基于單片機的自動氣象監測系統的設計與實現

雷文禮　任新成　曹新亮

摘 要： 隨著電子技術和氣象監測技術的不斷進步，現代氣象監測已經由原來的人工監測逐步過渡到自動氣象監測。設計了一種基于單片機的自動氣象監測系統，該系統主要由數據采集部分、數據接收部分和上位機組成。數據采集部分負責采集溫濕度等數據信息，數據接收部分負責將采集到的溫濕度等數據信息進行顯示，并發送到上位機保存及后續處理。該系統具有穩定性高、精度高、操作應用范圍廣、適應性強，可實現無人值守等優點，可廣泛應用于農業、水文、軍事、倉庫、機場、科學研究等領域。

關鍵詞： STC89C51； 氣象監測； 數據信息； 監測系統

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

大氣現象和氣候的變化與人們的生產和生活有很大的聯系。進行氣象監測，開展氣象預報、預測、科學研究是生態監測研究的重要領域之一。隨著電子技術和氣象監測技術的不斷進步，現代氣象監測已經由原來的人工監測逐步過渡到自動氣象監測。自動氣象監測系統相比于傳統人工氣象監測具有穩定性高[1]、精度高、操作應用范圍廣、適應性強，可實現無人值守等優點，可廣泛應用于農業、水文、軍事、倉庫、機場、科學研究等領域。

1 自動氣象監測系統設計

自動氣象監測系統主要由數據采集部分、數據接收部分和上位機三部分組成[2]。其中，數據采集部分負責溫濕度等數據信息的采集，數據接收部分將采集到的溫濕度等數據信息進行顯示并發送到上位機保存，上位機主要負責后續數據的處理工作。同時，該系統具有超限報警功能，當溫度或空氣中的濕度大于設定值，將發出一個警告[3]。系統數據發送部分和接收部分如圖1所示。

數據采集發送部分功能如下：

（1） 采集現場溫濕度等氣象數據，將采集到的數據傳給主控制器處理。

（2） 將主控制器處理完的現場溫濕度數據經無線傳輸模塊傳送。

數據接收部分功能如下：

（1） 接收數據采集發送部分發送的現場溫濕度數據，并將數據發送給主控制器處理。

（2） 主控制器將數據處理后傳送給LCD1602液晶屏顯示。

（3） 將數據結果上傳給上位機保存及后續數據分析處理。

同時，系統提供一種安全警報，可以預先設定溫濕度，一旦超過設定溫度或濕度，將發出一個警告，適用于一般溫室蔬菜大棚。

2 硬件設計

本文設計的自動氣象監測系統主要涉及數據采集部分和數據接收部分。上位機由一臺臺式電腦構成[5]。

其中，數據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，其內部具有E2PROM，可以在程序中修改，斷電不丟失數據。同時還增加了兩級中斷優先級等。endprint

2.2 溫濕度數據采集模塊

本文設計采用DHT11作為溫濕度采集模塊。DHT11溫濕度傳感器內部帶有A/D轉換器，具有穩定性高、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據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 無線數據傳輸模塊

無線傳輸模塊是溫濕度信息可靠傳輸的保障，本文經比較選用nRF24L01型號無線收發模塊[8]。nRF24L01型號模塊內部采用GFSK進行調制，工作電壓為1.9～3.6 V，其最大發射功率為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，芯片上的電壓調節器，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構成無線收發電路。

3 軟件設計

自動氣象監測系統應用程序根據系統組成部分的不同，也可分為數據采集發送部分和接收部分。系統軟件設計的主要目標是將傳感器采集到的溫濕度數字信號發送到接收部分，并經過程序處理后，在LCD1602液晶顯示屏上顯示，最后將信息保存在上位機，為后續數據的進一步分析與處理提供保障。系統軟件設計流程圖如圖4所示。

3.1 溫濕度采集模塊

當系統發出開始信號后，溫濕度采集模塊DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，發送響應信號，并且采集一次溫度和濕度，采集結束后，由高速模式轉換到低速模式，如果DHT11沒有收到主控制器發送的開始信號，則不會進行溫度和濕度的采集。總線被拉低的時間必須大于18 ms， DHT11才能檢測到開始信號。溫濕度數據模塊流程圖如圖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個為數據引腳，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、寫數據、讀數據的操作，從而控制1602液晶。顯示模塊的程序流程圖如圖6所示。

4 結 語

本文設計了一種基于單片機的自動氣象監測系統，該系統主要由數據采集部分，數據接收部分和上位機組成。數據采集部分負責采集溫濕度等數據信息，數據接收部分負責將采集到的溫濕度等數據信息進行顯示，并發送到上位機保存及后續處理。該系統具有穩定性高、精度高、操作應用范圍廣、適應性強、可實現無人值守等優點，可廣泛應用于農業、水文、軍事、倉庫、機場、科學研究等領域。

參考文獻

[1] 張冬林，李鑫，戴梅，等.基于DHTll的低成本蠶室溫濕度自動控制系統的設計[J].現代農業科技，2010（18）：14?15.

[2] 曾曉英，姜虹，羅朝斌，等.溫濕度對普通蠶品種吐平面絲成績的影響[J].貴州農業科學，2009（5）：126?127.

[3] 吳政江.單片機控制紅外線防盜報警器[J].電子制作，2006（12）：26?27.

[4] 宋文緒，楊帆.傳感器與檢測技術[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5] 余錫存，曹國華.單片機原理及接口技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2000.

[6] 唐桃波，陳玉林.基于AT89C51的智能無線安防報警器[J].電子設計應用，2003，5（6）：49?52.

[7] 李全利.單片機原理及接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[8] 薛均義，張彥斌.MCS?51系列單片微型計算機及其應用[M].西安：西安交通大學出版社，2005.endprint