基于GPS技术的多功能户外安全仪设计

liyf

基于GPS 技术的多功能户外安全仪设计
周启忠1，2，徐娟1，岳琨1，谢永乐2
( 1． 宜宾学院物理与电子工程学院，四川宜宾644000; 2． 电子科技大学自动化工程学院，成都611731)
摘要: 以低功耗单片机MSP430F247 为控制核心，通过对GPS 模块、大气压传感器、湿度传感器( SHT71) 与时钟芯片( DS1302) 采集的信息进行处理，文
中设计了一个能测量和显示经度、纬度和海拔高度、大气压力、温度、湿度、速度和移动方向的系统． 该系统具有电子指南针、电子导航、路点轨迹描绘、天
气预测、秒表、万年历、时钟、闹钟、音乐播放和自动校正时间的功能．
关键词: 单片机; GPS; 大气压; 海拔; 测量
中图分类号: TP274 文献标志码: A 文章编号: 1671－ 5365( 2011) 06－ 0043－ 05
The Design for Multi-Functional Outdoor Safety Device Based on GPS Technique
ZHOU Qi-zhong1，2
，XU Juan1，YUE Kun2，XIE Yong-Le2
( 1． School of Physics and Electronic Engineering，Yibin University，Yibin 644000，China; 2． School of Automation，University of
Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China)
Abstract: Taking the low consumption single chip microprocessor MSP430F247 as the core of control，through sampling the outputs
of Global Position System ( GPS) module，atmospheric pressure sensor，humidity sensor ( SHT71 ) and the clock chip
( DS1302) ，the system which can measure and display the longitude，latitude，altitude，atmospheric pressure，temperature，humidity，
speed and direction of movement is designed in this paper． This system has the functions of electronic compass，electronic
navigation，waypoint trajectory description，weather forecast，stopwatch，calendar，clock，alarm clock，music player and automatic
correction time．
Key words: single chip microprocessor; GPS; atmospheric pressure; altitude; measure
随着国家经济的增长和人民生活水平提高，人民健康
意识得到加强，越来越多人参与到户外有养运动行列之
中． 但是由于野外条件的复杂性，常常有旅游失踪的惨剧
发生． 随着GPS( Global Position System 全球定位系统) 技术
从军事领域推广到民用领域，越来越多的GPS 定位跟踪系
统得到开发和应用． 如基于GPS 的海拔高度仪［1］，基于
GPS 的导航系统等． 目前也有设备性能稳定，但功能比较
单一，本文利用高速单片机强大的软件处理能力，以德州
仪器公司的低功耗单片机MSP430F247 为控制核心，通过
中断方式［2］轮流采集GPS 模块、气压传感器、湿度传感器、
与时钟芯片的输出信号，通过软件计算处理，设计了一个
能用2． 2V ～ 4． 2V 宽范围电池供电，具有自动待机节能模
式，功耗低，体积小的多功能户外安全仪，它能测量并显示
经度、纬度和海拔高度、大气压力、温度、湿度、移动速度和
移动方向，具有电子指南针、电子导航、路点轨迹描绘、天
气预测、秒表、万年历、时钟、闹钟、音乐播放功、自动校正
时间和海拔高度报警的功能，体积小，功耗低，在户外运动
或旅游安全方面有很好的应用价值．
1 系统设计
系统框图如图1 所示． 系统由单片机控制模块、电源
模块、温湿度传感器、气压传感器、GPS 模块、显示模块、时
钟芯片、存储器、音乐播放模块和键盘构成．
采用TI 公司新一代低功耗单片机MSP430F247 设计
控制模块，体积小，运算速度快、片内外设丰富，功能强大．
电源模块采用升降压双模式DC/DC 转换器LTC3443，工
作效率高，输入电压2． 2V ～4． 2V 宽范围，输出稳定性好．
湿度测量采用专用传感器SHT71，体积小、功耗低、精
