论文总字数：13369字

目 录

摘要 4

Abstract 5

1 引言 6

1.1设计的意义和目的 6

1.2 国内外研究现状 6

1.3研究内容 6

2 系统设计方案 7

3 硬件设计 7

3.1 MSP430单片机 7

3.2 温湿度测量模块 9

3.3 气压测量模块 10

3.4 液晶显示电路 11

3.5 键盘电路 11

3.6 电源电路 12

3.7 系统总体电路图 12

4 软件设计 13

4.1主程序设计 13

4.2 温湿度采集模块 14

4.3 气压采集模块 16

5 系统调试 18

5.1 硬件调试 18

5.2 软件调试 19

6 总结 19

参考文献 21

致谢 22

基于单片机的简易采集气象参数系统设计

郑聪

，China

Abstract: The collection of meteorological parameters plays a decisive role in meteorological forecast and social life. The design based on MSP430 single-chip meteorological data collection,, including the main control module, sensor module, display module and power supply module. The sensor module is used to collect the weather information (mainly the humiture data) by the temperature and humidity sensors and air pressure sensors. Moreover, the software design uses C language programming. During the operation, the sensor will transmit the collected information to the MSP430 control system, and then the data will be displayed on the LCD screen via control system. In the end, we can easily get the required weather parameters.

Key words：Meteorological data acquisition、MSP430、Data display

1 引言

1.1设计的意义和目的

气象与我们的生活密切相关。气象观测的信息和数据在社会的发展中应用广泛，在农业、工业、航空、军事、交通等方面都有着至关重要的作用。随着20世纪70年代单片机的问世，以及它的飞速发展。一种基于单片机采集气象参数的方式开始流行起来，并得到了广大气象工作者的认可与采纳。对于我们而言，采集一些简单的气象参数，可以使我们了解天气状况，提前做好规划，提高生活质量。对于国家、社会等大方面来讲，提前得知气象参数，有助于我们分析气候状况，规避风险，研究生态变化，以及在大国之间的博弈中占据上分。

单片机在我们的日常生活中运用十分普遍，在仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备和智能化管理及控制领域中都占据主导地位。通过大学对单片机的学习，我们也算对单片机有了初步的了解。通过设计一种基于单片机的气象参数采集系统，将单片机知识运用到我们生活中的气象采集方面，既能提高气象采集的效率，又能检验我们对单片机的学习和理解，也算是一举两得。

1.2 国内外研究现状

最早开始研究气象参数采集的国家是前苏联和美国，在上个世纪50年代左右，前苏联研制了M36型自动气象站，美国研制了AMOS-III型气象站，虽然它们都结构简单，检测到的气象参数很少，但是作为第一批气象参数的采集系统，也算为自动气象化服务行业开启了大门。在前苏联和美国之后，我国也效仿其建立自动化气象站，开始了对自动气象信息采集系统的研制。随后由于历史原因，我国的气象参数采集服务停滞不前，并与发达国家的差距越来越大。直到90年代，我国才自行研制出第一批自动气象采集系统，也才真正的为我国自动化气象参数采集的发展开启了大门。现如今我们对于气象参数的采集也算是飞速发展，关于此方面的研究和设计也越来越多，无时无刻不体现着我国气象事业的飞速发展。

1.3 研究内容

用单片机来研究气象参数，在我们之前已经有了很多前辈进行了深入的研究。

我选取了MSP430单片机作为主控制芯片。MSP430单片机作为16位单片机，拥有16个具有中断功能的IO口，自带12位模数转换器，捕获定时器，SPI和IIC接口等。比较符合本研究的要求，而且此单片机操作简洁，性能良好。最重要的是在静止状态不需要消耗电能，可以方便携带外出测量，所以采用其作为主芯片。

温湿度的测量模块采用DHT11温湿度传感器，因为此传感器直接输出数字信号，不需要A/D转换，不需要外部放大电路，在实际的使用中非常的便捷，并且其成本低廉，适合小型的气象参数采集系统。

气压传感器选择BMP085传感器，作为数字输出传感器，使用中不需要A/D转换，所以其使用便捷。而且成本低廉，且符合我们本设计的要求，所以在气压传感器中，它的性价比是极高的。

