基于單片機的自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

林森，胡晴 ，王宇萌通信作者）

1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，吉林 吉林 130012：2.國網(wǎng)冀北電力有限公司懷安縣供電分公司，河北 張家口 076150

0 引言

近年來，氣象監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展迅速，我國在這方面已經(jīng)取得了舉世矚目的成就。氣象監(jiān)測系統(tǒng)為現(xiàn)代氣象業(yè)發(fā)展服務(wù)，提供了豐富的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及監(jiān)測產(chǎn)品。傳統(tǒng)的觀念中的氣象監(jiān)測僅限于借助儀器和目力來對氣象要素進行判斷和測量，涉及范圍十分局限，但隨著自動化和電子信息技術(shù)的發(fā)展，測量技術(shù)以及測量范圍不斷地擴展，自動化監(jiān)測技術(shù)不斷地完善，《戰(zhàn)略研究》中提到了對氣象監(jiān)測的新的解釋：氣象監(jiān)測是對地球上所有的生態(tài)圈的氣候以及氣候變化過程中的多方面數(shù)據(jù)進行采集、記錄以及顯示[1]。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及工作原理

本文研究的氣象監(jiān)測系統(tǒng)是以STC12C5A 60S2單片機為核心，監(jiān)測溫濕度、光照強度、PM2.5濃度、大氣壓強，利用LCD1602液晶顯示器將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏上，控制上下限數(shù)值。當檢測溫濕度不在限定值內(nèi)時，蜂鳴器發(fā)出警報，LED小燈閃爍，同時可以將大氣壓強、光照強度和PM2.5濃度的數(shù)據(jù)通過無線通信技術(shù)傳輸顯示到手機APP上[2]。

系統(tǒng)選用的主要元器件有：STC12C5A60S2單片機、粉塵傳感器、溫濕度傳感器、液晶顯示模塊、氣壓傳感器、光敏傳感器、蜂鳴器、LED小燈、ESP8266芯片，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖

1.2 總體功能

本次設(shè)計是針對氣象監(jiān)測需求設(shè)計一個基于51單片機的采集監(jiān)測顯示系統(tǒng)，具體功能如下：

（1）采用溫度、濕度傳感器對溫度、濕度進行實時測量和采集，并將其傳送至微處理器，通過液晶顯示屏進行顯示，并對現(xiàn)場的天氣狀況進行分析，確定溫度和濕度的閾值。溫度檢測范圍在0～100℃，測溫精度±2℃。濕度檢測范圍0～100%RH，測濕精度在±2%RH。

（2）當溫濕度采集數(shù)據(jù)時，溫度超限時，其一燈亮；濕度超限，其二燈亮。其中之一超限，蜂鳴器報警，具有基本的聲光報警功能。

（3）利用光敏傳感器實時監(jiān)測光照強度數(shù)值，并將數(shù)值傳送到單片機上，由LCD1602顯示。利用粉塵傳感器、氣壓傳感器同樣可實時監(jiān)測PM2.5濃度、大氣壓強數(shù)值。

（4）使用LCD1602液晶顯示器顯示溫濕度、大氣壓強、光照強度、PM2.5數(shù)值。

（5）WiFi模塊將實時采集到的數(shù)據(jù)利用局域網(wǎng)TPC通信傳送到用戶的手機APP上，以便實時查看，實現(xiàn)人機交互。

2 系統(tǒng)的硬件分析

2.1 主控芯片的選擇

根據(jù)本次設(shè)計需要，選用STC12C5A60S2單片機作為主控制器，基于向用戶發(fā)送實時信息功能，選擇STC12C5A60S2微處理器，選擇WiFi通信，STC12C5A60S2微處理器采用靈活的8位CPU，聯(lián)機可編程Flash。因此本研究選用了增強型的8051單片機。

2.2 粉塵傳感器模塊

該傳感器采用了最新的PM2.5探測機制，用于監(jiān)測PM2.5。本儀器利用微粒計數(shù)原理對PM2.5進行探測，能對直徑1微米以上的粉塵進行敏感探測，并帶有可配置為UART的數(shù)字串行接口及定制接口，含有PWM信號輸出。

2.3 光敏傳感器模塊

光敏傳感器包含3個引腳，1引腳接地，2引腳連接電源，3引腳與STC89C52單片機P10端口連接，用于收發(fā)信號，采集數(shù)據(jù)。

2.4 氣壓傳感器模塊

Bmp180是一種氣壓傳感器，具有一個簡單兩線式l2C接口，可以作為微控制器接口與單片機相連，內(nèi)含4根引腳，即氣壓傳感器原理，其中VCC和GND分別接電源和地，其中數(shù)據(jù)線SDI與單片機的P30、P31引腳相連，時鐘線SCL與單片機的P15、P16引腳相連。當Bmp180接收數(shù)據(jù)時，每個數(shù)據(jù)位發(fā)送一個確認ACKS，主機在發(fā)送最后一個確認后，發(fā)送停止條件。Bmp180模塊帶有一個3.3V穩(wěn)壓器，可以與5V的微控制器一起使用[3]。

