【基于單片機的氣象觀測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)11000字（論文）】

第1章緒論1.1探索歷程及價值從先人發(fā)明鉆木取火從此不用再食用生食開始，我國的人類文明逐漸發(fā)展。從上個世紀(jì)初開始，國內(nèi)的智能化技術(shù)開始茁壯成長，成長到現(xiàn)在這個科學(xué)技術(shù)發(fā)達(dá)的時代，已經(jīng)在世界上站穩(wěn)腳跟。與此同時，以單片機作為核心結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)了許多實用的東西。在很多主控核心芯片中，結(jié)合STC89C52單片機的自身優(yōu)點，可以實現(xiàn)很多有利于社會生產(chǎn)的產(chǎn)品。之所以有大量的技術(shù)人員對單片機進(jìn)行深入研究是因為單片機自身的各種優(yōu)勢，其宗旨是設(shè)計出有利于人民生活逐步智能化的高科技發(fā)明。該設(shè)計是以52單片機為主控芯片結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計開發(fā)的氣象觀測系統(tǒng)，因為人類文明的進(jìn)步、NET技術(shù)的推廣，生活中的智能產(chǎn)品也越來越普遍。發(fā)展至今，人工智能化產(chǎn)品慢慢出現(xiàn)在大眾視野。伴隨而來的是逐年遞增的需求量使市場上供不應(yīng)求。在人工智能的萌芽階段，沒有可供參考的前人經(jīng)驗，這就給開發(fā)人員造成很大的阻礙，每個關(guān)鍵點的設(shè)計和使用需要在研發(fā)階段就要理清所有的設(shè)計思路，更重要的是為安全性方面考慮。每個傳感檢測單元在采集環(huán)境數(shù)據(jù)之后，再根據(jù)具體的數(shù)據(jù)要求進(jìn)行整理。以降低成本、提高效率、數(shù)據(jù)穩(wěn)定的系統(tǒng)受到越來越的企業(yè)歡迎，從而從事研發(fā)智能化產(chǎn)品的人員越來越多，使得智能設(shè)施在市場上大規(guī)?；a(chǎn)，逐步引領(lǐng)了社會前進(jìn)發(fā)展的潮流。根據(jù)市場研究發(fā)現(xiàn)。以主控芯片為核心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，借助各種傳感器將數(shù)據(jù)采集，以自動化的氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可有效的提高其效率和可靠性、那么人工智能的進(jìn)步就使得社會經(jīng)濟更快的發(fā)展。自動化、智能化一直是人類文明進(jìn)步的重要推力。從提出理想方案到實現(xiàn)目標(biāo)并持續(xù)改進(jìn)后，仍然存在著一些難以解決的問題。經(jīng)過一代又一代人的研究總結(jié)了幾個限制其發(fā)展的原因：（1）相對于其他智能科技產(chǎn)品的出現(xiàn)比較遲，沒有得到國家的關(guān)注和支持，故此在發(fā)展道路上沒有明確的硬性要求。（2）加入這個領(lǐng)域的企業(yè)主要重看中其的發(fā)展前景和性能，如果研發(fā)出可靠性較為偽劣的產(chǎn)品，那么所設(shè)計出的產(chǎn)品與最初的宗旨是不相符的。（3）制造成本太高，在消費者中不受歡迎，還有新上市的產(chǎn)物，功能上存在一定的異同，激勵研發(fā)者繼續(xù)向前進(jìn)步。（4）所收集到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)上的傳送被限制，為調(diào)試增加了困難。根據(jù)上述問題，想要研發(fā)一款功能齊全的氣象采集系統(tǒng)，必須克服造價上的問題，以及消除消費者對產(chǎn)品的不信任，解決調(diào)試上存在的困難。1.2研究的現(xiàn)狀智慧產(chǎn)品的發(fā)展，無論是在中國國內(nèi)還是在其他各個國家都屬于十分受關(guān)注的技術(shù)，由于智慧產(chǎn)品的發(fā)展，關(guān)系著一個國家的先進(jìn)程度以及國民幸福度，因此，許多國家都將發(fā)展中心放在科技和創(chuàng)新上，不惜成本培養(yǎng)大量新型人才，致力于促進(jìn)智慧產(chǎn)品的研發(fā)。發(fā)展至今，智慧產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入繁榮時期，涉足人類社會各個領(lǐng)域。世界上第一個單片機產(chǎn)品的出現(xiàn)，是在十九世紀(jì)初期，因其具備的優(yōu)秀潛質(zhì)備受關(guān)注，在此基礎(chǔ)上，單片機控制技術(shù)始終在不斷的發(fā)展。在80年代初，單片機技術(shù)發(fā)展已經(jīng)脫穎而出，這標(biāo)志著單片機技術(shù)的發(fā)展邁向了新階梯，開始走向成熟化。物聯(lián)網(wǎng)研究工作者們也開始專注于這項新興技術(shù)的研究，加快了單片機技術(shù)發(fā)展的步伐，單片機技術(shù)開始朝著各行各業(yè)進(jìn)軍，各項創(chuàng)新產(chǎn)品相繼問世。