簡(jiǎn)易自動(dòng)氣象觀測(cè)站設(shè)計(jì)2

1系統(tǒng)方案選擇與論證氣象觀測(cè)站是一個(gè)十分精密的系統(tǒng)，既需要符合規(guī)范的硬件設(shè)計(jì)，也需要配以合適的軟件系統(tǒng)。從硬件方面來(lái)看，氣象站主要由微機(jī)處理系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)三部分組成。其中，傳感器系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中顯得尤其重要，只有傳感器足夠靈敏，監(jiān)測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)才能足夠的準(zhǔn)確。從軟件方面來(lái)看，編寫(xiě)程序可以使用的語(yǔ)言有多種選擇，但是為了編寫(xiě)方便以及后期調(diào)試修改，本設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)。設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)主要研究基于51單片機(jī)的實(shí)施大氣環(huán)境各個(gè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，主要研究?jī)?nèi)容有：（1） 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境的溫度、濕度變化情況；（2） 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境的壓強(qiáng)、風(fēng)速變化情況；（3） 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降雨量的變化；研究的難點(diǎn)在于整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，各個(gè)監(jiān)測(cè)模塊能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，且互不干擾。整個(gè)系統(tǒng)能夠相對(duì)精確的及時(shí)采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且能夠直觀的觀察。對(duì)于監(jiān)測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)，要使得精確度維持在一定的范圍，溫度、濕度的監(jiān)測(cè)誤差不能超過(guò)10%，風(fēng)力、降水量的監(jiān)測(cè)誤差不能超過(guò)20%。方案選擇針對(duì)本次設(shè)計(jì)，查閱了相關(guān)的資料后，我提出了一下兩個(gè)方案：方案一：采用集成化的WS600-UMB氣象傳感器，一步完成各個(gè)氣象要素檢測(cè)的設(shè)計(jì)。此傳感器帶有可應(yīng)用于環(huán)境測(cè)量的數(shù)字接口，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)六大基本氣象要素的監(jiān)測(cè)，但是其成本高，硬件電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，對(duì)處理器的要求高，用普通的51單片機(jī)無(wú)法帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，不能做到簡(jiǎn)易的要求，制作出來(lái)的產(chǎn)品不便于攜帶。方案二：采用模塊化設(shè)計(jì)，將幾個(gè)要求監(jiān)測(cè)的氣象要素分別下放到各個(gè)模塊，分別采用相應(yīng)的簡(jiǎn)易傳感器，可便于后期的升級(jí)改造，使用51單片機(jī)作為處理器，每個(gè)模塊配置一個(gè)小型顯示器，元器件易于獲取，設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)便，產(chǎn)品便攜。綜合以上兩個(gè)方案，為了達(dá)到節(jié)省成本、產(chǎn)品便攜等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)將采用方案二。方案論證方案二將采用單片機(jī)STC89C51作為信息處理核心，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，根據(jù)需求，增加一定的元件。系統(tǒng)中的51單片機(jī)用于接收并處理來(lái)自各個(gè)傳感器的信號(hào)，通過(guò)程序運(yùn)算得出氣象參數(shù)，最終在液晶顯示屏上顯示出來(lái)。針對(duì)實(shí)際的使用環(huán)境，本設(shè)計(jì)還添加了時(shí)鐘功能，方便記錄員在記錄相關(guān)數(shù)據(jù)的時(shí)候?qū)?yīng)上時(shí)間。氣象站供電方面，本設(shè)計(jì)采用5V直流電源供電。