多功能电子高原登山辅助仪的设计与实现

黄礼平，邓利华，肖 瑶，旦增次成

（西藏大学 工学院电子信息系，西藏 拉萨 850000）

被称为“世界屋脊”的青藏高原拥有世界上无与伦比的自然景观，这里有远近驰名藏式宫殿建筑布达拉宫，世界最高峰珠穆朗玛峰，多少神山圣水，吸引了大量的国内外游客到此国光旅游，这里可以说是旅游者的天堂。到此登山的游客更是络绎不绝，而西藏地处高原，海拔相对较高，紫外线强烈，氧气浓度较低，气候比较干燥，导致游客皮肤晒伤、因缺氧导致高原反应等不利情况。而在登山过程中，也会发生因意外事件如手机相机在拍照时没电，夜晚在野外缺乏照明设备等。综上笔者设计了此款辅助仪器，它采用不同的传感器对温度、湿度、紫外线强度环境变量的实时测量，通过显示屏显示；及时提醒游客采取保护措施；本仪器开发了外设充电模块，采用太阳能作为主充电。当使用太阳能充电不能满足需求时，我们可以采用交流充电，如在野外阴天采用手摇发电，此充电方法简单快捷；能够最大限度的解决野外供电问题；本仪器还增添了USB应急充电接口以及LED照明灯，可以在偏远或者紧急情况下照明使用；同时它还集成了GPS定位的功能，可以显示出此仪器所在地的经纬度，方便使用者了解自己的位置信息。

1 系统设计方案

1.1 系统硬件设计

本文设计的硬件包括，凌阳公司的SPCE061A单片机 、稳压电路、过充过放保护电路。本文中主要利用由蓄电池给硬件部分提供电源，通过稳压电路[5]提供单片机工作电压，主控芯片控制LCD显示和AD采样，系统硬件设计框图如图1所示。

1.2 GPS M odule定位原理

GPS定位的基本原理：根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图 2所示[1]，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间Δt，再加上接收机所接收到的卫星星历等数据可以确定以下4个方程式：

图1 系统硬件结构框图Fig.1 system hardware structure diagram

上述 4个方程式中待测点坐标x、y、z和Vt0为未知参数，其中 di=cti（i=Δ1、2、3、4）。di（i=1、2、3、4） 分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4 到接收机之间的距离。ti（i=Δ1、2、3、4） 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。c为GPS信号的传播速度（即光速）。

图2 全球定位示意图Fig.2 Global positioningmap

1.3 温度/光线检测传感器电路

温度/光线检测模块电路如图3[2]，电源电压经稳压管TL431稳压到 2.5 V，提供给由R8和热敏电阻R9组成的分压电路以及R10和光敏电阻R11组成的分压电路，热敏电阻R9分得的电压通过TO输出，光敏电阻R11分得的电压通过LO输出。可以直接把SPCE061A单片机ADC的任一通道与TO或LO连接，利用单片机进行A/D转换，并计算出对应的温度和光线强度。

图3 温度及光强传感器电路图Fig.3 The circuit diagram of temperature and light intensity sensors

1.4 液晶显示子函数软件流程框图

设备启动后，系统调用液晶驱动函数，端口初始化后，执行一个循环，判断是否完成清屏，然后调用液晶显示函数，并执行另一个循环，判断相应的数据是否完全显示，如图4所示。

图4 液晶显示子函数软件流程框图Fig.4 Liquid crystal display function software flow diagram

1.5 GPS数据转换程序

2 整体测试结果

本项目顺利完成，最终效果与设计要求误差不大。图5为实物显示图，图中显示出了从GPS模块接收过来的时间和经纬度信息，图中时间和纬度后面都带了一个A，这是一个标志信息说明GPS模块接收到的信息是有效且正确的。 图5中后两幅图是液晶显示屏显示当前环境的温度、湿度和紫外线强度，这组数据是在室内测量的，我们用了相应的温湿度计和紫外线辐射计进行对照，本仪器测量的和实测结果相差并不大。实物如图6所示。

图5 测试结果Fig.5 The test results

图6 实物外观Fig.6 Physical appearance

下表为仪器测量出的一些实际数据，由于液晶显示屏效果较差我将显示的数据分别列出，表中显示的是在校园中实际测量的数据，它包括了藏语显示和汉语显示，至于所显示出的经纬度是在西藏大学校园内实际测量出来的。

表1 整体测试结果表Tab.1 Overall test result in table

3 结束语

文中运用16位主控芯片结合传感器模组、温湿度传感器、液晶显示等制作了一个由可充电电池供电，并且便携、人性化的多功能电子高原登山辅助仪。本文采用的16位控制芯片具有较高的执行效率，功耗低，稳定性好，实现了智能化控制。通过对西藏地区实际情况的考察，结合游客和当地市民的需要本设计不但解决了西藏地区的实际问题，而且具有非常好的市场空间，完全可以在内地诸多城市进行推广。

[1]凌阳科技.嵌入式微处理器SPCE3200原理及应用 [J].北京：北阳电子内部资料，2007.

[2]边巴旺堆.基于nRF2401的藏区蔬菜大棚管理系统的设计与实现[J].电子设计工程，2013（2）:185-189.BIANBAWang-dui.Design and implementation Tibetan vegetable greenhousesmanagementsystem based on nRF2401[J].Electronic Design Engineering，2013（2）:185-189.

[3]张大波.嵌入式系统原理、设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4]罗亚非.凌阳16位单片机应用基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[5][美]James Foxall著.Visual C#2008入门经典[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[6]康华光.电子技术基础模拟部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[7]刘严亮.基于SPCE3200的藏汉英电子点菜系统的设计与实现[J].电子设计工程，2010（1）:153-156.LIU Yan-liang.Design and realization tibetan-chineseenglish electronic order system based on the SPCE3200[J].Electronic Design Engineering，2010（1）:153-156.