氣象數(shù)據(jù)采集裝置的研發(fā)，也始于這個階段，目的是為促進(jìn)對氣象數(shù)據(jù)管理的便利，加強氣象數(shù)據(jù)采集的智能化，減少人工操作成本。在國外氣象數(shù)據(jù)采集裝置的開發(fā)設(shè)計中，在不斷的分析，層層篩選并改進(jìn)后，將氣象數(shù)據(jù)采集裝置的使用區(qū)域和實際值劃分出來，并要求氣象數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計和開發(fā)需要滿足公眾的可接受范圍，并承擔(dān)設(shè)計成本。本文對氣象數(shù)據(jù)采集裝置發(fā)展現(xiàn)狀的分析，是在查閱的大量關(guān)于氣象數(shù)據(jù)采集裝置的研發(fā)技術(shù)及其功能相關(guān)的國內(nèi)外文獻(xiàn)，分析出的結(jié)論。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展初始階段，引來了互聯(lián)網(wǎng)巨頭的加盟，并促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的發(fā)展，智能產(chǎn)品進(jìn)入大眾視野，收到大眾追捧，相關(guān)人員就開始了氣象數(shù)據(jù)采集方面的研究，相關(guān)的企業(yè)也嗅到其中的商機，逐步引入相關(guān)產(chǎn)品的使用。2012年至2020年，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展已十分成熟，并形成了關(guān)于氣象數(shù)據(jù)采集裝置研發(fā)的單一產(chǎn)鏈，對產(chǎn)品進(jìn)行單獨布局，開發(fā)出了滿足氣象數(shù)據(jù)采集的單片機系統(tǒng)，但至目前為止，氣象數(shù)據(jù)采集裝置的研發(fā)，依然有待創(chuàng)新，今后需要將其功能更加完善，以設(shè)計出滿足人們個性化需求的產(chǎn)品。1.3研究的主要方法本設(shè)計是基于STC89C52單片機的氣象觀測儀器，不過要想順利制造出這套氣象觀測儀器，學(xué)習(xí)一系列氣象數(shù)據(jù)的采集方法和掌握其基本工作原理是必不可少的。了解怎樣去完成整個設(shè)計的全過程也是必須要做的。因此需要查閱近幾年有相似研究的資料和學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識。需要在參考前人設(shè)計的基礎(chǔ)上去完成這套氣象監(jiān)測系統(tǒng)的所有要求。為了使這套氣象監(jiān)測系統(tǒng)圓滿完成，下列準(zhǔn)備工作是必須要完成的：進(jìn)行與本設(shè)計相關(guān)的研究報告的閱讀：去查找和氣象觀測控制系統(tǒng)有相似之處的研究報告或者是去觀看一些實物的操作視頻。選擇制造氣象監(jiān)測系統(tǒng)的元器件：根據(jù)氣象觀測系統(tǒng)的設(shè)計要求去選擇性價比更高，操作更簡單又能滿足每一個設(shè)計要求的元器件進(jìn)行研發(fā)。考慮各個模塊功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)：因為氣象監(jiān)測系統(tǒng)要檢測外界環(huán)境很多的氣象數(shù)據(jù)，所以在選擇相關(guān)的硬件模塊后需要進(jìn)行驗證，驗證方法可以是編寫每個模塊的相應(yīng)程序進(jìn)行檢驗，如果有什么不符合設(shè)計要求的地方以便及時改正。1.4論文工作安排第1章緒論：簡述有關(guān)氣象監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展歷程和價值，還有關(guān)于氣象監(jiān)測系統(tǒng)的當(dāng)今發(fā)展?fàn)顟B(tài)，再加上分析此次系統(tǒng)研發(fā)需要進(jìn)行的探究工作和未來的研究方向。第2章整體方案設(shè)計：詳細(xì)介紹本次系統(tǒng)設(shè)計需要滿足消費者的哪些要求。還有進(jìn)行方案的選擇，原則上是選擇性價比更高，滿足設(shè)計要求，操作也簡單的硬件來實現(xiàn)硬件電路以及整體設(shè)計方案。第3章硬件電路設(shè)計：闡述了氣象監(jiān)測系統(tǒng)所用到的硬件電路，包括其引腳功能，實現(xiàn)原理和功能等。解釋各個硬件模塊在這個氣象觀測系統(tǒng)里擔(dān)任什么角色，這些模塊的功能和注意事項有哪些，優(yōu)點又有哪些。第4章軟件設(shè)計：根據(jù)硬件模塊的設(shè)計進(jìn)行程序編寫，軟件與硬件結(jié)合以便整個氣象監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)。第5章總結(jié)：為開發(fā)出整個系統(tǒng)的工作，做出了總結(jié)和分析，以及以后的改進(jìn)方向和將前進(jìn)的方向。