度高、重复性好．
气压测量采用MS5540B 高精度数字传感器，直接输
出数字信号，读取方便．
图1 系统硬件框图
GPS 采用GS － 15B 模块，与GS － 16B 属于同一系列，
性能不变，但性价比更优越． 通过GPS 接收的方位角计算
实现指南针功能，抗电磁干扰好，灵敏度高，且不需要增加
任何硬件电路，功耗低，节约成本． 海拔高度可又GPS 信号
获得，也可以通过气压计算获得． GPS 信号在森林覆盖环
境下误差较大，信号少于3 颗卫星时没有办法获得精确的
GPS 信号． 另外气压检测精度受温度，季节的影响，为了尽
亮提高检测灵敏度． 将GPS 信号和气压测量结合，实现海
拔高度全天侯测量．
采用NOKIA5510 模块显示，体积小，功耗低，便于携
带．
采用串行DA 芯片TLV5616 结合音频功放部分实现
音乐播放，键盘用于用户进行功能设置．
2 硬件电路设计
2． 1 存储器、显示器、和控制模块设计
存储器、显示器和控制模块部分的原理图如图2 所示，
由MSP430F247 单片机作为控制核心． 图中SST25VF032B 是
4MB 的FLASH 存储器，C19 和C20 为退耦电容，增加系统稳
定性． R17、C18 和SW1 构成上电和按键复位电路． Y2 为无
源晶体振荡器，提供32． 768KHz 时钟信号，分频可产生内
部定时信号． Y3 是为单片机提供8MHz 系统工作时钟的晶
体振荡器． P1． 4 ～ P1． 7 接电源控制开关，P2． 0 ～ P2． 4 接液
晶显示模块NOKIA5510，P3． 0、P3． 1、P3． 3 使用单片机
UCB0 的SPI 模式，作为DA 转换数据线和控制线，P3． 5 使
用单片机UCA0 的USART 模式，作为GPS 数据接收． P4． 0
～ P4． 2 DS1302 数据读取及控制，P4． 3 ～ P4． 4 读取SHT71
的数据，P4． 5 ～ P4． 7 读取MS5540B 数据，P5． 6 使用IO 口
第二功能，输出ACLK 作为MS5540B 时钟控制线． P5． 0 ～
P5． 3 采用单片机UCB1 的SPI 模式，作为片外FLASH 的读
写控制线及数据线． P6． 0 程序运行指示灯． P6． 1 利用单片
机片内AD 转换器进行系统电池电压检测．
图2 存储器、显示器和控制模块原理图
44 宜宾学院学报第11 卷
2． 2 电源模块设计
电源模块原理电路如图3 所示，采用凌特公司( Linear
Tech) Buck － Boost DC/DC 转换器LTC3443，效率最高为
96%． 为减小电源输出电压纹波，输出端采用钽电容( C14、
C15) 滤波，通过R11 和R12 分压设置LTC3443 反馈电压，
从VIN 输入的电压范围为2． 2V ～ 4． 2V，VOUT 输出3． 3V
系统工作电压． 为了增加系统适用性，设计了可用外部3．
3V 电源供电的接口，SI2301DS 为电源控制开关，该芯片工
作电压3． 3V，导通状态压降很小． 当AudioSwitch 为低电平
时，能保证从AudioPower 输入3． 3V，从VOUT 输出3． 3V．
图3 电源模块电路
2． 3 时钟电路设计
采用美国DALLAS 公司的DS1302 时钟芯片，电路如
图4 所示．
图4 时钟电路
DS1302 是带RAM 的实时时钟芯片，它可以对年、月、
日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作
电压2． 5 ～ 5． 5V． 5、6、7 脚采用三线接口与单片机进行同
步通信． 在GPS 有信号时，单片机利用接收的GPS 时间校
正DS1302 的时间，保证了从DS1302 读取的时间信息的准
确性． 时钟芯片采用双电池供电，关闭主电源( Mainpower)
时备用电池BT1 可以保持DS1302 工作，防止时间和日期
丢失．
2． 4 压力传感器模块电路及软件算法设计
有多种压力传感器可以实现气压测量，如应用TP015P［3］
或MS5534［4］测量海拔高度． 本文选用的MS5540B 压力传感
器，它测量精度高，测量范围广，目前广泛应用在航空仪表
上． MS5540B 通过3 线接口向单片机提供16 位的的压力
和温度参数，原理图如图5 所示． C1 为47μF 的钽电容，保
持电压的稳定性，选择33 欧姆的排阻RN1 实现MS5540B
和单片机I /O 间通信阻抗匹配．
图5 压力传感器模块电路原理图
气象学中垂直方向上气压随高度增加而降低关系如
图6． 利用大气气体分子分布和理想气体的等温过程，可以
得到如下关系:
h =
T0
Tgradient
1 － p
P ( ) 0
Tgradient
R ( ) 8 ( 1)
图6 大气压力与高度对应关系
第6 期周启忠，徐娟，岳琨，谢永乐: 基于GPS 技术的多功能户外安全仪设计45
式( 1) 中: 海平面气压P0 =1013． 25mbar; 海平面温度T0 =
