基于MSP430的自行車(chē)戶(hù)外運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

1、項(xiàng)目報(bào)告題目:基于msp430的自行車(chē)戶(hù)外運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)學(xué)校：西安電子科技大學(xué)組別：專(zhuān)業(yè)組應(yīng)用類(lèi)別：儀器儀表類(lèi)平臺(tái)：msp430題 目： 基于msp430的自行車(chē)戶(hù)外運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)摘要本系統(tǒng)基于msp430f169,主要曲gps模塊，傳感器模塊、顯示模塊和充電 模塊組成。基本功能為測(cè)量溫度濕度光照度等環(huán)境參數(shù)，gps沱位測(cè)速等。除此 之外，系統(tǒng)自帶實(shí)時(shí)鐘，還具有路徑記錄功能，并且可以通過(guò)上位機(jī)，在google earth上繪制出記錄的路徑。下位機(jī)通過(guò)點(diǎn)陣lcd顯示，背光由pwm控制，配 合光照度傳感器可以做到口適應(yīng)背光。系統(tǒng)用鋰電池供電，帶充電模塊，整體小 巧靈活，人機(jī)界面友好，可以用于單車(chē)、登山等戶(hù)外運(yùn)

2、動(dòng)上。abstractin this paper, we propose electronic equipment for outdoor sports, which is based on msp430f169. the system mainly consists of the gps module, the sensor module, the display module and the charging module.the basic function of this system is measuring environmental parameters such as temp

3、erature, humidity and illumination. with this equipment, positioning and speed detection can be realized. you can record your coordinates and upload them to the computer, then draw the path in google earth.the device is powered by battery. its features include automatic backlight, friendly human-mac

4、hine interface and compact size. it is a good helper for outdoor sports.1. 引言隨著身邊越來(lái)越多的人選擇登山口行車(chē)等戶(hù)外運(yùn)動(dòng)作為工作之余的休閑調(diào) 整和健身，人們對(duì)戶(hù)外運(yùn)動(dòng)衍生出來(lái)的相關(guān)設(shè)備需求越來(lái)越大，這將是一個(gè)廣闊 的市場(chǎng)。對(duì)于學(xué)生或者工薪階層等初級(jí)愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，購(gòu)買(mǎi)發(fā)燒友級(jí)的專(zhuān)業(yè)儀器和設(shè)備 過(guò)于昂貴。在如此背景之下，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)具有同等功能的低成木簡(jiǎn)易電子設(shè) 備，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，可以根據(jù)需要?jiǎng)h減相應(yīng)模塊?；竟δ芸梢宰鳛閼?hù)外運(yùn)動(dòng)環(huán) 境參數(shù)檢測(cè)儀，帶有g(shù)ps定位、高度速度測(cè)量和路徑記錄功能，非常適合初級(jí) 戶(hù)外運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者。

5、2. 系統(tǒng)方案整個(gè)系統(tǒng)由若干模塊構(gòu)成，系統(tǒng)方案框圖如圖2.1所示:other sensorseeprom7gps4lpcgoogleearthbatterymculcd圖2.1系統(tǒng)框圖系統(tǒng)出gps、sht10、on9658等傳感器模塊、lcd顯示模塊、eeprom 存儲(chǔ)模塊、rtc模塊、通訊模塊和鋰電池充電模塊構(gòu)成。主要思路：硬件方面：msp430f169主控，處理各個(gè)傳感器測(cè)量的信息；lcd實(shí)時(shí) 顯示；eeprom存儲(chǔ)路徑信息；通訊模塊配合上位機(jī)使用，通過(guò)usb轉(zhuǎn)串 口，把記錄的數(shù)據(jù)上傳到pc機(jī)；usb 口同時(shí)起到鋰電池充電的作用。對(duì)外闌模塊的電源管理，采用跟mcu最小系統(tǒng)分開(kāi)供電的方法，這