第2章整體方案設(shè)計2.1設(shè)計要求設(shè)計該氣象觀測的系統(tǒng)，需要實現(xiàn)的功能有很多，比如：檢測主要數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)據(jù)的傳輸以及智能控制等功能。除了這些需要實現(xiàn)的功能之外，還需要綜合考慮其他方面的有關(guān)性能，以確保系統(tǒng)的實現(xiàn)。數(shù)據(jù)更新快：因為這是一套氣象監(jiān)測系統(tǒng)，氣象數(shù)據(jù)受外界環(huán)境的影響，而外界環(huán)境又變化多端，所以這套系統(tǒng)的設(shè)計需要數(shù)據(jù)采集更新迅速，如果反應(yīng)不及時，就會導(dǎo)致最終接收的數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題。那么就代表這套系統(tǒng)是失敗的。而且數(shù)據(jù)更新快的話會給用戶帶來更好的體驗感。適應(yīng)能力強：因為氣象監(jiān)測系統(tǒng)主要使用于戶外監(jiān)測，那么就要考慮到這套系統(tǒng)的適應(yīng)能力是否可以適應(yīng)環(huán)境的各種變化，在極端天氣情況下，這套裝置還能否工作。如果這套系統(tǒng)無法適應(yīng)惡劣的環(huán)境變化的話，那就意味著這次的系統(tǒng)設(shè)計沒有任何價值，因此在考慮成本的同時也不能忽略各個模塊的性能要求。性價比高：現(xiàn)在我國是一個制造大國，我國的人工智能技術(shù)也愈發(fā)成熟。所以很多投資人，企業(yè)對于公司在這一方面的發(fā)展也是越來越嚴(yán)格，如今這智能類開發(fā)市場上的產(chǎn)品多得是數(shù)不勝數(shù)。這次系統(tǒng)設(shè)計不僅要完成所有的設(shè)計要求，還要遵循性價比高，成本低，效率高的原則，去構(gòu)思一個最適合這個氣象監(jiān)測系統(tǒng)的一個方案。在構(gòu)思硬件電路和編寫軟件代碼的時候，要以硬件電路美觀，軟件設(shè)計方便，快速合適為基本要求。這樣就使這個氣象觀測系統(tǒng)在很多競爭對手中脫穎而出。2.2系統(tǒng)設(shè)計方案選擇一個方案的確定需要考慮各個方面。本次設(shè)計的氣象觀測系統(tǒng)有兩種核心控制電路：想法一是非智能控制電路，想法二是智能控制電路。方案一：非智能控制電路，如果氣象監(jiān)測系統(tǒng)采用這種控制電路的話，需要選擇很多不同的元器件去合理組合，這樣的話就會給整個設(shè)計系統(tǒng)造成很多麻煩，系統(tǒng)中的電壓和電流需要很多電容和電阻去分壓和分流才能是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的要求，但是還有可能會對整個電路造成影響，過程繁雜且沒有穩(wěn)定性，靈敏性太低且操作麻煩。方案二：智能控制電路。如果氣象監(jiān)測系統(tǒng)采用智能控制電路的話，只需要選擇可以編寫代碼的核心控制芯片作為中心，這類芯片就相當(dāng)于電腦的中央處理器，芯片的內(nèi)部集成了和電腦內(nèi)核一樣的控制器等，可以操控系統(tǒng)中的硬件模塊有秩序的運行。根據(jù)對電路設(shè)計的兩個方案的對比，為了避免繁雜眾多的操作步驟，使整套系統(tǒng)平穩(wěn)運行，因此選擇智能控制電路來作為系統(tǒng)的硬件電路。2.3元器件選擇2.3.1主控芯片選擇方案一：STC89C52單片機，STC89C52單片機自身擁有功能損耗、速率高、成本低廉的優(yōu)點，采用八位的互補金屬氧化物半導(dǎo)體控制器。內(nèi)有八千閃存，可以存儲大量程序，編寫程序的時候反應(yīng)迅速，可靠性強，因為單片機內(nèi)部有八千閃存，所以在嵌入式軟件中編程的時候出現(xiàn)的問題可以很好的得到解決。進(jìn)而實現(xiàn)反應(yīng)速度更快，可靠性更強的性能和創(chuàng)造更高的價值。簡約便利，更智能環(huán)保。此外STC89C52單片機還具在出現(xiàn)故障時，能夠起到功能保護(hù)的作用。實現(xiàn)了單片微型計算機的在突然斷電的情況下保護(hù)正在運行的數(shù)據(jù)不會因斷電而丟失或損壞，確保設(shè)施的安全。方案二：采用意法半導(dǎo)體集團開發(fā)的芯片，該系列單片機為三十二位的互補金屬氧化物半導(dǎo)體控制器，具有強大的功能、低廉的原材料和功率損耗低的優(yōu)勢。半導(dǎo)體公司生產(chǎn)開發(fā)的內(nèi)核多種多樣，在使用單片機的過程中，采用的三十二位處理內(nèi)核正是由半導(dǎo)體公司生產(chǎn)開發(fā)而來。在該內(nèi)部結(jié)構(gòu)執(zhí)行命令時，三十二位處理內(nèi)核的速度更快，此類單片機的性能高也正得益于此。根據(jù)對這兩個關(guān)于主控器件選擇的方案，以上兩類主控芯片都有很多優(yōu)勢，不過相比意法半導(dǎo)體集團開發(fā)的芯片，從其綜合性價值比來說，52單片機已經(jīng)滿足系統(tǒng)需求，為了更方便簡單而快捷有效的進(jìn)行系統(tǒng)檢測和信號輸出，所以這套氣象觀測系統(tǒng)的主控芯片選擇STC89C52單片機。2.3.2顯示模塊選擇方案一:數(shù)碼顯示管，數(shù)碼顯示管是以阿拉伯?dāng)?shù)字為顯示形式的顯示器，功能比較簡單，顯示較為直觀，更容易讓人讀懂，與此同時還要考慮到能否完成較大工作量及顯示的數(shù)據(jù)種類是否能達(dá)到要求，如果只需達(dá)到數(shù)據(jù)顯示要求以及工作量小的目標(biāo)，就可以選擇數(shù)碼顯示管作為顯示模塊，況且數(shù)碼顯示管的成本低和操作更容易上手。