簡易自動氣象觀測站設計2

1系統(tǒng)方案選擇與論證氣象觀測站是一個十分精密的系統(tǒng)，既需要符合規(guī)范的硬件設計，也需要配以合適的軟件系統(tǒng)。從硬件方面來看，氣象站主要由微機處理系統(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)在整個系統(tǒng)當中顯得尤其重要，只有傳感器足夠靈敏，監(jiān)測出來的數(shù)據(jù)才能足夠的準確。從軟件方面來看，編寫程序可以使用的語言有多種選擇，但是為了編寫方便以及后期調(diào)試修改，本設計使用C語言進行程序編寫。設計要求本設計主要研究基于51單片機的實施大氣環(huán)境各個參數(shù)的監(jiān)測，主要研究內(nèi)容有：（1） 實時監(jiān)測大氣環(huán)境的溫度、濕度變化情況；（2） 實時監(jiān)測大氣環(huán)境的壓強、風速變化情況；（3） 實時監(jiān)測降雨量的變化；研究的難點在于整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，各個監(jiān)測模塊能夠長期穩(wěn)定的運行，且互不干擾。整個系統(tǒng)能夠相對精確的及時采集相應的數(shù)據(jù)，并且能夠直觀的觀察。對于監(jiān)測出來的數(shù)據(jù)，要使得精確度維持在一定的范圍，溫度、濕度的監(jiān)測誤差不能超過10%，風力、降水量的監(jiān)測誤差不能超過20%。方案選擇針對本次設計，查閱了相關的資料后，我提出了一下兩個方案：方案一：采用集成化的WS600-UMB氣象傳感器，一步完成各個氣象要素檢測的設計。此傳感器帶有可應用于環(huán)境測量的數(shù)字接口，能夠?qū)崿F(xiàn)對六大基本氣象要素的監(jiān)測，但是其成本高，硬件電路設計復雜，對處理器的要求高，用普通的51單片機無法帶動運轉(zhuǎn)，不能做到簡易的要求，制作出來的產(chǎn)品不便于攜帶。方案二：采用模塊化設計，將幾個要求監(jiān)測的氣象要素分別下放到各個模塊，分別采用相應的簡易傳感器，可便于后期的升級改造，使用51單片機作為處理器，每個模塊配置一個小型顯示器，元器件易于獲取，設計制作簡便，產(chǎn)品便攜。綜合以上兩個方案，為了達到節(jié)省成本、產(chǎn)品便攜等特點，本設計將采用方案二。方案論證方案二將采用單片機STC89C51作為信息處理核心，在實際設計中，根據(jù)需求，增加一定的元件。系統(tǒng)中的51單片機用于接收并處理來自各個傳感器的信號，通過程序運算得出氣象參數(shù)，最終在液晶顯示屏上顯示出來。針對實際的使用環(huán)境，本設計還添加了時鐘功能，方便記錄員在記錄相關數(shù)據(jù)的時候?qū)蠒r間。氣象站供電方面，本設計采用5V直流電源供電。本系統(tǒng)實現(xiàn)一種基于單片機的氣象信息采集系統(tǒng)（即簡易氣象觀測站），整個系統(tǒng)的功能模塊如下圖2-1所示：圖2-1簡易自動氣象站系統(tǒng)框圖方案二設計的自動氣象站主要實現(xiàn)以下幾個功能：（1）利用相關的傳感器模塊，實時采集設計要求中的五個氣象要素，并將采集到的信號傳送給STC89C51單片機進行處理；（2） C51單片機根據(jù)接收到的信號，經(jīng)過程序運行，處理相關信號，實時將處理完成的信號轉(zhuǎn)換成相應的參數(shù)顯示到液晶屏上；（3） 時鐘顯示。根據(jù)實際使用的情況，增加一個時鐘。同時時鐘還有斷電運行的功能，保證時間準確。時間顯示系統(tǒng)是由ds1302時鐘芯片構(gòu)成的，并提供備用電池供電，以確保整個系統(tǒng)在斷電后開機時間還能標準顯示；使用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器進行溫濕度的檢測，這個傳感器精度高，采集數(shù)據(jù)準確，獲得的信號不需要進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，因為芯片本身已經(jīng)含有了校準的數(shù)字信號輸出，電路設計十分簡潔；用BMP085數(shù)字氣壓傳感器進行氣壓數(shù)據(jù)采集，獲得數(shù)據(jù)精度高，可以通過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)測由較為簡單的模擬電路組成，主要由低功率失調(diào)電壓雙比較器LM393構(gòu)成。