6、樣 就可以隨時(shí)關(guān)閉暫時(shí)不用的傳感器，以節(jié)省電能。定位于持式設(shè)備，電池供電，選用的器件都是低功耗器件。軟件方面：考慮到作為人機(jī)交互的lcd要顯示的內(nèi)容比較多，所以加 入了按鍵模塊，采用了層級(jí)菜單設(shè)計(jì)，一級(jí)菜單為模塊菜單，二級(jí)菜單則是 各個(gè)模塊的內(nèi)部菜單。由于選用的msp430f169資源豐富，系統(tǒng)留有破件升級(jí)接口，可以外擴(kuò) gsm/gprs等其他模塊。3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1供電模塊系統(tǒng)有兩種供電方式：usb供電和鋰電池供電。平時(shí)使用鋰電池供電，跟上位機(jī)通信的時(shí)候使用usb供電，同時(shí)usb 給鋰電池充電。因?yàn)槭堑凸牡脑O(shè)計(jì)，電源芯片的選擇很重要，應(yīng)選擇靜態(tài)電流盡量小 功耗盡量低的芯片。本設(shè)計(jì)選

7、用的是ti的tps79733和tps78233。tps79733具有超低的靜態(tài)電流(在10ma時(shí)靜態(tài)電流典型值為1.2|ia), 可以提供50ma的電流，用來(lái)給mcu最小系統(tǒng)供電。tps79733帶有power good指示功能，把pg引腳連接到單片機(jī)屮斷引腳上，以此實(shí)現(xiàn)指示電源狀 態(tài)，系統(tǒng)電量不足提醒功能。tps78233則是單路固定輸出提供150ma電流，靜態(tài)電流僅有0.5pa的 ldoo tps78233帶有使能引腳，用來(lái)給傳感器模塊供電，這樣在待機(jī)的狀 態(tài)下，可以關(guān)閉tps78233以節(jié)省電能。選擇兩個(gè)穩(wěn)壓芯片是因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)分開(kāi)供電。最小系統(tǒng)和外圍設(shè)備兩部分分開(kāi)供電，系統(tǒng)在待機(jī)的時(shí)候可

8、以關(guān)閉某些 不用的模塊，使系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)的時(shí)候耗屯最小。3.2充電模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)力求外圍電路簡(jiǎn)單，方便緊湊。設(shè)計(jì)充電器具有口動(dòng)充電，溫 度檢測(cè)，三段式充電模式等功能，結(jié)合這些要求，選用ti公司的bq2057 鋰電池充電管理芯片。bq2057系列是美國(guó)ti公司生產(chǎn)的先進(jìn)鋰電池充電管理芯片，bq2057 系列芯片適合單節(jié)(4v或4.2v)或雙節(jié)(8.2v或8.4v)鋰離子(li-ion)和鋰聚 合物(li-pol)電池的充電需要，利用該芯片設(shè)計(jì)的充電器外圍電路及其簡(jiǎn)單， 非常適合便攜式電子產(chǎn)品的緊湊設(shè)計(jì)需耍。bq2057可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償鋰電池組 的內(nèi)阻以減少充電時(shí)間，帶有可選的電池溫度監(jiān)測(cè)，利用電池組

9、溫度傳感器 連續(xù)檢測(cè)電池溫度，當(dāng)電池溫度超出設(shè)定范圍時(shí)bq2057關(guān)閉對(duì)電池充電。 內(nèi)部集成的恒壓恒流器帶有高/低邊電流感測(cè)和可編程充電電流，充電狀態(tài)識(shí) 別可由輸出的led指示燈或與主控器接口實(shí)現(xiàn)，具有自動(dòng)重新充電、最小 電流終止充電、低功耗睡眠等特性。設(shè)計(jì)參考芯片datasheet中ti的官方方案。電路如圖3.1：rsns 01 0.2 q fzt788b圖3.1鋰電池充電模塊電路3.3 gps系統(tǒng)模塊gps選用的是韓國(guó)jcom公司的c3-370c模塊，sirf iii芯片，內(nèi)置天線模塊。靈敏度高，搜星速度快，模塊有使能引腳，可以單獨(dú)開(kāi)關(guān)。msp430和gps通過(guò)吊口通信，msp430對(duì)接收

