段瑞珍DUAN Rui-zhen；王仲文WANG Zhong-wen；韓碩HAN Shuo

（哈爾濱理工大學榮成學院，威海 264300）

（Harbin University of Science and Technology Rongcheng College，Weihai 264300，China）

0 引言

大型自動化氣象站設備的價格普遍較高，不利于此類產(chǎn)品的普及和使用[1]。對于校園、船舶、機場等用戶，可以采用電子式氣象站來滿足獲取氣象數(shù)據(jù)的需求，同時也可有效地降低相關成本[2]。本文提出了一種基于STC89C52RC單片機的小型電子氣象站的設計方案，在滿足監(jiān)測要求的同時，并對數(shù)據(jù)進行顯示和記錄，以便相關人員查閱、參考和分析。

1 電子氣象站總體設計

圖1 整體功能與設計示意圖

電子氣象站的整體功能與設計示意圖如圖1 所示。

電子氣象站的硬件部分主要在于設計以STC89C52RC單片機為中心的各個接口電路，包括單片機與溫濕度傳感器、風速傳感器、風向傳感功能模塊、通訊模塊等。軟件部分設計分為兩部分：下位機程序和上位機軟件。下位機程序要完成對各個傳感器或傳感功能模塊的查詢，將信息顯示在液晶屏上，并通過串口發(fā)送給上位機；上位機則要完成對數(shù)據(jù)的接收，在軟件界面內(nèi)顯示，同時完成數(shù)據(jù)的保存記錄以備查詢。

2 硬件設計

2.1 硬件的選型 單片機選擇STC89C52，采用Intel80C31 內(nèi)核，具有高性能、低功耗的特點[3]。在溫濕度傳感器方面，選用了集成化溫濕度傳感器SHT10，具有數(shù)字式輸出，免調(diào)試，免外圍電路，低功耗、高可靠性及全互換的特點。采用JL-FS2 三杯式風速傳感器用來測量當前環(huán)境中的風速。A/D 轉(zhuǎn)換功能模塊選擇了8 位CMOS 型逐次比較式A/D 轉(zhuǎn)換器ADC0804，具有三態(tài)鎖存輸出功能，可以在100～1460KHz 的頻率下進行工作。

2.2 下位機硬件設計 下位機的硬件設計以STC89C52RC 為中心，圍繞單片機搭建外圍電路。考慮到單片機的I/O 口數(shù)量有限，結合風速信號的特點，在8 路光電門和單片機之間增加了一個8 線-3 線編碼器74HC148 以達到節(jié)省單片機I/O 口的目的。

2.3 下位機與上位機間的通信 由于51 單片機串行口和PC 機USB 接口所使用的電平標準并不相同，故在單片機串行口和PC 機USB 接口之間使用了一個PL2303 芯片，以完成TTL 到USB 之間的轉(zhuǎn)換，使單片機和PC 機之間的串口通訊可以順利進行[4]。

單片機串口每次向上位機發(fā)送7 個字節(jié)的數(shù)據(jù)，其報文格式為“終端號”“溫度值”“濕度值”“風速值”“風向”“#”。其中和“#”分別作為起止符，分別表示一次發(fā)送的開始和結束；“終端號”為本次發(fā)送數(shù)據(jù)的終端編號，是在向單片機中燒寫程序時固定的值，用于在同一區(qū)域內(nèi)多個終端節(jié)點組網(wǎng)檢測的情況下區(qū)別不同節(jié)點[5]。

3 軟件設計

3.1 下位機軟件設計 在接通設備電源后，單片機首先依次對各傳感器或功能模塊初始化，然后依次循環(huán)從各傳感器或功能模塊讀取數(shù)據(jù)。從I2C 總線獲取溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，進行數(shù)值轉(zhuǎn)換和非線性補償計算，之后再依次從ADC0804 所連接的端口和光電門連接的端口讀取風速、風向數(shù)據(jù)，再執(zhí)行相應的計算或判斷。以上四種數(shù)據(jù)，每計算或判斷出一個之后，除了保存到相應變量之外，還將數(shù)據(jù)刷新到LCD1602 液晶顯示屏上，之后再執(zhí)行讀取下一項數(shù)據(jù)的程序。

由于通常情況下，氣象信息不要求實時監(jiān)測，所以在程序設計上使用了單片機的內(nèi)部定時器。設置定時時間15 分鐘。當定時器計時達到15 分鐘后，主程序打開單片機串口，將最近一次獲取的各種數(shù)據(jù)發(fā)送到PC 機。

3.2 上位機軟件設計 上位機軟件的主要目的是為了能進行較遠距離的數(shù)據(jù)監(jiān)測查看，方便在無人值守情況下的數(shù)據(jù)記錄。其功能主要有以下幾點：①區(qū)分顯示從不同編號的終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)；②保存每次發(fā)送來的數(shù)據(jù)；③查看歷史數(shù)據(jù)。軟件使用C#語言編寫，在人工設置好串口號后即可打開串口，軟件進入工作狀態(tài)。

4 結束語

針對市面上氣象站設備價格較高和用戶需求的矛盾，提出了一種小型電子氣象站的設計，實現(xiàn)了對溫度、濕度、風速、風向等幾項基本氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測，主要適用于機場、船舶、工礦、廠區(qū)、校園等小范圍地區(qū)，允許分布在同一區(qū)域內(nèi)的多個終端節(jié)點可組成網(wǎng)絡，測得的數(shù)據(jù)對于安全生產(chǎn)、教育教學等具有一定的參考價值。

[1]譚鑒榮.智能地面氣象監(jiān)測儀的研究與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學，2010.

[2]陳俊英.小型電子氣象站設計[J].自動化與儀器儀表,2012（3）：26-27.

[3]張興輝,陳守滿.基于STC89C52RC 單片機的無線呼叫系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術,2011,34(13):186-188.

[4]文治洪,胡文東,李曉京,等.基于PL2303 的USB 接口設計[J].電子設計工程,2010(01):32-34.

[5]孫奇,施云波,修德斌等.基于無線傳感器網(wǎng)絡的氣象應急監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].黑龍江大學自然科學學報,2013(1):125-128.