方案二：選擇OLED顯示屏[4],OLED顯示屏的屏幕更大，可以顯示更多的數(shù)據(jù)，而且操作還方便，能夠達(dá)到大量數(shù)據(jù)顯示和承受較大的工作量的要求，且操作簡單，只需將引腳對應(yīng)連接即可使用。根據(jù)對上面兩個顯示模塊的方案分析，兩種顯示模塊都各有優(yōu)點。不過因為氣象觀測系統(tǒng)需要檢測很多外界因素，如果選擇數(shù)碼顯示管的話會徒增很多工作量，所以根據(jù)實際情況顯示模塊就選擇OLED顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。2.3.3無線傳輸選擇方案一：無線傳輸系統(tǒng)模塊，Esp8266是一個串行口到無線通信模塊芯片，自帶內(nèi)部可擦可寫只讀存儲器[5]。用戶不需要輸入時鐘信號就可以輕松操作。Esp8266內(nèi)部還自帶有一個32位的中央處理器，且其功耗很小：也可作為MAP服務(wù)數(shù)據(jù)單元和MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元聚合，保護(hù)間隔一般僅為0.4s，不但支持靜態(tài)時序分析/無線接入點/靜態(tài)時序分析+無線接入點的工作模式，而且還支持WIFI網(wǎng)絡(luò)安全存取或者無線網(wǎng)絡(luò)的加密方式的安全模式，通過美國聯(lián)邦通信委員會、安全合格標(biāo)志、技術(shù)法規(guī)符合性認(rèn)證、國際WI-FI聯(lián)盟組織和國家無線電管理委員會認(rèn)證[6]。方案二：無線傳輸還可以是藍(lán)牙模塊[7]，OLED顯示屏上顯示的數(shù)據(jù)可以經(jīng)過藍(lán)牙模塊連接向手機客戶端傳輸，藍(lán)牙模塊可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時發(fā)送和實時接收，手機客戶端打開相應(yīng)的藍(lán)牙APP就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。綜上所述，無線傳輸模塊有無線傳輸和藍(lán)牙傳輸，雖然無線傳輸模塊和藍(lán)牙模塊一樣，但是在氣象觀測系統(tǒng)的設(shè)計要求中，是使用藍(lán)牙模塊進(jìn)行傳輸，所以無線傳輸模塊選擇的是藍(lán)牙模塊。2.4總體設(shè)計方案本設(shè)計是以STC89C52單片機為主控芯片來處理氣象數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)。主要是通過檢測器檢測到的模擬信號，然后通過無線傳輸技術(shù)將信號傳輸至藍(lán)牙應(yīng)用軟件，藍(lán)牙應(yīng)用軟件可以實時查看檢測到的數(shù)據(jù)報告；本系統(tǒng)組成的部分包括STC89C52主控芯片、顯示模塊及各種監(jiān)測數(shù)據(jù)傳感器和藍(lán)牙模塊等組成。氣壓傳感器檢測大氣壓強值的變化是否標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)向、風(fēng)速傳感器則主要檢測風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)力等的一系列風(fēng)力運動的數(shù)據(jù)、雨滴傳感器則會負(fù)責(zé)檢測室外降水變化情況，并將其通過一個模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊來完成將這些被傳感器檢測到的模擬信號自動轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再發(fā)送至單片機[8]，單片機作為本次設(shè)計的控制模塊負(fù)責(zé)處理系列采集設(shè)備獲取到的信號，并通過藍(lán)牙無線傳輸設(shè)備將信號實時傳輸至手機客戶端上，實現(xiàn)用戶在手機藍(lán)牙應(yīng)用上實時查看外界環(huán)境數(shù)據(jù)；從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)指標(biāo)的實時查看的功能。系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖2-1所示：圖2-1系統(tǒng)構(gòu)架圖Fig.2-1Systemarchitecturediagram

