基于MSP430F149單片機(jī)的炮兵氣象儀設(shè)計(jì)

針對目前采用的簡易氣象綜合觀測儀，存在著實(shí)時(shí)性差、精度不夠、作業(yè)時(shí)間長以及不能直接計(jì)算射擊條件修正量和地面風(fēng)修正量等諸多問題，本文提出基于MSP430F149單片機(jī)設(shè)計(jì)一種炮兵氣象儀，以滿足炮兵分隊(duì)射擊時(shí)的簡易氣象條件和火箭炮地面風(fēng)修正的需要。

氣象儀的功能和基本工作原理

氣象儀的功能包括：①實(shí)時(shí)測定風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫和氣壓等氣象條件，為炮兵射擊提供簡易氣象條件修正量；②實(shí)時(shí)測定火箭炮陣地的地面風(fēng)向和風(fēng)速，為火箭炮分隊(duì)提供地面風(fēng)修正量。

炮兵氣象儀用于實(shí)現(xiàn)地面氣象條件風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、氣壓的自動(dòng)測量和射擊條件修正量及火箭炮地面風(fēng)修正量的自動(dòng)計(jì)算。其基本工作原理是：將氣象儀與處理機(jī)通過數(shù)據(jù)線相連，通過升降桿將氣象儀升至要求的高度后，風(fēng)的作用使風(fēng)標(biāo)指向風(fēng)吹來的方向，磁方位傳感器即感應(yīng)出風(fēng)向磁方位角；風(fēng)速葉輪隨風(fēng)速以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)一圈即產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，通過單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)即可計(jì)算出風(fēng)速；氣溫、氣壓傳感器感應(yīng)出當(dāng)時(shí)的氣溫和氣壓。以上數(shù)據(jù)經(jīng)氣象儀數(shù)據(jù)處理后傳輸給處理機(jī)，處理機(jī)按要求以固定格式顯示。氣象儀組成如圖1所示。

圖1 氣象儀組成框圖

氣象儀硬件設(shè)計(jì)

氣象儀的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)大氣壓力、溫度、風(fēng)向和風(fēng)速的實(shí)時(shí)測量，由壓力傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、磁方位風(fēng)向傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理電路、風(fēng)標(biāo)、連接座等組成，其基本設(shè)計(jì)思想是在滿足精度和使用環(huán)境要求的前提下，體積小、重量輕，便于野戰(zhàn)條件下使用。

傳感器的選型

（1）壓力、溫度傳感器

壓力和溫度傳感器采用帶預(yù)處理電路的模擬輸出傳感器，以簡化后續(xù)電路的設(shè)計(jì)。

壓力傳感器選用美國Honeywell公司的ASDX015絕壓傳感器。

溫度傳感器選用美國Dallas公司推出的基于單總線技術(shù)的數(shù)字溫度計(jì)芯片DS1820，便于調(diào)整傳感器的位置和方向，使其能有效感應(yīng)外界溫度。

（2）風(fēng)速傳感器

對于風(fēng)速的測量，可以選用的傳感器種類很多。綜合比較后，選用葉輪式風(fēng)速傳感器，利用霍爾效應(yīng)測量風(fēng)速。該方式與光電編碼相比更可以做到氣象儀整體小巧、結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶使用方便。

（3）風(fēng)向傳感器

磁方位傳感器，也就是通常所說的電子羅盤，軍用、民用產(chǎn)品比較多。本文選用由平面電子羅盤XW3200和風(fēng)標(biāo)組成磁方位風(fēng)向傳感器。

該傳感器通過兩軸磁阻傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補(bǔ)償，內(nèi)置微處理器計(jì)算傳感器與磁北夾角，兩軸磁阻傳感器的方向受風(fēng)標(biāo)的帶動(dòng)，始終指向風(fēng)吹來的方向，則其輸出的角度即為風(fēng)向磁方位角。整個(gè)測量過程無需定向，操作簡便靈活。

電路設(shè)計(jì)

氣象儀的電路設(shè)計(jì)的任務(wù)是對風(fēng)速傳感器輸出的脈沖序列進(jìn)行單位時(shí)間計(jì)數(shù)，對壓力傳感器輸出的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，基于單總線技術(shù)讀溫度數(shù)據(jù)，接收風(fēng)向磁方位傳感器通過RS-232S輸出的數(shù)據(jù)及與處理機(jī)互傳數(shù)據(jù)等。

