何川 周铭

摘要：针对现有的气象要素检测设备显示单一、精度较低、体积过大、不便于维修和更换等问题，以单片机MSP430为核心，通过硬件系统和软件系统的配合，设计出一套气象要素实时采集与显示系统。首先通过DS1302时钟电路采集时间信息，然后通过温湿度采集模块和气压采集模块将采集到的温度、湿度和气压信号送到单片机中进行处理，实现精密测量以及实时采集传输，最后通过LCD1602显示。

关键词：MSP430；温湿度采集模块；气压采集模块；实时采集；LCD1602

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）32-0072-03

一、引言

用毛发湿度计或干湿球湿度计测量精度不高，常见的基于水银的气压计和温度计精度低，携带不便而且容易损坏。普通的气象要素检测设备基于模拟式的数字温湿度计与数字气压计，以单片机作为控制核心，通过温湿度传感器和气压传感器将采集到的温度、湿度和气压信息输入到A/D转换器进行模数转换，经过转换后的数字信号送到单片机中进行处理，最后通过显示屏进行显示，这种方式过程烦琐、电路复杂、功耗高、测量精度低，校准和标定的标准十分复杂，而且显示单一。本文设计了一种用于測量温度、湿度和气压，并能实时显示的气象要素实时采集与显示系统。以单片机MSP430作为控制核心，数字温湿度传感器DHT11和数字气压传感器BMP085来采集温度、湿度和气压，时钟芯片D13302提供时间信息，LCD1602显示时间、温度、湿度和气压。本文采用的温湿度传感器和气压传感器采用专门的数字模块技术，无需单独进行A/D转换，降低了电路的复杂性，提高了系统的稳定性和可靠性，同时本设计能实时显示温度、湿度、温度和时间，丰富了设计的功能。

二、系统的硬件设计

系统的硬件设计采用了功能模块化的方法，主要功能模块包括：单片机模块、温湿度采集模块、气压采集模块、时钟模块和液晶显示模块。气象要素实时采集与显示系统框图如图1所示。通过温湿度采集模块与气压采集模块将检测到的外界温度、湿度和气压信号经传感器内的A/D转换器转换成对应的二进制存储于芯片的RAM中，单片机通过发送读取温湿度采集模块和气压采集模块的温湿度命令码和气压命令码，就返回对应的参数值，经过单片机MSP430进行处理，由时钟模块提供时间信息，然后通过与单片机模块相连的液晶显示模块实时显示出温度、湿度、气压和时间。

系统的硬件设计采用了功能模块化的方法，主要功能模块包括：单片机模块、温湿度传感器模块、气压传感器模块、时钟模块和液晶显示模块。

以下介绍各个模块的具体设计。

1.单片机模块的设计。单片机模块包括时钟模块、复位模块和单片机MSP430。时钟模块为单片机提供时钟信号，本文采用10MHz的晶振作为晶振电路的芯片。复位模块主要对系统进行复位清零。

作为系统的控制核心，本文选取了美国德州仪器公司（Texas Instruments）生产的MSP430系列芯片[1]，它具有体积小、运行速度快、数据处理能力强、抗干扰性能好和低功耗等优点。芯片的工作电压为1.8～3.6V；具有48个可编程I/O端口；CPU运行16位的精简指令集，片内寄存器资源丰富，通过存储器可以实现多种运算；12位的A/D转换器，具有自动扫描和采样保持等特点；150ns的指令周期；16位的定时器，有4种工作模式，可同时进行捕获/比较功能；片内具有JTAG调试接口和60KB的FLASH存储器；可进行串行通信；开发环境支持C语言和汇编语言。因此，特别适合应用在智能仪表、工业控制、家用电器、计算机网络和通信领域等。

2.温湿度采集模块的设计。温湿度传感器模块采用的传感器芯片是广州奥松电子有限公司推出的DHT11[2]数字温湿度传感器，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用于专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有很高的可靠性与稳定性。其中温度测量范围为0℃～50℃，测量精度为+1.0℃；湿度测量范围为20%～90%RH，测量精度为5.0%RH，响应时间小于5s。DHT11数字温湿度传感器与微处理器之间的通信采用单总线[3]数据格式。输出的数据格式为：8位温度整数数据+8位温度小数数据+8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位校验与数据。通过DATA端口，DHT11将采集到的温度和湿度数据送到单片机MSP430中进行处理，如图2所示。