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的氣象信息采集系統(tǒng)（即簡(jiǎn)易氣象觀測(cè)站），整個(gè)系統(tǒng)的功能模塊如下圖2-1所示：圖2-1簡(jiǎn)易自動(dòng)氣象站系統(tǒng)框圖方案二設(shè)計(jì)的自動(dòng)氣象站主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：（1）利用相關(guān)的傳感器模塊，實(shí)時(shí)采集設(shè)計(jì)要求中的五個(gè)氣象要素，并將采集到的信號(hào)傳送給STC89C51單片機(jī)進(jìn)行處理；（2） C51單片機(jī)根據(jù)接收到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)程序運(yùn)行，處理相關(guān)信號(hào)，實(shí)時(shí)將處理完成的信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的參數(shù)顯示到液晶屏上；（3） 時(shí)鐘顯示。根據(jù)實(shí)際使用的情況，增加一個(gè)時(shí)鐘。同時(shí)時(shí)鐘還有斷電運(yùn)行的功能，保證時(shí)間準(zhǔn)確。時(shí)間顯示系統(tǒng)是由ds1302時(shí)鐘芯片構(gòu)成的，并提供備用電池供電，以確保整個(gè)系統(tǒng)在斷電后開(kāi)機(jī)時(shí)間還能標(biāo)準(zhǔn)顯示；使用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器進(jìn)行溫濕度的檢測(cè)，這個(gè)傳感器精度高，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，獲得的信號(hào)不需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，因?yàn)樾酒旧硪呀?jīng)含有了校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)輸出，電路設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)潔；用BMP085數(shù)字氣壓傳感器進(jìn)行氣壓數(shù)據(jù)采集，獲得數(shù)據(jù)精度高，可以通過(guò)I2C總線直接與各種微處理器相連接，較適合用于本系統(tǒng)；降雨量（水位）的監(jiān)測(cè)由較為簡(jiǎn)單的模擬電路組成，主要由低功率失調(diào)電壓雙比較器LM393構(gòu)成。實(shí)際即為將監(jiān)測(cè)到的雨滴轉(zhuǎn)換為電壓，與參考電壓進(jìn)行比較從而輸出比較結(jié)果；風(fēng)速的監(jiān)測(cè)使用霍爾元件通過(guò)檢測(cè)齒輪所轉(zhuǎn)圈數(shù)，由程序進(jìn)行相應(yīng)的處理從而得知齒輪轉(zhuǎn)速，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)換得到風(fēng)速。以上所有采集的數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理轉(zhuǎn)換后由相應(yīng)的LCD直觀的顯示出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。2硬件選型與簡(jiǎn)介簡(jiǎn)易自動(dòng)氣象觀測(cè)站系統(tǒng)設(shè)計(jì)所涉及到的知識(shí)眾多，使用到眾多不同的硬件比如單片機(jī)、傳感器、時(shí)鐘芯片等，不同的硬件選擇，對(duì)最終系統(tǒng)的完成具有不同的影響，下面對(duì)這些硬件的選型進(jìn)行簡(jiǎn)單討論。STC89C51單片機(jī)單片機(jī)的選型對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作具有決定性的作用，單片機(jī)選型合適，整個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)就會(huì)經(jīng)濟(jì)可靠；選型不合適，又會(huì)造成資源浪費(fèi)，影響系統(tǒng)運(yùn)行正常，甚至達(dá)不到原先的設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)要符合以下幾點(diǎn)要求：（1） 芯片所具備的功能要略大于設(shè)計(jì)需要，功能實(shí)現(xiàn)要通過(guò)芯片完成；（2） 經(jīng)過(guò)市場(chǎng)檢驗(yàn)的產(chǎn)品，性能穩(wěn)定，不易出錯(cuò)；能夠被二次開(kāi)發(fā)，配備相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具、仿真調(diào)試說(shuō)明等。（3） 在規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)，單片機(jī)能正常運(yùn)行，不影響系統(tǒng)正常；綜合各模塊電路設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，本設(shè)計(jì)使用51單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理核心，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中各種硬件對(duì)電壓、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)讀寫(xiě)等要求，選型為STC89C51。其片內(nèi)含有Flash程序存儲(chǔ)器、SRAM、UART、SPI、A/D、PWM等模塊。