實際即為將監(jiān)測到的雨滴轉(zhuǎn)換為電壓，與參考電壓進行比較從而輸出比較結(jié)果；風速的監(jiān)測使用霍爾元件通過檢測齒輪所轉(zhuǎn)圈數(shù)，由程序進行相應的處理從而得知齒輪轉(zhuǎn)速，通過數(shù)學計算轉(zhuǎn)換得到風速。以上所有采集的數(shù)據(jù)都經(jīng)過單片機處理轉(zhuǎn)換后由相應的LCD直觀的顯示出相應的數(shù)據(jù)。2硬件選型與簡介簡易自動氣象觀測站系統(tǒng)設計所涉及到的知識眾多，使用到眾多不同的硬件比如單片機、傳感器、時鐘芯片等，不同的硬件選擇，對最終系統(tǒng)的完成具有不同的影響，下面對這些硬件的選型進行簡單討論。STC89C51單片機單片機的選型對于整個系統(tǒng)設計制作具有決定性的作用，單片機選型合適，整個單片機應用系統(tǒng)就會經(jīng)濟可靠；選型不合適，又會造成資源浪費，影響系統(tǒng)運行正常，甚至達不到原先的設計要求。本設計使用的單片機要符合以下幾點要求：（1） 芯片所具備的功能要略大于設計需要，功能實現(xiàn)要通過芯片完成；（2） 經(jīng)過市場檢驗的產(chǎn)品，性能穩(wěn)定，不易出錯；能夠被二次開發(fā)，配備相應的開發(fā)工具、仿真調(diào)試說明等。（3） 在規(guī)定的技術(shù)指標范圍內(nèi)，單片機能正常運行，不影響系統(tǒng)正常；綜合各模塊電路設計的技術(shù)要求，本設計使用51單片機作為數(shù)據(jù)處理核心，根據(jù)系統(tǒng)設計中各種硬件對電壓、數(shù)據(jù)處理、信號讀寫等要求，選型為STC89C51。其片內(nèi)含有Flash程序存儲器、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)置標準51內(nèi)核，機器周期；（2） 工作頻率范圍：0?40MHZ，相當于普通8051的0?8OMHZ；（3） STC89C5xRC對應Flash空間：4KB/8KB/15KB；（4） 內(nèi)部存儲器（RAM）：512B；（5） 定時器/計數(shù)器：3個16位；（6）通用異步通信口（UART）1個；（7）中斷源：8個；（8） 通用I/O口：32/36個；（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測量溫度可以使用DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器，測量濕度可以使用HIH3610集成濕度傳感器，但是使用多個傳感器會增加系統(tǒng)的復雜度，不利于攜帶。經(jīng)過綜合考慮，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能夠同時測量溫度和濕度，大大減輕了系統(tǒng)的復雜程度。DHT11現(xiàn)已用于醫(yī)療行業(yè)、家用電器、汽車、測試檢測設備、自動化控制等眾多領域，得到了市場的廣泛認可，應用環(huán)境十分成熟，便于將氣象站產(chǎn)品推向市場。由一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件構(gòu)成的DHT11傳感器，可以通過信號線與處理器直接相連傳輸數(shù)據(jù)，體積小，使得系統(tǒng)簡潔。選擇DHT11還有一個原因是因為其所具有的卓越性能，比如：(1)濕度測量范圍：20%~95%(0度~50度范圍)；誤差：±5%；溫度測量范圍：0°C?50°C；溫度測量誤差：±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，在單片機規(guī)定范圍內(nèi)；其采樣周期為短，滿足實時監(jiān)測的要求。DHT11模塊封裝為4針單排引腳，使用單總線接口，DATA口連接單片機的I/O口，傳輸串行數(shù)據(jù)。2.6單極霍爾效應開關ES3144風速測量中，出于設計成本的考慮，無法購買昂貴的風速傳感器，故本設計中采用了另一種思路。使用霍爾效應，在風車上安裝一個強磁鐵，風帶動風車轉(zhuǎn)動，利用霍爾傳感器對磁場敏感的特點，測出風車的轉(zhuǎn)速，通過數(shù)學計算，從而得出風速。但是這樣測量出來的數(shù)據(jù)具有比較大的誤差，這也是本設計一個不足之處。人們利用半導體元件并結(jié)合霍爾效應制作成的元件叫做霍爾元件，這種元件一般用于電機中測定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，如錄像機的磁鼓、電腦中的散熱風扇等。