氣象要素實時采集與顯示系統設計

何川 周銘

摘要：針對現有的氣象要素檢測設備顯示單一、精度較低、體積過大、不便于維修和更換等問題，以單片機MSP430為核心，通過硬件系統和軟件系統的配合，設計出一套氣象要素實時采集與顯示系統。首先通過DS1302時鐘電路采集時間信息，然后通過溫濕度采集模塊和氣壓采集模塊將采集到的溫度、濕度和氣壓信號送到單片機中進行處理，實現精密測量以及實時采集傳輸，最后通過LCD1602顯示。

關鍵詞：MSP430；溫濕度采集模塊；氣壓采集模塊；實時采集；LCD1602

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）32-0072-03

一、引言

用毛發濕度計或干濕球濕度計測量精度不高，常見的基于水銀的氣壓計和溫度計精度低，攜帶不便而且容易損壞。普通的氣象要素檢測設備基于模擬式的數字溫濕度計與數字氣壓計，以單片機作為控制核心，通過溫濕度傳感器和氣壓傳感器將采集到的溫度、濕度和氣壓信息輸入到A/D轉換器進行模數轉換，經過轉換后的數字信號送到單片機中進行處理，最后通過顯示屏進行顯示，這種方式過程煩瑣、電路復雜、功耗高、測量精度低，校準和標定的標準十分復雜，而且顯示單一。本文設計了一種用于測量溫度、濕度和氣壓，并能實時顯示的氣象要素實時采集與顯示系統。以單片機MSP430作為控制核心，數字溫濕度傳感器DHT11和數字氣壓傳感器BMP085來采集溫度、濕度和氣壓，時鐘芯片D13302提供時間信息，LCD1602顯示時間、溫度、濕度和氣壓。本文采用的溫濕度傳感器和氣壓傳感器采用專門的數字模塊技術，無需單獨進行A/D轉換，降低了電路的復雜性，提高了系統的穩定性和可靠性，同時本設計能實時顯示溫度、濕度、溫度和時間，豐富了設計的功能。

二、系統的硬件設計

系統的硬件設計采用了功能模塊化的方法，主要功能模塊包括：單片機模塊、溫濕度采集模塊、氣壓采集模塊、時鐘模塊和液晶顯示模塊。氣象要素實時采集與顯示系統框圖如圖1所示。通過溫濕度采集模塊與氣壓采集模塊將檢測到的外界溫度、濕度和氣壓信號經傳感器內的A/D轉換器轉換成對應的二進制存儲于芯片的RAM中，單片機通過發送讀取溫濕度采集模塊和氣壓采集模塊的溫濕度命令碼和氣壓命令碼，就返回對應的參數值，經過單片機MSP430進行處理，由時鐘模塊提供時間信息，然后通過與單片機模塊相連的液晶顯示模塊實時顯示出溫度、濕度、氣壓和時間。

系統的硬件設計采用了功能模塊化的方法，主要功能模塊包括：單片機模塊、溫濕度傳感器模塊、氣壓傳感器模塊、時鐘模塊和液晶顯示模塊。

以下介紹各個模塊的具體設計。

1.單片機模塊的設計。單片機模塊包括時鐘模塊、復位模塊和單片機MSP430。時鐘模塊為單片機提供時鐘信號，本文采用10MHz的晶振作為晶振電路的芯片。復位模塊主要對系統進行復位清零。

作為系統的控制核心，本文選取了美國德州儀器公司（Texas Instruments）生產的MSP430系列芯片[1]，它具有體積小、運行速度快、數據處理能力強、抗干擾性能好和低功耗等優點。芯片的工作電壓為1.8～3.6V；具有48個可編程I/O端口；CPU運行16位的精簡指令集，片內寄存器資源豐富，通過存儲器可以實現多種運算；12位的A/D轉換器，具有自動掃描和采樣保持等特點；150ns的指令周期；16位的定時器，有4種工作模式，可同時進行捕獲/比較功能；片內具有JTAG調試接口和60KB的FLASH存儲器；可進行串行通信；開發環境支持C語言和匯編語言。因此，特別適合應用在智能儀表、工業控制、家用電器、計算機網絡和通信領域等。

2.溫濕度采集模塊的設計。溫濕度傳感器模塊采用的傳感器芯片是廣州奧松電子有限公司推出的DHT11[2]數字溫濕度傳感器，是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用于專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有很高的可靠性與穩定性。其中溫度測量范圍為0℃～50℃，測量精度為+1.0℃；濕度測量范圍為20%～90%RH，測量精度為5.0%RH，響應時間小于5s。DHT11數字溫濕度傳感器與微處理器之間的通信采用單總線[3]數據格式。輸出的數據格式為：8位溫度整數數據+8位溫度小數數據+8位濕度整數數據+8位濕度小數數據+8位校驗與數據。通過DATA端口，DHT11將采集到的溫度和濕度數據送到單片機MSP430中進行處理，如圖2所示。