其主要的功能、性能參數(shù)包括：（1）內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)51內(nèi)核，機(jī)器周期；（2） 工作頻率范圍：0?40MHZ，相當(dāng)于普通8051的0?8OMHZ；（3） STC89C5xRC對(duì)應(yīng)Flash空間：4KB/8KB/15KB；（4） 內(nèi)部存儲(chǔ)器（RAM）：512B；（5） 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：3個(gè)16位；（6）通用異步通信口（UART）1個(gè)；（7）中斷源：8個(gè)；（8） 通用I/O口：32/36個(gè)；（9） 工作電壓：3.8V?5.5V；（10） 外形封裝：40腳PDIP、44腳PLCC和PQFP等。2.5數(shù)字溫濕度傳感器DHT11測(cè)量溫度可以使用DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器，測(cè)量濕度可以使用HIH3610集成濕度傳感器，但是使用多個(gè)傳感器會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，不利于攜帶。經(jīng)過(guò)綜合考慮，在系統(tǒng)的易用性和便攜性都不受影響的情況下，選擇了DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。DHT11能夠同時(shí)測(cè)量溫度和濕度，大大減輕了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。DHT11現(xiàn)已用于醫(yī)療行業(yè)、家用電器、汽車(chē)、測(cè)試檢測(cè)設(shè)備、自動(dòng)化控制等眾多領(lǐng)域，得到了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可，應(yīng)用環(huán)境十分成熟，便于將氣象站產(chǎn)品推向市場(chǎng)。由一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件構(gòu)成的DHT11傳感器，可以通過(guò)信號(hào)線與處理器直接相連傳輸數(shù)據(jù)，體積小，使得系統(tǒng)簡(jiǎn)潔。選擇DHT11還有一個(gè)原因是因?yàn)槠渌哂械淖吭叫阅?，比如?1)濕度測(cè)量范圍：20%~95%(0度~50度范圍)；誤差：±5%；溫度測(cè)量范圍：0°C?50°C；溫度測(cè)量誤差：±2度。電氣特性：直流供電電壓在3V?3.5V；供電電流平均在0.2mA?1mA之間，在單片機(jī)規(guī)定范圍內(nèi)；其采樣周期為短，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。DHT11模塊封裝為4針單排引腳，使用單總線接口，DATA口連接單片機(jī)的I/O口，傳輸串行數(shù)據(jù)。2.6單極霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)ES3144風(fēng)速測(cè)量中，出于設(shè)計(jì)成本的考慮，無(wú)法購(gòu)買(mǎi)昂貴的風(fēng)速傳感器，故本設(shè)計(jì)中采用了另一種思路。使用霍爾效應(yīng)，在風(fēng)車(chē)上安裝一個(gè)強(qiáng)磁鐵，風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)，利用霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)敏感的特點(diǎn)，測(cè)出風(fēng)車(chē)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，從而得出風(fēng)速。但是這樣測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)具有比較大的誤差，這也是本設(shè)計(jì)一個(gè)不足之處。人們利用半導(dǎo)體元件并結(jié)合霍爾效應(yīng)制作成的元件叫做霍爾元件，這種元件一般用于電機(jī)中測(cè)定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，如錄像機(jī)的磁鼓、電腦中的散熱風(fēng)扇等。經(jīng)過(guò)多年的使用，霍爾元件已演變成一個(gè)品種多樣、技術(shù)應(yīng)用成熟的電磁傳感器產(chǎn)品家族，并且在長(zhǎng)久的市場(chǎng)檢驗(yàn)中得到了大眾的認(rèn)可。本設(shè)計(jì)的供電電壓為5V,系統(tǒng)允許的工作溫度范圍較寬，而且對(duì)于安裝環(huán)境有一定的限制，電路要求保證正常工作的情況下盡可能的簡(jiǎn)單，綜合考慮，風(fēng)速測(cè)量中將采用單極霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)ES3144。ES3144采用雙極技術(shù)制造。電路結(jié)構(gòu)由采用信號(hào)放大器的斯密特觸發(fā)電路、霍爾板、反電壓保護(hù)器和電壓調(diào)節(jié)器組成。其功能特性包括：快速建立反電壓保護(hù)器；工作電壓在3.8V?24V之間；靈敏度高、反應(yīng)迅速；各種使用環(huán)境都能保