經(jīng)過多年的使用，霍爾元件已演變成一個品種多樣、技術(shù)應用成熟的電磁傳感器產(chǎn)品家族，并且在長久的市場檢驗中得到了大眾的認可。本設計的供電電壓為5V,系統(tǒng)允許的工作溫度范圍較寬，而且對于安裝環(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單，綜合考慮，風速測量中將采用單極霍爾效應開關ES3144。ES3144采用雙極技術(shù)制造。電路結(jié)構(gòu)由采用信號放大器的斯密特觸發(fā)電路、霍爾板、反電壓保護器和電壓調(diào)節(jié)器組成。其功能特性包括：快速建立反電壓保護器；工作電壓在3.8V?24V之間；靈敏度高、反應迅速；各種使用環(huán)境都能保

持性能穩(wěn)定；工作溫度范圍寬。ES3144電學及磁場特性如圖3-8(a)、(b)所示:參數(shù)符號最小值腆型值最大值單位工件電斥工件時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鎬出下降時間TfV防-12V,Rl-1.1KH,<；-ZOpfG.13 70,0a)ES3144電學特性(b)ES3144磁場特性圖3-1ES3144電學及磁場特性說明圖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，但是因為其體積較大，購買成本高，并不適合在本次設計中使用。所以本設計中，使用了一個量筒來收集一定時間內(nèi)的降水，然后通過Arduino水位傳感器，模擬輸出低電平，再通過LM393進行電壓比較，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線線跡測量量筒中水量/水滴大小進行水位判斷。將水位信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，輸出的模擬電壓在本次設計中使用的是8位的AD芯片adc0804采集進行模數(shù)轉(zhuǎn)換再經(jīng)過單片機處理輸出。2.8A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804水位傳感器獲得的是模擬信號，但是單片機處理的是數(shù)字信號，所以設計中還需要一個A/D轉(zhuǎn)換器進行信號轉(zhuǎn)換。平常我們設計使用的電路，在使用到A/D轉(zhuǎn)換器時，其分辨率要高于被測量對象的信號最低分辨率。8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為0.04,實際使用中我們只需要選擇8位的A/D轉(zhuǎn)換器就足夠了，而在本設計中，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)的氣壓計含有一個壓敏元件，它可以將待測氣壓轉(zhuǎn)換成容易傳輸和檢測的電流或電壓信號，再通過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)才會誤差小甚至沒有誤差。而采用單片機進行測量控制，不僅能實現(xiàn)基本監(jiān)測功能，還能根據(jù)需要修改，提高產(chǎn)品的環(huán)境適應能力。簡易氣象站中的氣壓監(jiān)測單元，要同時滿足氣壓采集、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。測量中，大部分的工作都可以交由單片機完成，使得電路更加簡潔，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。所以設計中采用了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I2C總線實現(xiàn)與單片機的連接。E2PROM中儲存的11個校準參數(shù)涉及到參考溫度下的靈敏度的溫度系數(shù)、零點漂移以及零點漂移的溫度系數(shù)等。BMP085的氣壓測量范圍為300hPa?1100hPa（海拔高度-500m?9000m）。BMP轉(zhuǎn)換率高，精度高，適合于本次設計使用。2.10液晶顯示器因為本次設計涉及到的監(jiān)測量眾多，故分為三大模塊，每個模塊分別配置一塊液晶顯示器，它們是LCD12864、LCDNokia5110和LCD1602。這三個液晶顯示屏幕的使用緣由有：首先在剛開始做的時候計劃是要測量五個大氣數(shù)據(jù)，但是由于起初計劃要使用自己產(chǎn)生風，并且還要能夠通過按鍵控制自己產(chǎn)生的模擬風的風速以及進行顯示，還有就是要顯示出霍爾傳感器檢測出來的風速，而一般的液晶比如12864本身就只能顯示4行