第3章硬件電路設(shè)計3.1硬件設(shè)計原則硬件電路的設(shè)計是本次研究重要的一部分。因此為了讓本次設(shè)計能夠在實現(xiàn)所有要求的同時還要遵循高效，節(jié)能環(huán)保的基本原則。(1)在設(shè)計硬件電路之前，要考慮到電路的穩(wěn)定性和復(fù)雜性，結(jié)合設(shè)計要求及各個模塊的性能進(jìn)行期間的選擇，以達(dá)到高效、簡潔、環(huán)保的目的。(2)硬件電路的設(shè)計需要多方面去考慮，要保證這套氣象監(jiān)測系統(tǒng)的采集設(shè)備檢測到的信號沒有問題，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，并且整套系統(tǒng)能夠承受惡劣環(huán)境的影響。了解檢測設(shè)備的基本性能，保證硬件電路的平穩(wěn)運行。(3)本套系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)遵循智能、節(jié)能、高效、環(huán)保的原則。3.2單片機電路從設(shè)計的可行性出發(fā)，硬件電路器件的選擇應(yīng)符合智能、節(jié)能、高效、環(huán)保的原則。通過選擇STC89C52主控芯片和相應(yīng)的外設(shè)電路組成本次設(shè)計的硬件電路，選擇主控芯片的主要目的是其具有很強的抗干擾能力、處理數(shù)據(jù)效率高、耗功率比較低。足以實現(xiàn)本系統(tǒng)設(shè)計。STC89C52的額定工作電壓為3.3V-5.5V，運行時的頻率控制在0~40MHz，相當(dāng)于普通8051的頻率0-80MHz，片上可集成512字節(jié)RAM[9]。使用迅速且方便，單片機的平穩(wěn)運行需要晶振電路作保障，頻率的穩(wěn)定可以抵消外部信號的干擾；因此常常需要參考頻率。以此保證電路的頻率準(zhǔn)確性。一般的晶振電路的頻率為12兆赫茲，選擇的電容會影響晶振頻率的穩(wěn)定。為了加快CPU的工作效率，往往在晶振電路上加上時鐘信號頻率。此外，為使振蕩器能夠可靠的工作，電容器和晶振電路與微控制器的距離要非常近。復(fù)位電路位于每臺單芯片計算機中，用于微控制器的初始化。最小系統(tǒng)示意圖如下圖所示：圖3-1最小系統(tǒng)電路原理圖Figure3-1Schematicdiagramoftheminimumsystemcircuit3.3數(shù)據(jù)顯示模塊本系統(tǒng)顯示模塊主要用于對氣象信息的顯示，對此，根據(jù)氣象觀測系統(tǒng)的要求選擇OLED液晶顯示屏,OLED液晶顯示屏的屏幕更大，可以顯示兩行多字節(jié)，所以就可以顯示更多的數(shù)據(jù)，而且操作還方便，不需要其他多個連接口，只需將引腳對應(yīng)連接即可，就能夠達(dá)到大量數(shù)據(jù)顯示和承受較大的工作量，且性價比高。電路原理圖如圖3-2所示：圖3-2數(shù)據(jù)顯示模塊原理圖Figure3-2Datashowsaschematicdiagramofthemodule3.4藍(lán)牙無線傳輸模塊本設(shè)計當(dāng)中利用藍(lán)牙模塊實現(xiàn)信號的無線傳輸，該模塊不需要對其進(jìn)行開發(fā)，可以利用藍(lán)牙模塊的AT指令進(jìn)行信號的模擬傳輸。并且該模塊功耗以及價格都比較低，多種模式的配置能夠方便后續(xù)的開發(fā)。藍(lán)牙模塊的使用，可以讓目前市面上使用無線串口技術(shù)的電子設(shè)備，能夠擺脫線纜的約束，實現(xiàn)真正意義上的無線串口通信[10]。使用這類模塊完全可以不用再知道那些繁雜難懂的藍(lán)牙底層協(xié)議，該模塊的4個AT指令分別代表了不同的操作命令。其原理圖如下圖所示：圖3-3藍(lán)牙模塊原理圖Figure3-3SchematicdiagramoftheBluetoothmodule3.5數(shù)據(jù)采集模塊3.5.1風(fēng)向傳感器本次設(shè)計所選用到的風(fēng)向傳感器是PR-3000-FXJT風(fēng)向傳感器，外殼所用到主要材質(zhì)的是聚碳酸酯復(fù)合材料，這種材料再防塵隔熱和防風(fēng)、防暴曬等方面具有很好的效果以及耐扛沖擊，風(fēng)向傳感器的原理主要就是通過控制風(fēng)向箭頭軸的旋轉(zhuǎn)運動來快速進(jìn)行自動檢測外部風(fēng)向變化和可以自動的感測接收到外部傳來的風(fēng)向信息，并可直接將風(fēng)向信息自動傳輸?shù)酵S碼盤上，同時存儲可被輸出相應(yīng)的外部風(fēng)向信息相關(guān)值的一種物理裝置[11]。風(fēng)向傳感器可以測量室外環(huán)境中近地面的風(fēng)向[12]，通常與風(fēng)速傳感器配合使用。根據(jù)光電信號轉(zhuǎn)換原理，準(zhǔn)確輸出相應(yīng)方位的風(fēng)向信息，經(jīng)過電壓的信號傳輸正確的風(fēng)向，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換處理后向單片機輸出風(fēng)向信息,電路原理如圖3-4所示：圖3-4風(fēng)向傳感器原理圖Figure3-4Schematicdiagramofthewinddirectionsensor3.5.2風(fēng)速傳感器 本次系統(tǒng)設(shè)計主要選擇了PR-3000-FSJT風(fēng)速變送器，風(fēng)速傳感器系統(tǒng)是指一種實時測量室外風(fēng)速信息的便攜式裝置，能夠更有效精準(zhǔn)地及時獲取風(fēng)速信息。外殼取材來自于聚碳酸酯等復(fù)合材料，有抗老化、防水、耐腐蝕等多種優(yōu)點；擁有便捷、安全性高、可靠性強的特點的精密傳感儀器[13]。根據(jù)氣流方向產(chǎn)生脈沖的風(fēng)驅(qū)動傳感器順時針旋轉(zhuǎn)，中心軸逆時針驅(qū)動風(fēng)機內(nèi)部的傳感器轉(zhuǎn)動產(chǎn)生脈沖信號，在風(fēng)速的測量精度范圍內(nèi)，根據(jù)實際風(fēng)速變化與傳感器脈沖頻率的線性關(guān)系可計算出風(fēng)速。