雷文禮　任新成　曹新亮

摘 要： 隨著電子技術(shù)和氣象監(jiān)測技術(shù)的不斷進步，現(xiàn)代氣象監(jiān)測已經(jīng)由原來的人工監(jiān)測逐步過渡到自動氣象監(jiān)測。設(shè)計了一種基于單片機的自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)接收部分和上位機組成。數(shù)據(jù)采集部分負責(zé)采集溫濕度等數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)接收部分負責(zé)將采集到的溫濕度等數(shù)據(jù)信息進行顯示，并發(fā)送到上位機保存及后續(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，可實現(xiàn)無人值守等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水文、軍事、倉庫、機場、科學(xué)研究等領(lǐng)域。

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

中圖分類號： TN710?34； TP273.5 文獻標識碼： A 文章編號： 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。進行氣象監(jiān)測，開展氣象預(yù)報、預(yù)測、科學(xué)研究是生態(tài)監(jiān)測研究的重要領(lǐng)域之一。隨著電子技術(shù)和氣象監(jiān)測技術(shù)的不斷進步，現(xiàn)代氣象監(jiān)測已經(jīng)由原來的人工監(jiān)測逐步過渡到自動氣象監(jiān)測。自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)人工氣象監(jiān)測具有穩(wěn)定性高[1]、精度高、操作應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強，可實現(xiàn)無人值守等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水文、軍事、倉庫、機場、科學(xué)研究等領(lǐng)域。

1 自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)接收部分和上位機三部分組成[2]。其中，數(shù)據(jù)采集部分負責(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)信息進行顯示并發(fā)送到上位機保存，上位機主要負責(zé)后續(xù)數(shù)據(jù)的處理工作。同時，該系統(tǒng)具有超限報警功能，當溫度或空氣中的濕度大于設(shè)定值，將發(fā)出一個警告[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)場溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳輸模塊傳送。

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)果上傳給上位機保存及后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理。

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

2 硬件設(shè)計

本文設(shè)計的自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)主要涉及數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)接收部分。上位機由一臺臺式電腦構(gòu)成[5]。

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

接收部分主要包含單片機模塊STC89C51、顯示模塊、鍵盤模塊、無線傳輸模塊、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，工作頻率最高可達到25 MHz，工作電壓分為5 V型號和3.3 V型號，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)。同時還增加了兩級中斷優(yōu)先級等。endprint

2.2 溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊

本文設(shè)計采用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、信號傳輸距離可達到20 m等特點。其通過單總線與單片機連接，簡單方便，傳輸時鐘信號或者數(shù)據(jù)信號都可在該線上進行。因為DHT11不需要放大電路，所以采集模塊只有DHT11傳感器與一個10 kΩ的上拉電阻組成。

2.3 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

無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型號無線收發(fā)模塊[8]。nRF24L01型號模塊內(nèi)部采用GFSK進行調(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20 m以上。無線傳輸模塊和無線接收模塊成對使用，都利用nRF24L01構(gòu)成無線收發(fā)電路。

3 軟件設(shè)計

自動氣象監(jiān)測系統(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)計的主要目標是將傳感器采集到的溫濕度數(shù)字信號發(fā)送到接收部分，并經(jīng)過程序處理后，在LCD1602液晶顯示屏上顯示，最后將信息保存在上位機，為后續(xù)數(shù)據(jù)的進一步分析與處理提供保障。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖4所示。

3.1 溫濕度采集模塊

當系統(tǒng)發(fā)出開始信號后，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，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沒有收到主控制器發(fā)送的開始信號，則不會進行溫度和濕度的采集?？偩€被拉低的時間必須大于18 ms， DHT11才能檢測到開始信號。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個引腳，11個與單片機的I/O口連接和通信，其中8個為數(shù)據(jù)引腳，另外3個作為控制引腳。通過改變3個控制引腳的電平，可以對1602液晶進行寫命令、讀命令、寫數(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

本文設(shè)計了一種基于單片機的自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)接收部分和上位機組成。數(shù)據(jù)采集部分負責(zé)采集溫濕度等數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)接收部分負責(zé)將采集到的溫濕度等數(shù)據(jù)信息進行顯示，并發(fā)送到上位機保存及后續(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、可實現(xiàn)無人值守等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水文、軍事、倉庫、機場、科學(xué)研究等領(lǐng)域。

參考文獻

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