10、到的報(bào)文進(jìn)行解碼，并 且通過(guò)lcd實(shí)時(shí)顯示。界面設(shè)計(jì)如圖3.2所示，實(shí)際效果見(jiàn)附錄。gps信號(hào)衛(wèi)星數(shù)目通訊信號(hào)記錄數(shù)據(jù)電池狀態(tài)上傳狀態(tài)記錄模式高度緯度經(jīng)度h速度水平精度定位狀態(tài)gpegps運(yùn)行狀態(tài)日期北京時(shí)間圖3.2 gps界而設(shè)計(jì)界面可實(shí)時(shí)顯示gps運(yùn)行狀態(tài)、信號(hào)強(qiáng)度、經(jīng)緯度、速度高度、日期時(shí) 間等大量信息。通過(guò)按鍵操作，實(shí)現(xiàn)gps的運(yùn)行/暫停，坐標(biāo)數(shù)據(jù)的記錄/刪 除，口動(dòng)/手動(dòng)記錄的切換，上位機(jī)通信等功能。用eeprom at24c64記錄坐標(biāo)信息。一條信息包括口期時(shí)間和經(jīng)緯度 共64個(gè)字節(jié)，一共可以存儲(chǔ)512條記錄，按lmin/條計(jì)算，可以不間斷存儲(chǔ) 8小時(shí)。信息的記錄既可以手動(dòng)按鍵記錄

11、，也可以通過(guò)菜單切換成間隔時(shí)間為 10s/30s/60s/90s 的自動(dòng)記錄。記錄在eeprom中的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳給上位機(jī)，上位機(jī)軟件轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù), 也可直接輸出kml文件，在google earth中打開(kāi)繪制路徑。3.4通信模塊：通信模塊主要實(shí)現(xiàn)gps、mcu、pc z間的兩兩通信，三者通過(guò)吊口通 信，通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)切換，具體硬件如圖3.3所示：utx0gps_rxa3gps tka：11_1156- 三_/_/1211tottxdrxdsw-dip6圖3.3通信切換原理圖撥碼開(kāi)關(guān)12是mcu跟pc通信；34是gps跟pc通信；56是gps跟 mcu通信，需要注意的是，同一時(shí)刻只能實(shí)現(xiàn)一組通信，

12、即只能開(kāi)啟一組 開(kāi)關(guān)。實(shí)際效果如門(mén)1. mcu跟pc通信，上傳記錄的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。上位機(jī)主耍實(shí)現(xiàn)對(duì)記錄數(shù)據(jù) 的轉(zhuǎn)換，生成可以在google earth中直接打開(kāi)的kml文件。圖3.4 mcu和pc通信2. gps跟pc通信，pc機(jī)軟件顯示解碼信息。圖3.5 gps和pc通信3. mcu跟gps通信，lcd顯示解碼信息。圖3.6 mcu和gps通信3.5傳感器及相關(guān)模塊溫濕度傳感器選用的是sht10, sht10是低功耗的數(shù)字溫濕度傳感器,數(shù)字信號(hào)輸出，具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性。sht10的接口定義如下圖所示:引腳名稱(chēng)描述nc12340nc ncncncnc1gnd地2data小行數(shù)據(jù)，雙向3sck串行時(shí)鐘&

13、#39;輸入口4vdd電源ncnc必須為空?qǐng)D3.7 shtio的管腳定義傳感器性能：相對(duì)濕度分辨率12位，精度土4.5%rh；溫度分辨率14 位，精度±0.5° co正常工作時(shí)功耗僅為2u wo硬件設(shè)計(jì)典型連接圖：vdd gnd24-55vgnd圖3.8 sht10的硬件連接圖光照度傳感器選用的是on9658,典型入射波長(zhǎng)為x p=520nm,內(nèi)置雙 敏感元接收器，可見(jiàn)光范圍內(nèi)高度敏感，輸hi電流隨照度呈線性變化。適合 電視機(jī)、lcd背光、數(shù)碼產(chǎn)品、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備等諸多領(lǐng)域的節(jié)能控 制、口動(dòng)感光、口適應(yīng)控制。vcc所以在本設(shè)計(jì)中用它來(lái)控制lcd的口動(dòng)背光。硬件設(shè)計(jì)圖如下