持性能穩(wěn)定；工作溫度范圍寬。ES3144電學(xué)及磁場(chǎng)特性如圖3-8(a)、(b)所示:參數(shù)符號(hào)最小值腆型值最大值單位工件電斥工件時(shí)4.524V工作頤B^Bqp15 7mA誼和壓降Vqs(OH)IguT=20mA,B>BOPQ.3 0.5V諭出漏電流IqffB<BrptVqut=20VQ.01 10.0屮諭出上飛1庇TaVDD=12V,Rl=l.lKfl,<；-20pfD.04MS鎬出下降時(shí)間TfV防-12V,Rl-1.1KH,<；-ZOpfG.13 70,0a)ES3144電學(xué)特性(b)ES3144磁場(chǎng)特性圖3-1ES3144電學(xué)及磁場(chǎng)特性說(shuō)明圖2.7Arduino水位傳感器大型氣象站中常常使用翻斗式雨量傳感器，但是因?yàn)槠潴w積較大，購(gòu)買(mǎi)成本高，并不適合在本次設(shè)計(jì)中使用。所以本設(shè)計(jì)中，使用了一個(gè)量筒來(lái)收集一定時(shí)間內(nèi)的降水，然后通過(guò)Arduino水位傳感器，模擬輸出低電平，再通過(guò)LM393進(jìn)行電壓比較，從而得出水位。其原理是利用傳感器表面上暴露的多條平行導(dǎo)線線跡測(cè)量量筒中水量/水滴大小進(jìn)行水位判斷。將水位信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，輸出的模擬電壓在本次設(shè)計(jì)中使用的是8位的AD芯片adc0804采集進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換再經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理輸出。2.8A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804水位傳感器獲得的是模擬信號(hào)，但是單片機(jī)處理的是數(shù)字信號(hào)，所以設(shè)計(jì)中還需要一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。平常我們?cè)O(shè)計(jì)使用的電路，在使用到A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，其分辨率要高于被測(cè)量對(duì)象的信號(hào)最低分辨率。8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為0.04,實(shí)際使用中我們只需要選擇8位的A/D轉(zhuǎn)換器就足夠了，而在本設(shè)計(jì)中，還要求采用并行接口，所以

選擇了ADC0804。2.9BMP085數(shù)字氣壓傳感器傳統(tǒng)的氣壓計(jì)含有一個(gè)壓敏元件，它可以將待測(cè)氣壓轉(zhuǎn)換成容易傳輸和檢測(cè)的電流或電壓信號(hào)，再通過(guò)微處理器處理將其顯示，氣壓傳感器在此期間扮演著重要的角色，只有傳感器足夠精確，最終的數(shù)據(jù)才會(huì)誤差小甚至沒(méi)有誤差。而采用單片機(jī)進(jìn)行測(cè)量控制，不僅能實(shí)現(xiàn)基本監(jiān)測(cè)功能，還能根據(jù)需要修改，提高產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力。簡(jiǎn)易氣象站中的氣壓監(jiān)測(cè)單元，要同時(shí)滿足氣壓采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理三種功能，還要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。測(cè)量中，大部分的工作都可以交由單片機(jī)完成，使得電路更加簡(jiǎn)潔，氣壓傳感器模塊可以根據(jù)不同環(huán)境隨意更換，增加了靈活性。所以設(shè)計(jì)中采用了BMP085數(shù)字氣壓傳感器°BMP085的供電電壓為1.8V?3.6V,典型值為2.5V。BMP085中自帶了A/D轉(zhuǎn)換器和E2PR0M的控制單元，通過(guò)I2C總線實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的連接。E2PROM中儲(chǔ)存的11個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)涉及到參考溫度下的靈敏度的溫度系數(shù)、零點(diǎn)漂移以及零點(diǎn)漂移的溫度系數(shù)等。BMP085的氣壓測(cè)量范圍為300hPa?1100hPa（海拔高度-500m?9000m）。BMP轉(zhuǎn)換率高，精度高，適合于本次設(shè)計(jì)使用。2.10液晶顯示器因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)涉及到的監(jiān)測(cè)量眾多，故分為三大模塊，每個(gè)模塊分別配置一塊液晶顯示器，它們是LCD12864、LCDNokia5110和LCD1602。這三個(gè)液晶顯示屏幕的使用緣由有：首先在剛開(kāi)始做的時(shí)候計(jì)劃是要測(cè)量五個(gè)大氣數(shù)據(jù)，但是由于起初計(jì)劃要使用自己產(chǎn)生風(fēng)，并且還要能夠通過(guò)按鍵控制自己產(chǎn)生的模擬風(fēng)的風(fēng)速以及進(jìn)行顯示，還有就是要顯示出霍爾傳感器檢測(cè)出來(lái)的風(fēng)速，而一般的液晶比如12864本身就只能顯示4行