2.5 聲光報警模塊

本設(shè)計的溫濕度報警電路采用的是2個LED燈和1個蜂鳴器，LED能夠?qū)⒔邮盏降碾娦盘栟D(zhuǎn)化為光信號。在本系統(tǒng)中，當溫度超限時，D5燈亮同時蜂鳴器響；當濕度超限時，D4燈亮同時蜂鳴器響；燈D4、D5分別和STC89C52單片機的P22、P21端口相連。

系統(tǒng)的聲音報警功能由蜂鳴器來實現(xiàn)，晶體管發(fā)射極一端接電源，SS8550晶體管集電極一端接蜂鳴器，蜂鳴器另一端口接地，當溫度或濕度不在限定范圍時，蜂鳴器發(fā)聲報警。

2.6 WiFi模塊

本系統(tǒng)選用的是局域網(wǎng)TPC通信，使用了ESP8266模塊。ESP8266共有6個通用I/O口，其中1、2、3引腳分別是NC、GPIO02、GPIO13引腳，其中NC引腳與STC89C52單片機的P13端口相連；4引腳接地，5引腳接3.3V電源；5、6、7引腳分別是CH_PD、RX、N（7）引腳，恒為低電平，上電后藍燈閃爍0.2秒后熄滅，即可輸入AT指令。

3 系統(tǒng)的軟件分析

3.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

氣象檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計分為幾個方面：主程序、檢測程序、按鍵處理程序、WiFi通信程序。系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

3.2 主程序

本次軟件設(shè)計編程用到的是KEILC51來完成。氣象監(jiān)測系統(tǒng)主程序主要由以下幾個系統(tǒng)組成大氣壓檢測程序、光強檢測程序、溫濕度設(shè)定程序、粉塵檢測程序、按鍵程序、液晶顯示等程序。主程序如下，因為篇幅有限，僅展示部分。

主程序初始化之后，設(shè)定溫濕度上下限數(shù)值，溫度上限位29℃、下限設(shè)定為26℃；濕度上限設(shè)定為50%，下限設(shè)定為20%。共設(shè)置五個按鍵K2-K6，K2、K3控制溫度上限下限數(shù)值，每按下K2一次，溫度上限值增加1℃，K3同理；K4、K5控制濕度上下限數(shù)值，每按下一次，數(shù)值增加1%。按下K6實現(xiàn)液晶顯示界面光強、大氣壓、粉塵、溫濕度的切換。

4 調(diào)試與運行

4.1 原理圖

本次設(shè)計使用Altium Designer軟件來繪制原理圖，如圖3所示。

圖3 原理圖

4.2 系統(tǒng)的性能測試

（1）首先將系統(tǒng)USB供電接口接電源，按下開關(guān)按鈕上電，開機之后液晶顯示屏顯示溫度上下限值為29℃、26℃。

（2）用手機連接“WY WiFi”網(wǎng)絡(luò)，打開氣象檢測APP點擊連接，使其始終保持連接狀態(tài)。

（3）手機APP接入運行界面后，如圖4所示。

（4）接入運行后按下K2，檢測溫度為24℃，超過溫度上限值23℃，警報燈亮同時蜂鳴器響。

（5）當前大氣壓強數(shù)值如圖4所示。

圖4 接入界面

（6）遮擋光強傳感器，光照強度數(shù)值發(fā)生變化。

（7）用手指觸碰溫濕度傳感器，濕度增加，也會發(fā)出警報。

本系統(tǒng)最后將在PCB板上完成各個模塊的組裝和焊接，焊接完成后，主要檢查各個模塊有無少焊、漏焊、短路等情況；其次檢查按鍵模塊，檢查按下功能是否能實現(xiàn)；調(diào)節(jié)溫濕度數(shù)值時，檢查LED小燈和蜂鳴器是否響應(yīng)，WiFi模塊軟件燒錄是否正確。

調(diào)試過程中，光敏傳感器1、2引腳接反了，導(dǎo)致按下按鍵6切換顯示界面時，光照強度沒有數(shù)值，重新修正后，光照強度正常顯示數(shù)值[4-5]。

5 結(jié)語

本設(shè)計以溫濕度、大氣壓、光照、PM2.5濃度為控制對象，設(shè)計了一款基于單片機的自動氣象檢測系統(tǒng)，主要分為數(shù)據(jù)檢測模塊、WiFi無線通信模塊兩大部分，基本實現(xiàn)了對溫濕度、大氣壓強、光照強度、粉塵的數(shù)據(jù)檢測、超限報警功能以及系統(tǒng)設(shè)計初期的設(shè)計要求，完成了手機傳輸顯示數(shù)據(jù)，設(shè)計出了軟硬件方案。

本設(shè)計證明了STC12C5A60S2單片機的諸多優(yōu)勢，根據(jù)目前國內(nèi)外現(xiàn)狀，氣象檢測系統(tǒng)目前被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)上，需要檢測的范圍更廣。但由于本人能力有限，還不能完成溫濕度的高精度檢測，為了保證系統(tǒng)的整體性能和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)仍需改進。