基于單片機(jī)的自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

雷文禮　任新成　曹新亮

摘 要： 隨著電子技術(shù)和氣象監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代氣象監(jiān)測(cè)已經(jīng)由原來(lái)的人工監(jiān)測(cè)逐步過(guò)渡到自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)接收部分和上位機(jī)組成。數(shù)據(jù)采集部分負(fù)責(zé)采集溫濕度等數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)接收部分負(fù)責(zé)將采集到的溫濕度等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行顯示，并發(fā)送到上位機(jī)保存及后續(xù)處理。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、精度高、操作應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水文、軍事、倉(cāng)庫(kù)、機(jī)場(chǎng)、科學(xué)研究等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： STC89C51； 氣象監(jiān)測(cè)； 數(shù)據(jù)信息； 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）19?0121?04

Abstract： With the continuous improvement of electronic technology and weather monitoring technology， modern weather monitoring has been transited from artificial monitoring to automatic weather monitoring gradually. An automatic weather monitoring system based on single chip microcomputer is designed， which is consisted of data acquisition part， data reception part and host computer. Data acquisition part is responsible for collecting temperature and humidity data information， data reception part is in charge of displaying the collected temperature and humidity data information， and the displayed data information is sent to the host computer for saving and subsequent processing. This system has good stability， high precision， wide operation and application range， and strong adaptability， and can achieve unattended operation. The system can be widely used in agriculture， hydrology， military affairs， warehouse， airport， scientific research and other fields.

Keywords： STC89C51； weather monitoring； data information； monitoring system

大氣現(xiàn)象和氣候的變化與人們的生產(chǎn)和生活有很大的聯(lián)系。進(jìn)行氣象監(jiān)測(cè)，開(kāi)展氣象預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)、科學(xué)研究是生態(tài)監(jiān)測(cè)研究的重要領(lǐng)域之一。隨著電子技術(shù)和氣象監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代氣象監(jiān)測(cè)已經(jīng)由原來(lái)的人工監(jiān)測(cè)逐步過(guò)渡到自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)。自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)人工氣象監(jiān)測(cè)具有穩(wěn)定性高[1]、精度高、操作應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水文、軍事、倉(cāng)庫(kù)、機(jī)場(chǎng)、科學(xué)研究等領(lǐng)域。

1 自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)接收部分和上位機(jī)三部分組成[2]。其中，數(shù)據(jù)采集部分負(fù)責(zé)溫濕度等數(shù)據(jù)信息的采集，數(shù)據(jù)接收部分將采集到的溫濕度等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行顯示并發(fā)送到上位機(jī)保存，上位機(jī)主要負(fù)責(zé)后續(xù)數(shù)據(jù)的處理工作。同時(shí)，該系統(tǒng)具有超限報(bào)警功能，當(dāng)溫度或空氣中的濕度大于設(shè)定值，將發(fā)出一個(gè)警告[3]。系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送部分和接收部分如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分功能如下：

（1） 采集現(xiàn)場(chǎng)溫濕度等氣象數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)傳給主控制器處理。

（2） 將主控制器處理完的現(xiàn)場(chǎng)溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線傳輸模塊傳送。

數(shù)據(jù)接收部分功能如下：

（1） 接收數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分發(fā)送的現(xiàn)場(chǎng)溫濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器處理。

（2） 主控制器將數(shù)據(jù)處理后傳送給LCD1602液晶屏顯示。

（3） 將數(shù)據(jù)結(jié)果上傳給上位機(jī)保存及后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理。

同時(shí)，系統(tǒng)提供一種安全警報(bào)，可以預(yù)先設(shè)定溫濕度，一旦超過(guò)設(shè)定溫度或濕度，將發(fā)出一個(gè)警告，適用于一般溫室蔬菜大棚。

2 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要涉及數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)接收部分。上位機(jī)由一臺(tái)臺(tái)式電腦構(gòu)成[5]。

其中，數(shù)據(jù)采集部分主要包含單片機(jī)模塊STC89C51、氣象信息采集模塊DHT11、電源模塊和無(wú)線傳輸模塊。電路圖如圖2所示[6]。

接收部分主要包含單片機(jī)模塊STC89C51、顯示模塊、鍵盤(pán)模塊、無(wú)線傳輸模塊、蜂鳴器模塊和電源模塊。電路圖如圖3所示。

2.1 控制器選擇

本文采用STC89C51單片機(jī)作為核心控制器[7]，作為新一代核心控制器，其具有高速、低功耗等特點(diǎn)，工作頻率最高可達(dá)到25 MHz，工作電壓分為5 V型號(hào)和3.3 V型號(hào)，可以完成ISP在線編程功能，其內(nèi)部具有E2PROM，可以在程序中修改，斷電不丟失數(shù)據(jù)。同時(shí)還增加了兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)等。endprint