显示模块选择LCD12864液晶显示屏，因为其显示的数据较多且功耗很低、系统稳定。适合本设计的要求。

在设计中先运用Altium designer软件进行电路图的刻画，然后按照电路图焊接实物。

在软件选择程序的编写方面，运用基础的C语言进行编程。运用IAR软件将程序烧录进入430单片机中。最后实现设计的目的，对气象参数进行采集。

2 系统设计方案

气象参数采集系统由硬件设计和软件设计组成。硬件部分用单片机MSP430作为最主要的控制部件，在其外部接入温湿度测量模块、气压测量模块、液晶显示模块和独立按键模块。通过电源电路来给整个系统供电。利用传感器将采集到的温度、湿度、气压参数传递给单片机，单片机经过处理后将数据直接显示到显示模块的显示屏上，实现了对气象参数的采集。软件部分通过C语言进行编程，编写程序处理传感器所传递的数字信号并在显示屏上显示，通过按键控制来进行系统的启动、暂停和数据的显示。

系统组成框图2-1如图所示。

图2-1 系统组成框图

3 硬件设计

3.1 MSP430单片机

MSP430系列单片机，被称为混合信号处理器，是美国德州仪器1996年开始推广向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。本课题中使用的MSP430F449单片机共有100个引脚，其中绝大部分的引脚是复用的，最多有三种功能模块复用在一个引脚上，其中包括有：6个8位的I/O口；P1-P6且P1、P2口具有中断功能；JTAG仿真接口；一个8 4通道的12位A/D转换器（外部8个，内部4个）；两个串行通讯模块USARTO/1,每个都可以用软件选择UAST/SPI模式；一个高精度的比较器A,配合其他器件可构成单斜边A/D转换器；具有4个COM端的液晶驱动；液晶接口SO-S31。

图3-1为MSP430单片机的引脚图。

图3-1 MSP430单片机引脚图

MSP430单片机最显著的特色是功耗很低，它具有五种省电模式：活动模式：1MHz，2.2V时为280uA；等待模式：1.6uA；关闭模式（RAM保持）：0.1uA。其降低芯片电源电压和灵活可控的运行时钟的特点也是其功耗很低的原因之一。

MSP430单片机的驱动由25MHz晶振来完成，指令周期位40ns。16位的数据宽度，40ns的指令周期和多功能的硬件乘法器配合，可以实现如快速傅氏变换的一些数字信号处理算法。

MSP430单片机的电源电压为1.8～3.6V，所以我们在实际的应用中用3.3V的电源电压来给系统供电。

此外，在此系统中，除了430单片机之外，还需要设计时钟电路、复位电路和程序JTAG下载接口。

时钟电路由两个15pF的电容再加一个晶振构成。晶振电容的作用是滤波，用来滤除高频波，使系统的工作更稳定。

复位电路由开关、电容和电阻构成。用来向单片机输入一个高电压，以实现单片机的重置。

程序JTAG下载接口用来将我们对系统编写的程序写入单片机中，来实现单片机的气象参数采集功能。

图3-2为系统的时钟电路、复位电路和JTAG下载接口的电路图。

图3-2 时钟电路、复位电路和JTAG下载接口

3.2 温湿度测量模块

常用的温湿度测量模块有三种。分别为模拟输出型温湿度传感器、逻辑输出型温湿度传感器和数字输出型温湿度传感器。其中模拟输出型温湿度传感器输出信号为模拟信号，在实际的操作中数值不够稳定精确，需要对其进行补偿，在使用过程中特别容易受到环境的影响。所以在这次设计中我们不建议选择模拟输出型温湿度传感器。逻辑输出型传感器所测量的为温湿度范围，用来判定温湿度是否在设定范围之内。不能得到具体的温湿度数值，所以在我们的设计中不选择逻辑输出型温湿度传感器。数字输出型温湿度传感器直接输出数字信号，不需要AD转换，不需要放大电路，电路简单抗干扰强，而且价格低廉，性价比极高，非常符合我们本次设计的目的。所以在此次设计中我们选择数字输出型温湿度传感器来完成目标。

本设计中将温湿度的采集合并在一起，使用了一个传感器DHT11。这样既简化了电路，又降低了成本，使得整个采集系统更为简洁。而且DHT11温湿度传感器的供电范围很广，可以和MSP430单片机完美兼容。它的集成度极高，所以抗干扰能力极强，非常适合我们的设计方案。并且在测量中，DHT11模块中含有已校准数字信号输出的温湿度传感器。

温湿度传感器将环境中的温度、湿度参量转换为电信号，根据其电信号的强弱程度，就可以获得测量位置的温度、湿度的具体数值。通过单片机，将电信号转换为数字信号，最后在显示屏上进行显示，从而让我们获得所需的信息。

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