基于單片機(jī)的小型氣象臺系統(tǒng)設(shè)計

孟紫騰 張釗 李東澤

摘要：文章針對各種環(huán)境問題對人們產(chǎn)生的不利影響，為了方便人們提前做好預(yù)防措施，設(shè)計了小型氣象臺系統(tǒng)。設(shè)計以單片機(jī)STC89C52為控制中心，運用相應(yīng)的傳感器完成對環(huán)境中溫度、濕度、風(fēng)速以及PM2.5的數(shù)值采集，對模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之后，通過無線傳輸模塊傳送數(shù)據(jù)，最后在LCD1602液晶顯示屏完成數(shù)據(jù)顯示。測試結(jié)果表明溫度在-20℃～+60℃之間，濕度的數(shù)據(jù)在0.0%～99.99%之內(nèi)，在有煙霧等細(xì)小顆粒存在的狀況下，PM2.5的值較大。

關(guān)鍵詞：小型氣象臺；單片機(jī)；傳感器；無線傳輸

中圖分類號：TP368文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

小型氣象臺系統(tǒng)是目前監(jiān)測天氣的方式之一，在一般場合下主要監(jiān)測風(fēng)速、溫度、濕度以及PM2.5等幾種常規(guī)的項目，也可以增加專用設(shè)備完成對紫外線值、氣壓、風(fēng)向等方面的監(jiān)測。小型氣象臺系統(tǒng)可以應(yīng)用于日常生活中的氣象觀測，也可以應(yīng)用于倉庫管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面，具有操作簡單、成本低、實用性強(qiáng)等優(yōu)勢?？紤]到成本等問題，本設(shè)計采用STC系列單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，其功能部件主要集中在芯片中，體積較小，可以滿足設(shè)計的要求。通過相應(yīng)的傳感器完成信號采集，數(shù)據(jù)處理后無線傳輸?shù)斤@示屏進(jìn)行顯示，實現(xiàn)實時監(jiān)測環(huán)境中的基本參數(shù)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 總體方案設(shè)計

小型氣象臺系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為硬件控制器，通過集成DHT21傳感器、夏普GP2Y1010AUOF傳感器以及三杯式風(fēng)速傳感器完成對溫度、濕度、PM2.5以及風(fēng)速這些基本的氣象參數(shù)的采集，將收集到的模擬量經(jīng)過ADC0832芯片轉(zhuǎn)換，以便控制器進(jìn)行處理，之后利用無線傳輸模塊NRF24L01來傳送數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)在液晶屏上實現(xiàn)顯示。單片機(jī)通過調(diào)用各個模塊的程序來處理相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，其中電源模塊需要5V的USB來進(jìn)行直接供電。小型氣象臺系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

控制系統(tǒng)方案的數(shù)據(jù)量需求不大，電路設(shè)計簡單，且考慮到成本問題，本系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)作為整個中控單元，加上電源電路、晶振電路、復(fù)位電路等部分構(gòu)成了最小系統(tǒng)［1］。晶振電路是由一個12MHz的晶振以及兩個幫助晶振起振的電容C2、C3構(gòu)成，其中兩個電容取值都為30pF。復(fù)位電路由極性電容C1和電阻R1構(gòu)成，其中，電容值為10 μF、電阻值為10 K。P0端口連接大小為10 K的電阻，用作普通I/O端口。除微控制器的最小系統(tǒng)外，還增加了外部接口電路和其他外設(shè)。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

1.3 溫濕度采集模塊

本設(shè)計選用DHT21溫濕度傳感器來完成溫濕度的采集，該傳感器需要5 V的電源供電。準(zhǔn)度大概為濕度±3%RH、溫度±0.3℃，可傳輸20米以上的距離。DHT21傳感器為單總線數(shù)據(jù)輸出格式，通信一次大約需要5ms。在硬件電路設(shè)計中將1引腳接+5 V電源，2引腳接數(shù)據(jù)線，3引腳置空，4引腳接地。

1.4 PM2.5采集模塊

通過GP2Y1010AU0F粉塵傳感器完成對環(huán)境中細(xì)微顆粒物的監(jiān)測。它可測量0.8 μm以上的微小粒子，例如，香煙、花粉、房屋粉塵等。利用傳感器輸出的電壓值的高低來反映空氣中灰塵顆粒的濃度，空氣中香煙等粉塵的濃度越高，電壓值也會相應(yīng)地升高。在硬件電路圖中，GND引腳接地、VCC引腳接電源、TXD引腳連接單片機(jī)，P30引腳用于完成數(shù)據(jù)傳輸。

1.5 AD轉(zhuǎn)換模塊

ADC0832是一種體積小、兼容性強(qiáng)、性價比高的芯片，該芯片具有 8 位分辨率和雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換，工作頻率為 250 KHz，轉(zhuǎn)換時間為32 μs［2］。AD轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)模擬量的轉(zhuǎn)換，方便控制器進(jìn)行處理。它的DODI引腳接單片機(jī)的P10引腳用來傳輸數(shù)據(jù)，CS引腳接MCU的P12引腳使芯片低電平使能，CLK引腳接單片機(jī)P11引腳控制芯片時鐘信號輸入。