主控芯片簡介

數(shù)據(jù)處理部分采用MSP430F149作為系統(tǒng)的主芯片，該芯片是美國TI公司推出的超低功耗微處理器。MSP430F149有60KB+256字節(jié)FLASH，2KB RAM，包括以下模塊：

①基本時(shí)鐘模塊：包括1個(gè)數(shù)控振蕩器(DCO)和2個(gè)晶體振蕩器。

②看門狗定時(shí)器Watchdog Timer，可用作通用定時(shí)器。

③帶3個(gè)捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時(shí)器Timer A。

④帶7個(gè)捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時(shí)器Timer B。

⑤2個(gè)具有中斷功能的8位并行端口：P1和P2。

⑥4個(gè)8位并行端口：P3、P4、P5和P6。

⑦模擬比較器Comparator A。

⑧12位A/D轉(zhuǎn)換器ADC 12。

⑨2個(gè)串行通信接口USART0與USART1。

電源電路設(shè)計(jì)

該氣象儀為電池供電系統(tǒng)，因此對系統(tǒng)的總體功耗有較高的要求，為了降低功耗，選用MSP430系列的單片機(jī)，該系列的單片機(jī)工作電壓為1.8V~3.6V，并且具有休眠功能，耗電電流在0.1µA~400µA之間，具有極低的功耗。

主控芯片MSP430單片機(jī)電源電壓為3.3V，外圍傳感器的工作電壓要求為5V，兩節(jié)7號充電電池電壓為2.4V，因此電源電路的設(shè)計(jì)采用升壓DC-DC芯片NCP1400ASN30T1和NCP1400ASN50T1，可將0.8V~3V的電壓升至3.3V和5V，分別為單片機(jī)和外圍器件供電，同時(shí)設(shè)計(jì)有電源關(guān)斷功能，當(dāng)無需外圍器件工作時(shí)，將外圍器件的供電全部切斷，減少了整體功耗，電源電路原理見圖2。

圖2 電源電路原理圖

主控電路設(shè)計(jì)

主控電路可以分為溫度測量電路，壓力測量電路，風(fēng)速測量電路，風(fēng)向測量電路和通信電路等。

（1）溫度測量電路

溫度測量電路如圖3所示，測量時(shí)采用數(shù)字溫度傳感器DS1820，將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過主芯片MSP430F149的P6.5引腳傳送給主芯片。根據(jù)系統(tǒng)的需要和實(shí)際情況，采用外接電源供電方式，主芯片的P6.5腳用于DS1820的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。

圖3 溫度測量電路圖

（2）壓力測量電路

壓力測量電路如圖4所示。壓力的測量采用絕壓傳感器ASDX015，其采集模擬信號，并將模擬電壓傳入主芯片，通過主芯片的A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，所以必須連接在主芯片具有A/D轉(zhuǎn)換功能的引腳上。MSP430F149的P6口具有8路A/D轉(zhuǎn)換通道，壓力傳感器連接于主芯片的P6.4引腳。在實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能時(shí)，使用內(nèi)部參考電壓2.5V作為A/D轉(zhuǎn)換的電壓基準(zhǔn)，但是壓力傳感器的輸出范圍為0～4V，所以在壓力傳感器的輸出端需設(shè)計(jì)有分壓電路。

圖4 壓力測量電路圖

（3）風(fēng)速測量電路

風(fēng)速測量電路如圖5所示，風(fēng)速的測量是采用葉輪式風(fēng)速傳感器，風(fēng)速傳感器與主芯片的連接只需要普通I/O接口，其連接于P1.0引腳，主芯片的P1.0引腳接收霍爾傳感器產(chǎn)生的電磁脈沖。

圖5 風(fēng)速測量電路圖

（4）風(fēng)向測量電路

風(fēng)向測量電路如圖6所示。系統(tǒng)采用由平面電子羅盤XW3200和風(fēng)標(biāo)組成的磁方位風(fēng)向傳感器來進(jìn)行風(fēng)向測量，采用集成電路轉(zhuǎn)換芯片MAX3232來實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，MAX3232芯片能實(shí)現(xiàn)電平的雙向轉(zhuǎn)換。該芯片包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器IC芯片，內(nèi)部有一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器，可以把輸入的+5V電壓變換成為RS232輸出電平所需要的-10V～+10V電壓。