14、所示：msp430on9658adc pwmlcd_backlight 丄圖3.9 on9658電路設(shè)計(jì)在vcc和r 一定時(shí)qn9658輸出電壓隨光照強(qiáng)度増人，最大為 2/3vcc。卜拉屯阻r和電源vcc同時(shí)決定光照度范圍，r與光照范圍成反 比，vcc與光照范圍成正比。實(shí)際上r過(guò)小會(huì)引起器件功耗增大，vcc過(guò) 高影響器件壽命。適當(dāng)選擇c會(huì)捉高輸出穩(wěn)定性。rtc時(shí)鐘芯片選用的是pcf8563,與eeprom共享iic總線。pcf8563是philips公司推出的一款工業(yè)級(jí)內(nèi)含iic總線接口功能的 具有極低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片，功耗典型值為0.25 u ao設(shè)計(jì)中，如果gps有信號(hào)，那么可以

15、通過(guò)按鍵操作“校表”，即按照當(dāng) 前gps標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘設(shè)置pcf8563o平時(shí)使用顯示的時(shí)間是pcf8563的本地時(shí) 間。3.6顯示模塊顯示用的是nokia5110點(diǎn)陣液晶屏，84*48像素，背光可以手動(dòng)開(kāi)啟 和關(guān)閉，也可以選擇口適應(yīng)背光（通過(guò)pwm控制,配合光照度傳感器on9658 實(shí)現(xiàn)），即外界光強(qiáng)，led背光弱，外部光弱，led背光強(qiáng)。設(shè)置界面如下圖：back-1i9hton off auto 圖3.10系統(tǒng)背光設(shè)置界面4. 系統(tǒng)關(guān)鍵部分軟件設(shè)計(jì) 4.1 gps解碼c3-370c模塊接收衛(wèi)星信號(hào)，遵守nmea-0183協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以ascii格 式輸出，波特率9600bit/s,數(shù)據(jù)位8位，停止

16、位1位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。單片機(jī)通過(guò)串口接收，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)以幀為單位，按照nmea-0183 協(xié)議解碼。mea-0183協(xié)議語(yǔ)句的數(shù)據(jù)格式如下：“$”為語(yǔ)句起始標(biāo)志；“，”為 域分隔符；“*”為校驗(yàn)和識(shí)別符，其后面的兩位數(shù)為校驗(yàn)和，代表了 和之間所有字符的按位異或值（不包括這兩個(gè)字符）；“/”為終止符, 所有的語(yǔ)句必須以回車(chē)換行來(lái)結(jié)束，也就是ascii字符的“回車(chē)”（十六 進(jìn)制的0d）和“換行”（十六進(jìn)制的0a）。c3-370c模塊主要輸出rmc和gga語(yǔ)句，具體含義如下所示： $gprmc例：$gprmc,024813.640,a,3158.460&n,1184&3737,e,

17、10.05,324.27,150706,a*50 字段0： $gprmc,語(yǔ)句id,表明該語(yǔ)句為rmc,推薦最小定位信息 字段1: utc時(shí)間,hhmmss.sss格式字段2：狀態(tài)，a二定位，v二未定位字段3：緯度ddmm.mmmm,度分格式（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段4：緯度n （北緯）或s （南緯）字段5：經(jīng)度dddmm.mmmm,度分格式（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段6：經(jīng)度e （東經(jīng)）或w （西經(jīng)）字段7:速度,節(jié)，knots字段8：方位角,度字段9： utc h期，ddmmyy格式字段10：磁偏角，（000-180）度（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0）字段11：磁偏角方向，=東w二四 字段16：校驗(yàn)值

