報范圍很廣，而本氣象探測系統(tǒng)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。由于天氣預報中只有光強度定性的數(shù)據(jù)，沒法做直接的比較。值得注意的是，本氣象探測系統(tǒng)的光照強度測量數(shù)據(jù)對于判斷室內(nèi)光強的強弱和路燈基礎照明的好壞也有較好的參考價值。總之，實驗對比表明本文設計的氣象探測系統(tǒng)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ATmega16低功耗單片機的便攜式氣象探測系統(tǒng)。該氣象探測系統(tǒng)集成了多種氣象傳感器，可系統(tǒng)地測量溫度、濕度、氣壓和光照強度等氣象參數(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。同時功耗低，可用普通5 V鋰電池供電，攜帶方便，可適應于各種小區(qū)域環(huán)境的氣侯預報，具有一定的實用性。

參考文獻

[1] 陳忠平，高金定.基于ATmega16與DS18B20的智能溫控系統(tǒng)的設計[J].現(xiàn)代電子技術，2011，34（4）：175?177.

[2] 田國棟，李強.基于ATmega16單片機的實時溫度采集與分析系統(tǒng)[J].電子設計工程，2012，20（7）：151?153.

[3] 馬毅，張宏宇.多路鉑電阻測溫系統(tǒng)設計[J].電子測量技術，2012，35（5）：87?89.

[4] 呂建波.基于單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的測溫系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35（19）：117?119.

[5] 徐偉恒，張方坤，李俊萩.普洱茶渥堆發(fā)酵多通道溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2011，34（3）：118?119.

[6] 李洪輝，裴海龍.無人直升機高度測量的設計與實現(xiàn)[J].自動化與儀表， 2012，27（7）：11?15.

[7] 王俊彩，王福平，侯瑞峰，等.基于BMP085的一種便攜式海拔高度測量系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（12）：123?125.

[8] 高英明，張環(huán)月，鄒念育，等.一種多功能照度計的設計[J].計算機系統(tǒng)應用，2012，21（3）：252?255.

[9] 云中華，白天蕊.基于BH1750FVI的室內(nèi)光照強度測量儀[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2012，12（6）：27?29.

[10] 吳凌燕，陳世夏，戚甫峰.基于SPCE061A的低功耗電子溫度計設計[J].儀表技術，2010（3）：28?29.

[11] 陳寒青.新型出租車計價器軟件功能分析與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2011，34（10）：35?36.