其電路原理圖如下：圖3-5風(fēng)速傳感器原理圖Figure3-5Schematicdiagramofthewindspeedsensor3.5.3液位傳感器本次設(shè)計選擇采用液位傳感器來監(jiān)測降雨量的水位情況，雨滴傳感器用于檢測是否降雨，在液位檢測系統(tǒng)中，液位傳感器檢測降雨量水位的上升或下降[14]，然后通過控制器轉(zhuǎn)換檢測到的液位情況。再根據(jù)被轉(zhuǎn)換后的信號，單片機就會將檢測到降雨量的多少顯示在液晶顯示器上。其電路原理圖如圖3-6：圖3-6液位傳感器原理圖Figure3-6.Schematicdiagramoftheliquidlevelsensor3.5.4溫濕度傳感器本次設(shè)計選擇采用溫濕度傳感器的技術(shù)應(yīng)用來真正實現(xiàn)環(huán)境中的溫濕度檢測。采用的硬件芯片是DHT11數(shù)字溫濕度[15]，DHT11數(shù)字溫濕度的檢測模塊是現(xiàn)在比較普遍使用的便攜式溫濕度采集設(shè)備之一，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器包括一個電容式感時元件和一個負(fù)溫度系數(shù)測溫元件。它們的電路原理圖如圖3-7所示：圖3-7溫濕度傳感器電路原理圖Figure3-7Schematicdiagramofthetemperatureandhumiditysensorcircuit3.5.5氣壓傳感器本次設(shè)計選擇采用氣壓傳感器來測量環(huán)境的氣壓數(shù)據(jù)，氣壓傳感器是專門用于測量氣體壓力的傳感器，如果當(dāng)被測氣體的壓力有減小或增大時，傳感器內(nèi)的薄膜變形驅(qū)動套管的電阻器電阻會發(fā)生變化，從而獲得變化的信號電壓[16]，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)街骺刂茊卧衃16]。其電路原理圖如圖3-8：圖3-8氣壓傳感器原理圖Figure3-8Schematicdiagramoftheairpressuresensor

第4章軟件設(shè)計4.1設(shè)計思路在本文所設(shè)計的基于單片機控制技術(shù)的氣象監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計沒有問題之后，那么后面就是要根據(jù)整個系統(tǒng)的運行情況來編寫能夠?qū)崿F(xiàn)所有功能要求的代碼，讓各個檢測模塊采集外界環(huán)境數(shù)據(jù)，這項步驟完成以后，然后將檢測模塊檢測到的數(shù)據(jù)放入寄存器，進(jìn)而將寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)的邏輯整理，之后對全部的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，這樣做的優(yōu)點就是能夠全面的考慮到有些誤差較大的采集數(shù)據(jù)，最后再對所有環(huán)境數(shù)據(jù)執(zhí)行處理命令。不過為了讓整個系統(tǒng)使用壽命更長，后續(xù)的維護(hù)更便利的話，是建議將整個系統(tǒng)的每一個模塊的功能都進(jìn)行封裝。將每一個模塊的功能和器對應(yīng)的子函數(shù)進(jìn)行封裝，這樣做的好處就是，如果在某次檢測實驗是不需要用到的一些模塊，就無需調(diào)用該模塊的子函數(shù)。如果是需要全部模塊都要工作的話就調(diào)用全部模塊的子函數(shù)即可。這樣的操作對于程序的處理和整個系統(tǒng)的邏輯數(shù)據(jù)的采集都是有利的。不過在進(jìn)行程序運行的同時，還要考慮到硬件電路可能會出現(xiàn)的一些錯誤，例如檢測系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，或者出現(xiàn)誤差比較大，這時就需要在每個模塊的控制程序中加入一些限制，或者是數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時給出一些信號提醒工作人員對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。上述方法是為了整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)封裝并延長系統(tǒng)的使用壽命。而且模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝以后不會影響后續(xù)的新功能添加和技術(shù)維護(hù)。其基于單片機控制技術(shù)的氣象監(jiān)測系統(tǒng)的使用壽命更長。優(yōu)異的編程軟件可以帶來減少很多不必要的麻煩，以下是軟件編程的幾個優(yōu)點。每個因素的數(shù)據(jù)采集模塊采集獲取的數(shù)據(jù)可以獨自獲取，不需要全部模塊一起運行。而且接收到的數(shù)據(jù)被反饋出去也可以獨自運行，這樣就更加方便控制系統(tǒng)對每一個檢測模塊實施數(shù)據(jù)核查和排除錯誤。