18、$gpgga例：$gpgga,092204.999,4250.5589,s,1471 &5084,e,1,04,24.4,19.7,m,0000* 1f 字段0： sgpgga,語(yǔ)句id,表明該語(yǔ)句為gga, gps定位信息 字段1： utc時(shí)間,hhmmss.sss,時(shí)分秒格式字段2：緯度ddmm.mmmm,度分格式（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0） 字段3：緯度n （北緯）或s （南緯）字段4：經(jīng)度dddmm.mmmm,度分格式（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0） 字段5：經(jīng)度e （東經(jīng)）或w （西經(jīng)）字段6： gps狀態(tài)，0二未定位，1二非差分定位，2=差分定位,3=無(wú)效 pps, 6二正在估算字段7：止

19、在使用的衛(wèi)星數(shù)量（0012）（前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0） 字段& hdop水平精度因子（0.5-99.9）字段 9：海拔高度（-9999.9-99999.9） 字段10：地球橢球面相對(duì)大地水準(zhǔn)面的高度字段11：差分時(shí)間（從最近一次接收到差分信號(hào)開(kāi)始的秒數(shù)，如果不是 差分定位將為空）字段12：差分站id號(hào)00001023 （前導(dǎo)位數(shù)不足則補(bǔ)0,如果不是差 分定位將為空）字段13：校驗(yàn)值根據(jù)語(yǔ)句最大長(zhǎng)度，程序中定義了一個(gè)96字節(jié)的緩沖區(qū)，一次接收一 條gps語(yǔ)句之后再進(jìn)行解碼，即根據(jù)需要讀取和關(guān)數(shù)據(jù)。需要注意的是中國(guó) 所在的時(shí)區(qū)是東八區(qū)，所以解碼得到的小時(shí)數(shù)據(jù)需要加8才是和應(yīng)的北京時(shí) 間。4.2

20、 lcd顯示lcd顯示采用了部分刷屏的設(shè)計(jì)，即只刷新需要更新的區(qū)域，這樣節(jié)省 了人量資源。在顯示模擬時(shí)鐘的時(shí)候，需要刷新較人面積的區(qū)域。為了避免直接操作 lcd時(shí)lcd閃爍和顯示錯(cuò)位的問(wèn)題。程序中開(kāi)辟了顯示緩沖區(qū)，對(duì)模擬時(shí) 鐘指針的操作在緩沖區(qū)里進(jìn)行，操作完成lcd直接顯示緩存區(qū)的數(shù)據(jù)?；趎okia5110液晶屏，做了對(duì)應(yīng)的ui。gps界面，具體介紹參見(jiàn)3.3節(jié)。凸du百?zèng)A己嚴(yán)m(xù)=1 3e3.hr-ihd.dhmhn 34d14.123s 己日 el阿54.9w mgpe圖4gps顯示界面時(shí)鐘界面，顯示屏左半部分是模擬時(shí)鐘和星期，右半部分是f1歷和數(shù)字 時(shí)鐘。圖4.2時(shí)鐘顯示界面溫濕度界面，

21、界面采用溫濕度計(jì)的風(fēng)格，使顯示更加直觀和美觀。圖4.3溫濕度顯示界面光照度界面，第一行是光照度，第二行是對(duì)應(yīng)的msp430的adc采樣 電壓。lux： 500hdc：1425mui 1 lum irimt iciri圖4.4光照度顯示界面4.3交互菜單菜單設(shè)計(jì)使用層級(jí)菜單，第一級(jí)菜單運(yùn)用page的概念，用一個(gè)按鍵控 制，對(duì)應(yīng)如下:pageo顯示gps界面page 1顯示rtc界面page 2顯示溫濕度界面page 3顯示光照度界面page 4顯示背光控制界血key1控制第一級(jí)page菜單，剩余的key2-key4則用作各個(gè)page 里的二級(jí)菜單控制。按鍵通過(guò)中斷處理，這樣主函數(shù)就變得很簡(jiǎn)潔：int main( void )wdtctl = wdtpw + wdthold;initial () ; /系統(tǒng)初始化 while (1)switch (page)case0:lcd_ref resh_gps () ; break;case1:lcd_ref r