3.氣壓采集模塊的設計。氣壓采集模塊采用的是BOSCH公司的BMP085數字氣壓傳感器。該芯片主要由電阻式壓力傳感器、AD轉換器以及控制單元構成，控制單元主要涵蓋了EEPROM與I2C接口。BMP085[4]采用I2C協議進行通訊，系統通過I2C接口直接連接到處理器上。該芯片采用1.8～3.6V的供電電壓，適用氣壓范圍是300hPa～1100hPa。BMP085具備低功耗、低電壓的電學特性，使其適用于戶外環境。此外，由于該芯片是基于壓阻效應技術的，具有穩定的電磁兼容性、線性、穩定性以及高精度。單片機MSP430為BMP085提供了時鐘信號，BMP085采集到的外界氣壓數據通過串行數據總線端口SDA傳輸到單片機的P25端口進行數據處理，連接方式如圖2所示。

4.時鐘模塊的設計。時鐘模塊選用的是美國DALLAS公司推出的一款高性能時鐘芯片DS1302[5]，該時鐘芯片最大的優點是精度高，能完整地提供年、月、星期、日、時、分、秒，而且每個閏年的天數和月的天數可以自動調整。

通過晶振芯片為DS1302[6]提供時鐘信號。時鐘芯片DS1302的SCLK端口與單片機的P3.1端口相連，控制數據的輸入與輸出；I/O端口與單片機的P3.0端口連接，進行數據的輸入與輸出；CE端口使能端口與單片機的P3.2端口連接，在讀寫數據期間必須為高電平。連接方式如圖3所示。

5.液晶顯示模塊的設計。液晶顯示模塊采用的是LCD1602液晶顯示器。LCD1602采用標準14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，本文采用的是16腳接口。LCD1602顯示容量為16×2個字符，工作電流為2.0mA（5V），最佳工作電壓為5V。LCD1602具有體積小、功耗低、顯示內容豐富、外圍電路配置簡單、價格便宜等優點。本文LCD1602主要實現了氣壓、溫度、濕度和時間的顯示功能。圖4為液晶顯示模塊電路連接圖。

LCD1602[7]的8位數據總線D0～D7與單片機的I/O接口P4.0～P4.7連接，進行數據的傳輸；RS端口與單片機的P6.3端口連接，為高電平時選擇數據寄存器，為低電平時選擇指令寄存器；RW端口與單片機的P6.4端口連接，為高電平時進行讀操作，為低電平時是寫操作；E端口為使能端，與單片機的P6.5端口進行連接，當由高電平變為低電平時，液晶模塊執行命令。

三、系統的軟件設計

本系統采用C語言進行編寫，軟件設計采用了模塊化的思想，分為主程序模塊和子程序模塊。主程序模塊主要進行系統的初始化、任務的切換和實現各個模塊間的參數傳輸。子程序主要包括濕度采集模塊、氣壓采集模塊、LCD顯示模塊和時鐘模塊。圖5為整個軟件的工作流程圖，程序執行過程如下。

1.對單片機、DHT11、BMP085、DS1302和LCD1602進行初始化，清除各模塊預留信息。

2.執行讀時間程序，確定此刻的時間。

3.執行讀氣壓的程序、溫度程序和濕度程序，采集氣壓、溫度和濕度。

4.執行LCD顯示程序，顯示出氣壓、溫度、濕度和時間。

5.存儲氣壓、溫度、濕度和時間信息，然后循環執行以上程序。

四、結論

本文介紹的氣象要素實時采集與顯示系統的設計，創新點在于把單一的溫度、濕度、氣壓測量和時間顯示集成化，具有便攜、易讀、精確的特點。針對傳統的溫度、濕度和氣壓測量，這里選用DHT11數字溫濕度傳感器和BMP085氣壓傳感器，可以直接連接單片機，由于其集成化程度高，簡化了外圍電路的復雜度，提高了電路的穩定性和可靠性，因此該氣象要素實時采集與顯示系統能滿足日常的生產和生活，具有很大的市場前景。

參考文獻：

[1]MSP430F1X Data Sheet.Texas Instruments，Inc.，Dallas，USA，2006.

[2]韓丹翱，王菲.DHT11數字式溫度傳感器的應用性研究[J].電子設計工程，2013，21（13）：83-88.

[3]陳龍，鄧光燦，孫麒.基于MSP430單片機的多路采集系統的設計[J].現代電子技術，2006，29（20）：107-109，112.

[4]方劉海，文繼國.基于BMP085的精密數字氣壓計設計[J].電子設計工程，2014，22（24）：69-71.

[5]孫艷玲，劉亞麗.基于MPX4105芯片的數字氣壓計[J].中國儀器儀表，2007，（11）：62-65.

[6]應建華，陳艷，郭艷.一種I2C總線接口的串行時鐘芯片[J].華中科技大學（自然科學版），2006，5（34）：62-64.

[7]Kin Hee-chu，Kwon Byong-heon.ChoiMyung- ryu. An image interpolator with image improvement for LCD comtroller Consumer Elctronics IEEE Transcation，47（2）：263-271.