3.气压采集模块的设计。气压采集模块采用的是BOSCH公司的BMP085数字气压传感器。该芯片主要由电阻式压力传感器、AD转换器以及控制单元构成，控制单元主要涵盖了EEPROM与I2C接口。BMP085[4]采用I2C协议进行通讯，系统通过I2C接口直接连接到处理器上。该芯片采用1.8～3.6V的供电电压，适用气压范围是300hPa～1100hPa。BMP085具备低功耗、低电压的电学特性，使其适用于户外环境。此外，由于该芯片是基于压阻效应技术的，具有稳定的电磁兼容性、线性、稳定性以及高精度。单片机MSP430为BMP085提供了时钟信号，BMP085采集到的外界气压数据通过串行数据总线端口SDA传输到单片机的P25端口进行数据处理，连接方式如图2所示。

4.时钟模块的设计。时钟模块选用的是美国DALLAS公司推出的一款高性能时钟芯片DS1302[5]，该时钟芯片最大的优点是精度高，能完整地提供年、月、星期、日、时、分、秒，而且每个闰年的天数和月的天数可以自动调整。

通过晶振芯片为DS1302[6]提供时钟信号。时钟芯片DS1302的SCLK端口与单片机的P3.1端口相连，控制数据的输入与输出；I/O端口与单片机的P3.0端口连接，进行数据的输入与输出；CE端口使能端口与单片机的P3.2端口连接，在读写数据期间必须为高电平。连接方式如图3所示。

5.液晶显示模块的设计。液晶显示模块采用的是LCD1602液晶显示器。LCD1602采用标准14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，本文采用的是16脚接口。LCD1602显示容量为16×2个字符，工作电流为2.0mA（5V），最佳工作电压为5V。LCD1602具有体积小、功耗低、显示内容丰富、外围电路配置简单、价格便宜等优点。本文LCD1602主要实现了气压、温度、湿度和时间的显示功能。图4为液晶显示模块电路连接图。

LCD1602[7]的8位数据总线D0～D7与单片机的I/O接口P4.0～P4.7连接，进行数据的传输；RS端口与单片机的P6.3端口连接，为高电平时选择数据寄存器，为低电平时选择指令寄存器；RW端口与单片机的P6.4端口连接，为高电平时进行读操作，为低电平时是写操作；E端口为使能端，与单片机的P6.5端口进行连接，当由高电平变为低电平时，液晶模块执行命令。

三、系统的软件设计

本系统采用C语言进行编写，软件设计采用了模块化的思想，分为主程序模块和子程序模块。主程序模块主要进行系统的初始化、任务的切换和实现各个模块间的参数传输。子程序主要包括湿度采集模块、气压采集模块、LCD显示模块和时钟模块。图5为整个软件的工作流程图，程序执行过程如下。

1.对单片机、DHT11、BMP085、DS1302和LCD1602进行初始化，清除各模块预留信息。

2.执行读时间程序，确定此刻的时间。

3.执行读气压的程序、温度程序和湿度程序，采集气压、温度和湿度。

4.执行LCD显示程序，显示出气压、温度、湿度和时间。

5.存储气压、温度、湿度和时间信息，然后循环执行以上程序。

四、结论

本文介绍的气象要素实时采集与显示系统的设计，创新点在于把单一的温度、湿度、气压测量和时间显示集成化，具有便携、易读、精确的特点。针对传统的温度、湿度和气压测量，这里选用DHT11数字温湿度传感器和BMP085气压传感器，可以直接连接单片机，由于其集成化程度高，简化了外围电路的复杂度，提高了电路的稳定性和可靠性，因此该气象要素实时采集与显示系统能满足日常的生产和生活，具有很大的市场前景。

参考文献：

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

[2]韩丹翱，王菲.DHT11数字式温度传感器的应用性研究[J].电子设计工程，2013，21（13）：83-88.

[3]陈龙，邓光灿，孙麒.基于MSP430单片机的多路采集系统的设计[J].现代电子技术，2006，29（20）：107-109，112.

[4]方刘海，文继国.基于BMP085的精密数字气压计设计[J].电子设计工程，2014，22（24）：69-71.

[5]孙艳玲，刘亚丽.基于MPX4105芯片的数字气压计[J].中国仪器仪表，2007，（11）：62-65.

[6]应建华，陈艳，郭艷.一种I2C总线接口的串行时钟芯片[J].华中科技大学（自然科学版），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.