在每個模塊的控制程序中加入一些限制，或者是數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時給出一些信號提醒，如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常工作人員可以根據(jù)提醒信號對有異常的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。進(jìn)行封裝的整個系統(tǒng)可以延長系統(tǒng)的使用壽命。而且模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝以后不會影響后續(xù)的新功能添加和技術(shù)維護(hù)。4.2編程環(huán)境及語言簡介KEIL編程軟件是這次氣象監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計選擇的編程軟件。KEIL編程軟件是為硬件電路實現(xiàn)其功能而特意開發(fā)的。這個編程軟件功能十分豐富，可以實現(xiàn)很多編程，所以這次設(shè)計首選KEIL編程軟件。這個軟件可以編寫多個主程序，然后在編寫各個主程序的head文件。將主程序和head文件結(jié)合運行，就能夠迅速創(chuàng)造一個模塊配置文件。在整個程序運行完成之后，會生成HEX文件。因為這個編程軟件的編程界面排版很合理，所以開發(fā)人員在使用這個軟件的時候是很容易上手的。本次氣象監(jiān)測系統(tǒng)的軟件邏輯實現(xiàn)編程語言選擇C語言，因為所學(xué)的專業(yè)從大一開始接觸C語言，而且單片機控制技術(shù)也是學(xué)習(xí)過的，所以這次設(shè)計選擇C語言結(jié)合單片機控制技術(shù)來實現(xiàn)觀測系統(tǒng)的所有要求。如果選擇其他編程語言的話，難度將大大提升，因為大學(xué)期間沒有接觸過其他編程語言，有接觸過的編程語言但是也沒有C語言這么熟悉，如果再去學(xué)習(xí)其他的編程語言的話工作量太大，而且還要花大量的實踐來學(xué)習(xí)，這就有點事倍功半了。更何況單片機控制技術(shù)是學(xué)習(xí)過的課程，更好上手，與整個系統(tǒng)實現(xiàn)功能的邏輯相似，所以能夠?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的功能選擇C語言就可以了，不再需要其他編程語言。4.3主流程序設(shè)計氣象監(jiān)測系統(tǒng)主要分為兩個部分，單片機主控制系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程終端系統(tǒng)。單片機控制系統(tǒng)上電后可通過定時器來間隔接收藍(lán)牙通信信息，當(dāng)接收到的控制信息有變化的時候會通過設(shè)置更新子程序更新信息到監(jiān)控控制系統(tǒng)，同時會同步到遠(yuǎn)程客戶端進(jìn)行監(jiān)控顯示。如圖4-1為控制系統(tǒng)的主程序流程圖。圖4-1主流程圖Figure4-1MainFlowDiagram4.4主要模塊子程序設(shè)計4.4.1顯示子程序根據(jù)氣象監(jiān)測系統(tǒng)的要求顯示模塊選擇OLED顯示屏，下面的子程序設(shè)計流程圖是根據(jù)OLED顯示屏的執(zhí)行步驟進(jìn)行設(shè)計。即根據(jù)錄入操作命令、錄入采集數(shù)據(jù)、寫地址的形式針對錄入的采集數(shù)據(jù)輪流進(jìn)行錄入。OLED液晶顯示屏子程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2OLED液晶顯示屏子程序流程圖Figure4-2FlowchartoftheOLEDLCDsubsystem4.4.2無線傳輸子程序根據(jù)氣象監(jiān)測系統(tǒng)的要求，下圖是無線傳輸模塊子程序，下面的子程序設(shè)計流程圖是根據(jù)程序和無線傳輸模塊的執(zhí)行步驟進(jìn)行設(shè)計的。第一步是初始化，查看設(shè)備鏈接是否正常，檢查完畢以后進(jìn)行設(shè)備的互相連接，連接完成之后嘗試信號的發(fā)送或者接收，如果信號發(fā)送或接收成功則說明該通信過程已完成。詳細(xì)流程圖如下圖4-3所示：圖4-3無線傳輸子程序流程圖Figure4-3Flowchartofthewirelesstransmissionsubroutine4.4.3數(shù)據(jù)采集子程序氣象監(jiān)測系統(tǒng)中一個重要的環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集[17]。為提高準(zhǔn)確率，本系統(tǒng)在設(shè)計時對數(shù)據(jù)的采集采用了多次采集和多次校驗的方法。而每次采集的數(shù)據(jù)都會存入單片機的寄存器中。具體操作的工作流程大致是：系統(tǒng)開機及程序初始化啟動以后，溫濕度模塊自動對檢測溫度時的信號進(jìn)行了模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換處理好的溫度數(shù)據(jù)被發(fā)送給單片機，之后存入單片機寄存器中，直接讀取風(fēng)速、風(fēng)向、雨滴檢測模塊發(fā)送給單片機的數(shù)據(jù)[18]，過程與溫濕度相似。