圖6 風(fēng)向測量電路圖

（5）通信電路

氣象儀通過RS485實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通信，RS485是一種多點(diǎn)通信標(biāo)準(zhǔn)，采用差分信號進(jìn)行傳輸，具有較高的抗共模干擾能力；能夠檢測到200mV電壓，具有較高的靈敏度；數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mb/s。MAX485連接主芯片的USART0，P3.3連接MAX485的控制引腳，當(dāng)P3.3為低電平時(shí)接收數(shù)據(jù)，為高電平時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，C1為電源濾波電容，A、B端連接有120Ω的電阻，通信電路如圖7所示。

圖7 通信電路圖

（6）晶振電路和復(fù)位電路

MSP430F149可接入2個(gè)外部振蕩器，一個(gè)為低速晶體振蕩器，經(jīng)過XIN和XOUT兩個(gè)引腳相連，另一個(gè)為高速晶體振蕩器，經(jīng)過XT2IN和XT2OUT兩個(gè)引腳，根據(jù)需要外接電容，范圍可以為450KHz～8MHz。外部晶振頻率的選擇與系統(tǒng)供電電壓有著密切關(guān)系，根據(jù)氣象儀的實(shí)際需要，選擇了4M外部有源晶振，輸出直接接入晶振的XT2IN引腳，XT2OUT空。

復(fù)位電路的設(shè)計(jì)要能使系統(tǒng)可靠復(fù)位，并在各種復(fù)雜情況下穩(wěn)定工作，在MSP430F149單片機(jī)中有一RST復(fù)位管腳，它與不可屏蔽中斷功能管腳復(fù)用，可由軟件選擇其功能，正常情況下為復(fù)位功能。系統(tǒng)采用外接芯片復(fù)位，在復(fù)位腳上連接復(fù)位芯片HT7027。

氣象儀軟件設(shè)計(jì)

氣象儀的軟件設(shè)計(jì)共有以下任務(wù)：

（1）完成硬件系統(tǒng)如特殊功能寄存器和I/O口等的初始化。

（2）具有溫度、壓力、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器初始化和檢查功能。

（3）具有對溫度傳感器采集的溫度數(shù)字信號接收和存儲功能。

（4）具有對壓力傳感器采集模擬信號實(shí)施A/D轉(zhuǎn)換并存儲功能。

（5）具有對風(fēng)速傳感器產(chǎn)生的脈沖信號實(shí)施計(jì)數(shù)、計(jì)算和存儲功能。

（6）完成通信接口的初始化功能，實(shí)現(xiàn)與風(fēng)向傳感器以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

（7）具有電源檢測，轉(zhuǎn)換低功耗狀態(tài)的功能。

（8）具有數(shù)據(jù)濾波功能，剔除采集到的誤差較大的數(shù)據(jù)。

氣象儀軟件包含主程序模塊、溫度數(shù)據(jù)采集模塊、壓力數(shù)據(jù)采集模塊、風(fēng)速數(shù)據(jù)采集模塊、風(fēng)向數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊以及數(shù)據(jù)濾波模塊等。

主程序的基本流程為氣象儀在接收到處理機(jī)的命令后，通過各傳感器采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存放到指定寄存器中，進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，將采集到的數(shù)據(jù)通過RS485傳送給處理機(jī)，其流程如圖8所示。

圖8 氣象儀主程序流程圖

從風(fēng)向、風(fēng)速、溫度和壓力傳感器采集到的數(shù)據(jù)，因受多種因素的影響，可能存在不符合條件或測量誤差較大的數(shù)據(jù)，為了保證測量的精確性，必須對所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除精確性較差的數(shù)據(jù)。為此，對采集到的數(shù)據(jù)，采用每十個(gè)求取平均值，剔除與平均值差值較大的數(shù)據(jù)，再將剩余的精確數(shù)據(jù)求平均值，其平均值即為測量所需的風(fēng)速、風(fēng)向、壓力和溫度數(shù)據(jù)。

結(jié)束語

本文基于MSP430系列超低功耗單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種高效、高精度、自動(dòng)化炮兵氣象儀，用以滿足炮兵部隊(duì)訓(xùn)練所需。本文根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇了合適的壓力傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器，并完成了氣象儀硬件和軟件設(shè)計(jì)。該氣象儀性能可靠、工作穩(wěn)定，能夠滿足部隊(duì)訓(xùn)練使用精度和技術(shù)性能指標(biāo)要求。