多功能電子高原登山輔助儀的設計與實現(xiàn)

黃禮平，鄧利華，肖 瑤，旦增次成

（西藏大學 工學院電子信息系，西藏 拉薩 850000）

被稱為“世界屋脊”的青藏高原擁有世界上無與倫比的自然景觀，這里有遠近馳名藏式宮殿建筑布達拉宮，世界最高峰珠穆朗瑪峰，多少神山圣水，吸引了大量的國內(nèi)外游客到此國光旅游，這里可以說是旅游者的天堂。到此登山的游客更是絡繹不絕，而西藏地處高原，海拔相對較高，紫外線強烈，氧氣濃度較低，氣候比較干燥，導致游客皮膚曬傷、因缺氧導致高原反應等不利情況。而在登山過程中，也會發(fā)生因意外事件如手機相機在拍照時沒電，夜晚在野外缺乏照明設備等。綜上筆者設計了此款輔助儀器，它采用不同的傳感器對溫度、濕度、紫外線強度環(huán)境變量的實時測量，通過顯示屏顯示；及時提醒游客采取保護措施；本儀器開發(fā)了外設充電模塊，采用太陽能作為主充電。當使用太陽能充電不能滿足需求時，我們可以采用交流充電，如在野外陰天采用手搖發(fā)電，此充電方法簡單快捷；能夠最大限度的解決野外供電問題；本儀器還增添了USB應急充電接口以及LED照明燈，可以在偏遠或者緊急情況下照明使用；同時它還集成了GPS定位的功能，可以顯示出此儀器所在地的經(jīng)緯度，方便使用者了解自己的位置信息。

1 系統(tǒng)設計方案

1.1 系統(tǒng)硬件設計

本文設計的硬件包括，凌陽公司的SPCE061A單片機 、穩(wěn)壓電路、過充過放保護電路。本文中主要利用由蓄電池給硬件部分提供電源，通過穩(wěn)壓電路[5]提供單片機工作電壓，主控芯片控制LCD顯示和AD采樣，系統(tǒng)硬件設計框圖如圖1所示。

1.2 GPS M odule定位原理

GPS定位的基本原理：根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。如圖 2所示[1]，假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間Δt，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)可以確定以下4個方程式：

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖Fig.1 system hardware structure diagram

上述 4個方程式中待測點坐標x、y、z和Vt0為未知參數(shù)，其中 di=cti（i=Δ1、2、3、4）。di（i=1、2、3、4） 分別為衛(wèi)星 1、衛(wèi)星 2、衛(wèi)星 3、衛(wèi)星 4 到接收機之間的距離。ti（i=Δ1、2、3、4） 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號到達接收機所經(jīng)歷的時間。c為GPS信號的傳播速度（即光速）。

圖2 全球定位示意圖Fig.2 Global positioningmap

1.3 溫度/光線檢測傳感器電路

溫度/光線檢測模塊電路如圖3[2]，電源電壓經(jīng)穩(wěn)壓管TL431穩(wěn)壓到 2.5 V，提供給由R8和熱敏電阻R9組成的分壓電路以及R10和光敏電阻R11組成的分壓電路，熱敏電阻R9分得的電壓通過TO輸出，光敏電阻R11分得的電壓通過LO輸出。可以直接把SPCE061A單片機ADC的任一通道與TO或LO連接，利用單片機進行A/D轉(zhuǎn)換，并計算出對應的溫度和光線強度。

圖3 溫度及光強傳感器電路圖Fig.3 The circuit diagram of temperature and light intensity sensors

1.4 液晶顯示子函數(shù)軟件流程框圖

設備啟動后，系統(tǒng)調(diào)用液晶驅(qū)動函數(shù)，端口初始化后，執(zhí)行一個循環(huán)，判斷是否完成清屏，然后調(diào)用液晶顯示函數(shù)，并執(zhí)行另一個循環(huán)，判斷相應的數(shù)據(jù)是否完全顯示，如圖4所示。

圖4 液晶顯示子函數(shù)軟件流程框圖Fig.4 Liquid crystal display function software flow diagram

1.5 GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序

2 整體測試結果

本項目順利完成，最終效果與設計要求誤差不大。圖5為實物顯示圖，圖中顯示出了從GPS模塊接收過來的時間和經(jīng)緯度信息，圖中時間和緯度后面都帶了一個A，這是一個標志信息說明GPS模塊接收到的信息是有效且正確的。 圖5中后兩幅圖是液晶顯示屏顯示當前環(huán)境的溫度、濕度和紫外線強度，這組數(shù)據(jù)是在室內(nèi)測量的，我們用了相應的溫濕度計和紫外線輻射計進行對照，本儀器測量的和實測結果相差并不大。實物如圖6所示。

圖5 測試結果Fig.5 The test results

圖6 實物外觀Fig.6 Physical appearance

下表為儀器測量出的一些實際數(shù)據(jù)，由于液晶顯示屏效果較差我將顯示的數(shù)據(jù)分別列出，表中顯示的是在校園中實際測量的數(shù)據(jù)，它包括了藏語顯示和漢語顯示，至于所顯示出的經(jīng)緯度是在西藏大學校園內(nèi)實際測量出來的。

表1 整體測試結果表Tab.1 Overall test result in table

3 結束語

文中運用16位主控芯片結合傳感器模組、溫濕度傳感器、液晶顯示等制作了一個由可充電電池供電，并且便攜、人性化的多功能電子高原登山輔助儀。本文采用的16位控制芯片具有較高的執(zhí)行效率，功耗低，穩(wěn)定性好，實現(xiàn)了智能化控制。通過對西藏地區(qū)實際情況的考察，結合游客和當?shù)厥忻竦男枰驹O計不但解決了西藏地區(qū)的實際問題，而且具有非常好的市場空間，完全可以在內(nèi)地諸多城市進行推廣。

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