氣壓傳感器發(fā)送的是模擬量，需要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后發(fā)送給單片機。數(shù)字量采集流程圖如下圖4-4，模擬量采集流程圖如下圖4-5。圖4-4數(shù)字量采集程序流程圖Figure4-4Flowchartofthedigitalquantityacquisitionprocedure圖4-5模擬量采集程序流程圖Figure4-5Flowchartoftheanalogvolumeacquisitionprocedure本章主要對氣象觀測系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行分析，概括整個氣象檢測系統(tǒng)的軟件方面的構(gòu)思和實現(xiàn)不同功能的流程圖的介紹。根據(jù)設(shè)計思路，完成了本設(shè)計軟件部分的流程圖繪制，并對流程圖的基本思路進(jìn)行了說明。

總結(jié)本設(shè)計基于STC89C52單片機設(shè)計了一款氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試，運行狀態(tài)良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。該設(shè)計基于單片機技術(shù)，整合各類傳感器，對下列氣象數(shù)據(jù)實現(xiàn)了采集和處理：風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、雨量和溫濕度。本設(shè)計在硬件方面使用了風(fēng)向風(fēng)速采集儀器、氣壓檢測以器、雨滴采集儀器、溫濕度采集設(shè)備以及藍(lán)牙無線傳輸模塊。這些采集設(shè)備通過單總線、AD轉(zhuǎn)換模塊與單片機相連接，建立了氣象數(shù)據(jù)采集的基本結(jié)構(gòu)。在軟件方面，設(shè)計了單片機的控制程序，該程序把獲取的數(shù)字量計算出真實值，通過IIC通訊將數(shù)據(jù)顯示到OLED顯示模塊上，通過串口通訊將數(shù)據(jù)發(fā)送給藍(lán)牙無線傳輸模塊，客戶通過手機連接藍(lán)牙，打開軟件就可以看到氣象數(shù)據(jù)。在設(shè)計過程中，風(fēng)向傳感器的測試是遇到問題最多的一個模塊，因為獲取的是數(shù)字量，需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換算出真實值并設(shè)計程序，還要檢測每個方向的電壓是否在范圍內(nèi)，誤差是否合格。本設(shè)計有一些可以改進(jìn)之處，如換用速度更快的單片機，可以將整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度進(jìn)行提升。本文完成的主要內(nèi)容如下：實現(xiàn)直接通過溫濕度傳感器自動檢測室外溫度參數(shù)和環(huán)境濕度信息；實現(xiàn)通過氣壓傳感器檢測大氣壓強；實現(xiàn)通過風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器進(jìn)行實時跟蹤檢測風(fēng)速和風(fēng)向；實現(xiàn)通過雨滴傳感器模擬檢測降雨量；實現(xiàn)液晶顯示屏實時顯示溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向和降雨量；(6)實現(xiàn)將液晶顯示屏上的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊實時傳輸?shù)绞謾C上。本課題完成的氣象監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點在于方便接收監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)，如果遇到實時接收的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，監(jiān)測人員可以迅速發(fā)現(xiàn)問題所在，并給出相應(yīng)的解決方案。缺點在于風(fēng)向和風(fēng)速傳感器需要10V~30V的電壓單獨供電，因為條件有限，所以在設(shè)計的時候是使用電池供電，但是電池的電壓達(dá)不到所需電壓就需要更換電池。如果帶負(fù)載能力不夠的話會導(dǎo)致風(fēng)向和風(fēng)速傳感器出現(xiàn)運轉(zhuǎn)錯誤和不能運轉(zhuǎn)的情況。此時就會導(dǎo)致實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有誤。本次課題設(shè)計最終完成了基本要求，但是成品還存在一定的不足，后續(xù)需要更加完善和實現(xiàn)一些存在的問題和功能。在將來，可以通過一個穩(wěn)定的電源電壓給風(fēng)速和風(fēng)向傳感器供電，就不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象，效率和可靠性會更高。

參考文獻(xiàn)[1]