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基于 ATmega16 單片機的微型氣象探測系統(tǒng)設(shè)計

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　　摘要：設(shè)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(jié)果表明該微型氣象探測系統(tǒng)的測量精度達(dá)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。

　　0 引言

　　氣候變化使得我國干旱，洪澇等自然災(zāi)害更加嚴(yán)重，提高我國的氣象探測能力，有助于增強我國災(zāi)害預(yù)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(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報，然而天氣預(yù)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(shè)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(shè)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(dá)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(yīng)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(shè)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(zhuǎn)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(dāng)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(guān)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(shè)計

　　2.1 ATmega16簡介

　　ATmega16 是Atmel 公司推出的基于增強的AVRRISC結(jié)構(gòu)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(dá)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(shè)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(shè)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(zhǔn)，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(gòu)成的溫度測量電路十分復(fù)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(shè)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(zhuǎn)換精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間為200 ms,分辨率可達(dá)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(dá)到低功耗的功能。溫度測量電路如圖2所示，圖中為DS18B20設(shè)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(yīng)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(dá)[5]±2% RH,符合普通氣象測量的要求。當(dāng)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(dǎo)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(guān)系，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用于天氣預(yù)報、GPS精準(zhǔn)導(dǎo)航、垂直速度指示和風(fēng)扇功率控制等領(lǐng)域，其經(jīng)濟性和適用性均符合本設(shè)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(zhǔn)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(zhuǎn)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(shè)計人員無需考慮傳感器標(biāo)定、信號放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等過程，只需通過I2C BUS接口完成傳感器設(shè)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(guān)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(guān)閉背光，減少電能消耗，達(dá)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。

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　　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(shè)計

　　微型氣象探測系統(tǒng)的軟件設(shè)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(dāng)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(jié)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(jié)果見表1.

　　從對比結(jié)果可以看出，本文設(shè)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(yù)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(shè)計測量值更精確。由于天氣預(yù)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(chǔ)照明的好壞也有較好的參考價值�？傊�，實驗對比表明本文設(shè)計的氣象探測系統(tǒng)精度達(dá)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(jié)語

　　針對天氣預(yù)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(shè)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(dá)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(yīng)于各種小區(qū)域環(huán)境的氣侯預(yù)報，具有一定的實用性。