2.2 溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊

本文設(shè)計(jì)采用DHT11作為溫濕度采集模塊。DHT11溫濕度傳感器內(nèi)部帶有A/D轉(zhuǎn)換器，具有穩(wěn)定性高、可靠性好、體積小、低功耗、信號(hào)傳輸距離可達(dá)到20 m等特點(diǎn)。其通過(guò)單總線與單片機(jī)連接，簡(jiǎn)單方便，傳輸時(shí)鐘信號(hào)或者數(shù)據(jù)信號(hào)都可在該線上進(jìn)行。因?yàn)镈HT11不需要放大電路，所以采集模塊只有DHT11傳感器與一個(gè)10 kΩ的上拉電阻組成。

2.3 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊

無(wú)線傳輸模塊是溫濕度信息可靠傳輸?shù)谋Ｕ?，本文?jīng)比較選用nRF24L01型號(hào)無(wú)線收發(fā)模塊[8]。nRF24L01型號(hào)模塊內(nèi)部采用GFSK進(jìn)行調(diào)制，工作電壓為1.9～3.6 V，其最大發(fā)射功率為1 mV，瞬間最大工作電流小于15 mA， 通常工作在2.400～2.524 GHz頻率，電源關(guān)掉情況下功耗為400 mA，在待機(jī)模式下的功耗是32 μA，芯片上的電壓調(diào)節(jié)器，可在1.9～3.6 V低電壓工作，空曠地通信距離可達(dá)20 m以上。無(wú)線傳輸模塊和無(wú)線接收模塊成對(duì)使用，都利用nRF24L01構(gòu)成無(wú)線收發(fā)電路。

3 軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用程序根據(jù)系統(tǒng)組成部分的不同，也可分為數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分和接收部分。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是將傳感器采集到的溫濕度數(shù)字信號(hào)發(fā)送到接收部分，并經(jīng)過(guò)程序處理后，在LCD1602液晶顯示屏上顯示，最后將信息保存在上位機(jī)，為后續(xù)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析與處理提供保障。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

3.1 溫濕度采集模塊

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出開(kāi)始信號(hào)后，溫濕度采集模塊DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，并且采集一次溫度和濕度，采集結(jié)束后，由高速模式轉(zhuǎn)換到低速模式，如果DHT11沒(méi)有收到主控制器發(fā)送的開(kāi)始信號(hào)，則不會(huì)進(jìn)行溫度和濕度的采集?？偩€被拉低的時(shí)間必須大于18 ms， DHT11才能檢測(cè)到開(kāi)始信號(hào)。溫濕度數(shù)據(jù)模塊流程圖如圖5所示。

3.2 顯示模塊

本次使用了LCD1602，所以有16個(gè)引腳，11個(gè)與單片機(jī)的I/O口連接和通信，其中8個(gè)為數(shù)據(jù)引腳，另外3個(gè)作為控制引腳。通過(guò)改變3個(gè)控制引腳的電平，可以對(duì)1602液晶進(jìn)行寫(xiě)命令、讀命令、寫(xiě)數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù)的操作，從而控制1602液晶。顯示模塊的程序流程圖如圖6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)接收部分和上位機(jī)組成。數(shù)據(jù)采集部分負(fù)責(zé)采集溫濕度等數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)接收部分負(fù)責(zé)將采集到的溫濕度等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行顯示，并發(fā)送到上位機(jī)保存及后續(xù)處理。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、精度高、操作應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水文、軍事、倉(cāng)庫(kù)、機(jī)場(chǎng)、科學(xué)研究等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1] 張冬林，李鑫，戴梅，等.基于DHTll的低成本蠶室溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010（18）：14?15.

[2] 曾曉英，姜虹，羅朝斌，等.溫濕度對(duì)普通蠶品種吐平面絲成績(jī)的影響[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009（5）：126?127.

[3] 吳政江.單片機(jī)控制紅外線防盜報(bào)警器[J].電子制作，2006（12）：26?27.

[4] 宋文緒，楊帆.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5] 余錫存，曹國(guó)華.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[6] 唐桃波，陳玉林.基于AT89C51的智能無(wú)線安防報(bào)警器[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2003，5（6）：49?52.

[7] 李全利.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[8] 薛均義，張彥斌.MCS?51系列單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2005.endprint