288． 15k; 对流层温度梯度( Tgradient) = 6． 2/1000［K/m］; 平流
层温度梯度－56． 46℃; 气体常数R = 287． 052［J/( K·kg) ］; P
为测得的大气压． 为了减小单片机运算量将该公式分段线
性化计算海拔高度h，实现了间接测量海拔的目的．
由于通过气压计算的海拔高度受温度、风力、地貌等
影响，所以存在不确定误差，为了提高系统测量精度，系统
在有3 颗GPS 可用卫星情况下，直接由GPS 模块获得海拔
高度信息( 后面GPS 模块部分介绍) ，在GPS 信号弱时用
气压计算法得到海拔高度，让系统在海拔高度测量上可全
天候全方位工作．
气象局通过测量大气压力在一段时间内的改变来预
测天气． 通过测量大气压力变化的斜率dP /dt 来预报天
气，如表1 所示，为系统连续检测四小时在天气变化情况
能过对天气进行预报．
表1 气压变化与天气状况对应表
气压力变化天气状况
dP/dt ＞ 2． 5mb /h 中高压系统，不会持续
0． 5mb /h ＜ dP/dt ＜ 2． 5mb /h 长期高压系统，持续晴天
－ 0． 5mb /h ＜ dP/dt ＜ 0． 5mb /h 稳定天气状况
－2．5mb/h ＜dP/dt ＜ －0．5mb/h 长期低压系统，持续雨天
dP ＜ － 2． 5mb /h 中低压，雷阵雨，不会持续
2． 5 湿度测量电路设计
选用高度集成的湿度传感器STH71 芯片进行设计，电
路如图7 所示．
图7 湿度传感器模块原理图
图中U3 为湿度传感器SHT71，其SCK 与DATA 引脚
分别与单片机P4． 3 和P4． 4 引脚连接，进行数据交换，通
过单片机获取湿度数据SORH
，最后根据器件资料，通过公
式( 2) 可算出湿度值RHlinear ．
RHlinear =0． 0405SORH + ( －2． 8 ×10 －6 ) ·SO2
RH －4 ( 2)
2． 6 GPS 模块电路设计
GPS 模块采用的是GS － 15B 模块，它具有完全独立的
GPS 接收器，单片机通过串口( P3． 5) 与其3 脚( TXA) 连
接，如图8．
图8 GPS 模块连接电路
在该模块中实现经度、纬度、海拔高度、方位角、移动
速度等数据的采集，通过软件处理，以实现系统导航、路点
轨迹绘制等功能．
2． 7 音乐播放电路
音乐播放电路如图9 所示，利用12 位串行DA 转换器
TLV5616，通过SPI 总线与单片机连接，实现语音数字信号
到模拟信号的转换． 通过OPA2365 进行滤波处理，R6、R8、
C5、C6 组成截止频率为4． 05KHz 的二阶Sallen － Key 动态
低通滤波器平滑音频抽样边缘． 最后将信号送到TPA701
进行放大，由扬声器放出． 根据式( 3) 可由滤波器截止频率
fc 计算得到原件参数．
fc = 1
2π 槡R6R8C5C6
( 3)
图9 音乐播放电路
46 宜宾学院学报第11 卷
3 测试结果
图10 为测试图，其左侧为etrex GPS 测量仪测试结果，
右侧为设计电路的测试结果． 以DP － A( YW) 精度数字气
压温度计、etrex GPS 测量仪和testo 635 － 1 温湿度仪为标
准，进行测试比较，如表2 所示，从表2 看出设计系统的测
试精度高，满足民用需求．
表2 测试结果
测量对象误差
温度小于± 0． 10%
湿度小于± 0． 13%
气压小于± 0． 02%
海拔高度小于± 0． 31%
经度小于± 0． 01%
纬度小于± 0． 01%
速度测试小于± 0． 02%
图10 实际测试图
4 结束语
本设计以TI 公司提供的微控制器MSP430F247 为核
心，利用软件将从GPS 模块、气压传感器、湿度传感器与时
钟芯片采集到的信息进行处理，实现了定位导航与环境信
息检测等功能，测量精度高，功耗低体积小，能为户外运动
或旅游安全提供帮助． 如果在设计中增加GPRS 模块，则
可以实现全球无线传输信息的功能．
参考文献:
［1］ 徐进，齐园园． 一种GPS 海拔高度测量系统的实现方法［J］． 科学技
术与工程，2
010，1
0( 10) : 2416-2419．
［2］ 刘益，邓祖明． 单片机中断服务程序处理方法［J］． 宜宾学院学报，
2009，9
( 6) : 53-55．
［3］ 赖武刚，郭勇，詹鹏． 大气压强传感器TP015P 在海拔高度测量中的
应用［J］． 电子元器件应用，2
010，1
2( 8) : 11-13．
［4］ 邓元龙，吴玉斌，苏河滔． 基于USB2． 0 的温湿度及气压集成测量系
统［J］． 信息技术，2
008， 24( 35) : 48-50．
［5］ 王惠男． GPS 导航原理与应用［M］． 北京: 科学出版社，2
003．
【编校: 王露】
第6 期周启忠，徐娟，岳琨，谢永乐: 基于GPS 技术的多功能户外安全仪设计47】
基于GPS技术的多功能户外安全仪设计.pdf (931.51 KB, 下载次数: 0)

2014-9-29 20:10 上传

点击文件名下载附件
下载积分: 银子 -10 两