基于 ATmega16 单片机的微型气象探测系统设计

　　0 引言

　　气候变化使得我国干旱，洪涝等自然灾害更加严重，提高我国的气象探测能力，有助于增强我国灾害预警和人工影响天气能力。因此，气象要素测量系统开发研究具有重要的意义。目前很多地区气象要素的测量大多依靠当地天气预报，然而天气预报地域范围较广，无法精确到小区域的气候测量。而搭建气象台成本较高，性价比低，因此设计一种微型化，便携式的综合气象探测系统就显得十分必要。针对以上问题本文设计了一种便携式气象探测系统，该气象检测系统可以有效地测量小区域的温度、湿度、气压、光照强度等气象参数，精度可达到普通气象测量要求，还有显示、存储、回溯查询的功能，具有低功耗、微型化、便携式、低成本的特点，适应于各种小区域的气象测量，具有一定的实用价值。

　　1 系统设计和工作原理

　　本气象测量系统以低功耗AVR 单片机ATmega16作为核心控制部件，如图1所示，由温度测量模块、湿度测量模块、气压测量模块、光照强度测量模块、时钟芯片、E2PROM、液晶显示和独立按键等模块组成。通过各个传感器将温度、湿度、气压、光强度转化为电信号，利用单片机处理后得到测量数据，并在液晶上显示。通过E2PROM 和独立按键实现数据的存储和查询。按下存储键，储存各个测量数据和时钟芯片得到的当前时间；按下查询键，查询以前存储的测量数据。同时该系统还具有自动测量功能，自动测量时，关闭液晶，测得数据每30 min存入E2PROM一次。

　　2 气象探测系统硬件设计

　　2.1 ATmega16简介

　　ATmega16 是Atmel 公司推出的基于增强的AVRRISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器[1?2].由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16拥有强大的处理能力，集成度高，嵌入模块丰富（32 个通用工作寄存器、10位A/D 通道、16位定时器、512 B E2PROM、16 KB的系统内可编程FLASH 等），多用于智能家电、智能仪表、电池供电等便携式设备中。本气象探测系统采用ATmega16单片机为主控芯片，不仅满足了设计的要求，可以直接运用内部集成的8通道10位A/D和16位定时器，减少外围模块，从而提高系统稳定性。ATmega16可宽电压运行（2.7~5.5 V）。在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态，这有效地减少系统功耗，节约电能。

　　2.2 温度测量模块

　　目前常用的温度传感器主要有模拟式和数字式两种。模拟式的温度传感器主要有PT100,其精度高，性能稳定[3],工作温度在-200~650 ℃之间，但是由PT100构成的温度测量电路十分复杂，成本和功耗较大，而且普通气象测量对于温度测量的精度要求并不高，所以，本设计选用电路简单的数字式温度传感器DS18B20[4].

DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，内部自带可编程9~12位转换精度的模/数转换器，温度数字量转换时间为200 ms,分辨率可达0.062 5 ℃，测量范围为-55~125 ℃，供电范围为3.0~5.5 V.它采用先进的单总线进行数据通信，而且可以不需要提供额外的电源，直接通过DQ与单片机的通信口相连，为传感器供电。选用此传感器不仅满足精度要求，而且电路简单，还可以达到低功耗的功能。温度测量电路如图2所示，图中为DS18B20设计了外接的电源，R1的两端分别与VCC 和DQ相连，将DQ端的电压拉高为传感器供电。电容C1 接在GND 和VCC 之间起到非直流滤波作用，提高DS18B20的稳定性，从而提高温度测量的精确度。

　　2.3 湿度测量模块

　　湿度传感器主要分为电容式和电阻式两大类，目前应用比较广泛的是HS1101电容式湿度传感器，它典型的供电电压为5 V.HS1101稳定性好、精度高、外带防护罩、抗静电、防灰尘、并可抵抗氨水、氯气等，可测量的湿度范围为1~100% RH,精度可达[5]±2% RH,符合普通气象测量的要求。当相对湿度变化时HS1101的相对电容改变，相对电容大小的改变会导致充放电时间的变化，测量时仅需要根据充放电频率即可计算出相对湿度。

　　湿度测量电路如图3所示，相对湿度测量通过555多谐振荡电路实现，HS1101 作为电容变量接在LM555CN芯片的2脚和5脚之间，管脚7用作电阻R2 的短路，等量电容HS1101 通过R2,R4 充电到门限电压（约0.67 V），通过R3 放电到触发电平，然后R3 通过7脚短路到地，传感器由不同的电阻R2,R3 充放电，形成充放电循环，形成方波。由单片机测得方波频率，根据HS1101的换算关系，转换成湿度值。

　　2.4 气压测量模块

　　气压模块选用BOSCH公司生产的具有温度补偿能力的集成数字气压传感器BMP085[6],它包含电阻式压力传感器、AD转换器和控制单元，其中控制单元包括E2PROM和I2C接口。这种数字压力传感芯片的供电电压为1.8~3.6 V,它具有超低功耗（标准工作模式下5 mA;待机电流0.1 mA）、高精度（低功耗模式下分辨率为0.06 hPa）和高可靠性，已广泛应用于天气预报、GPS精准导航、垂直速度指示和风扇功率控制等领域，其经济性和适用性均符合本设计的要求，BMP085的输出与外加压强成正比，测量范围是300~1 100 hPa,完全校准数字输出，在完成采样后，通过I2C 总线直接将数据传送给微处理器。气压测量电路如图4 所示。值得注意的是，BMP085数字压力传感器对气压？海拔高度提供了参考公式，利用该公式配合传感器测量的气压值能够较好地得到海拔高度[6?7].