1.6 無線傳輸模塊

NRF24L01無線通信芯片具有即時性強(qiáng)、幾乎不延時、超低耗等特點?？諘鐥l件下，經(jīng)過實測，2M傳輸速率下15 m，1M傳輸速率30 m，250 K傳輸速率50 m。在單片機(jī)系統(tǒng)中預(yù)留5個GPIO，1個中斷輸入就可以實現(xiàn)無線通信的功能［3］。無線傳輸模塊的電路連接如圖3所示。

1.7 液晶顯示模塊

采用LCD1602液晶屏完成數(shù)據(jù)的顯示。LCD1602能顯示16個字符×2行，即32個字符［4］。在顯示電路中，第1腳、第2腳分別連接到電路的GND和VCC，引腳2是液晶工作的電源輸入腳。第3腳串聯(lián)一個阻值大小為2 K的電阻并連接到地端，調(diào)節(jié)該電阻來調(diào)節(jié)液晶的對比度。第4、第5、第6腳分別連接到單片機(jī)的P12，P13，P14腳上，其中6腳為液晶的使能引腳。7-14腳連接到單片機(jī)的P0口上。第15、第16腳連接到系統(tǒng)的VCC和GND上。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 總體程序流程圖設(shè)計

首先要對液晶性能和顯示內(nèi)容進(jìn)行初始化，之后進(jìn)行串口的初始化。初始化完成后讀取相應(yīng)的傳感器采集到的溫度、濕度、PM2.5、風(fēng)速的數(shù)據(jù)，之后將測得的數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)揭壕э@示屏上完成測量結(jié)果的顯示，再繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)?？傮w程序流程如圖4所示。

2.2 1602液晶顯示器程序設(shè)計

使用1602液晶顯示器實現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)，若沒有接收到無線模塊傳送過來的數(shù)據(jù)，則液晶顯示屏上顯示“NO NRF24L01”；接收到后，則在顯示屏第一排顯示溫度、濕度以及風(fēng)速，第二排顯示PM2.5值。另外，液晶的顯示工作是一位一位逐個進(jìn)行的。在任務(wù)開始時，對第1個字符進(jìn)行定位后，此后不需要對每個字符都定位，液晶會自動跳轉(zhuǎn)至下一個字符顯示。

2.3 無線傳輸模塊程序設(shè)計

NRF24L01無線模塊在使用時，通過基本的程序指令來完成運行無線模塊，其中包含中斷信號IRQ和一些命令。發(fā)射節(jié)點啟用了IRO和ACK功能后，無線模塊之間可以進(jìn)行通信。發(fā)送模塊接收到接收模塊發(fā)送過來的ACK信號，中斷信號IRO被置低中斷傳輸。如果接收節(jié)點使用IRQ和ACK功能，則在成功進(jìn)行數(shù)據(jù)交換后，在有效數(shù)據(jù)范圍內(nèi)接收數(shù)據(jù)后，中斷信號的IRQ線也會被置低中斷傳輸，同時通知單片機(jī)可以接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 結(jié)語

通電后，等幾秒后各個氣象參數(shù)在顯示屏上正常顯示，溫度精準(zhǔn)到0.1℃，測量范疇在-20℃～+60℃，濕度精確到0.1%，濕度測量范圍為0.0%～99.9%，PM2.5的靈敏度為0.1mg/m3?？梢赃\用小電扇來提供風(fēng)力或者用手推動風(fēng)速傳感器，注意風(fēng)的方向應(yīng)該對著碗狀結(jié)構(gòu)，如果推的方向相反，則不會測量出結(jié)果，即風(fēng)速為0。在不同環(huán)境下有不同的數(shù)值，經(jīng)過多次試驗，顯示屏能清楚地顯示需要的數(shù)據(jù)，各個位置達(dá)到編寫要求，操作方便，采集的數(shù)據(jù)在傳感器合理的范圍內(nèi)，精度也沒問題，基本實現(xiàn)了本次設(shè)計的預(yù)期要求。下一步，計劃將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)缴衔粰C(jī)LabVIEW上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、分析、存儲與處理，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控和報警功能。

參考文獻(xiàn)

［1］胡林林，付龍，吳偉.基于AT89C52單片機(jī)的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.信息技術(shù)與信息化，2021（12）：75-78.

［2］劉曉藝，劉清平，安仕梅.基于STC89C52單片機(jī)的溫度采集與控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.科技廣場，2016（6）：186-188.

［3］李賀，程祥，曾令國.基于nRF24L01芯片的近程無線通信系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（15）：32-34.

［4］趙曉梅.基于單片機(jī)的黑板粉塵監(jiān)測清除裝置設(shè)計［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2021.

（編輯 傅金睿）