基于太陽能供電的便攜式氣象檢測儀的設(shè)計(jì)

雷悅++常峰++茍寬++李燈學(xué)

摘 要 本文提出一種在戶外使用的便攜式氣象檢測儀設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)以STC51單片機(jī)系列的IAP15F2K61S2為主控芯片，由風(fēng)速風(fēng)向傳感器、PM2.5傳感器、溫濕度傳感器、大氣壓強(qiáng)傳感器、GSM信息發(fā)送模塊、太陽能供電系統(tǒng)等構(gòu)成。經(jīng)測試，該系統(tǒng)攜帶方便，操作簡單，精度高，適用于各種場合的戶外工作。

關(guān)鍵詞 氣象檢測；單片機(jī)；太陽能；便攜式

中圖分類號 P4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）196-0086-02

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、無線通信技術(shù)等的迅猛發(fā)展和普及，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在智能化、自動化、遠(yuǎn)程化得到了長足進(jìn)步。同時(shí)在不同生產(chǎn)生活領(lǐng)域，隨著人們實(shí)踐步伐的前進(jìn)，對環(huán)境信息獲取的及時(shí)性、準(zhǔn)確性、靈活性的要求越來越高，普遍模式下的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前科技發(fā)展的要求。不僅如此，新型的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，正向著小型化、簡單化、續(xù)航能力強(qiáng)、功能越來越強(qiáng)大、低成本、復(fù)合化等方向發(fā)展。為了減少成本，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程環(huán)境信息采集系統(tǒng)的靈活性、低成本性、可持續(xù)性，本設(shè)計(jì)小組提出一款小型便攜式的環(huán)境信息采集系統(tǒng)，使用太陽能供電，可隨意移動和放置，用戶還可通過GSM短信功能模塊，隨時(shí)隨地了解系統(tǒng)所在地的各項(xiàng)環(huán)境信息。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示，主要由太陽能供電模塊、信息采集模塊、主控模塊以及信息發(fā)送模塊構(gòu)成[1]。

主控采用IAP15F2K61S2單片機(jī)為主控芯片，含有兩組高速異步串行通信端口，分時(shí)復(fù)用可當(dāng)5組串口使用，能滿足本設(shè)計(jì)多路傳感器的信息交互。信息采集模塊采用BMP085型大氣壓強(qiáng)傳感器、DHT11型溫濕度傳感器以及GP2Y10PM2.5傳感器采集當(dāng)前的氣象狀況。另外風(fēng)力風(fēng)向傳感器由E6A2-CW3C型編碼器和WDD35D4型高精度數(shù)字電位器制作而成。整個(gè)系統(tǒng)都由蓄電池供電，當(dāng)太陽光照射太陽能電池板時(shí)，由供電電路判斷是否給蓄電池供電。當(dāng)遠(yuǎn)程用戶給GSM模塊發(fā)送指令時(shí)，系統(tǒng)識別用戶信息和指令，匹配情況下，系統(tǒng)開始采集當(dāng)前時(shí)間下的氣象信息，并處理后通過GSM模塊發(fā)送給遠(yuǎn)程用戶。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戶外環(huán)境復(fù)雜，有些地方較遠(yuǎn)較偏僻，有些地方不宜架設(shè)線纜，在鋪設(shè)供電線路上會花費(fèi)較多的人力財(cái)力。采用太陽能供電能較好的降低成本，實(shí)現(xiàn)便攜式、可移動式。太陽能電池板的輸出電壓與受光面積成正比，并且太陽能電池板需要有太陽的天氣才能充足的發(fā)電，所以本系統(tǒng)采用一個(gè)蓄電池作為儲存電能的容器，能在天氣狀況不佳或者晚上的時(shí)候給系統(tǒng)供電。

據(jù)了解太陽能電池板每天的發(fā)電量等于電池板的最大輸出功率和日照時(shí)間的乘積，已知蓄電池的容量等于放電時(shí)間和放電電流的乘積，根據(jù)功率公式P=IU可將電池板每天的發(fā)電量和蓄電池的容量聯(lián)系起來，那么通過計(jì)算就可以選擇蓄電池的容量[2]。本系統(tǒng)使用輸出額定電壓7.2V，額定電流2 000mAh的蓄電池。通常來說太陽能電池的額定輸出電壓要比蓄電池高1.3～1.5倍，所以選擇一塊輸出電壓在12V以上的太陽能電池板較為合適。最后通過DC-DC降壓模塊把電壓降到12V為蓄電池充電，再將7.2V經(jīng)過LM2940和LM1117的作用把電壓穩(wěn)壓到5V和3.3V，分別給各類傳感器、GSM模塊、單片機(jī)供電。

2.2 風(fēng)速風(fēng)向模塊設(shè)計(jì)[3]

使用3個(gè)半圓型乒乓球分別固定到三角架上，三角架軸心固定到編碼器上，這樣就構(gòu)成了一個(gè)風(fēng)速檢測裝置。根據(jù)編碼器的特點(diǎn)，利用單片機(jī)外部中斷采集編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)，定時(shí)器設(shè)置為采集時(shí)間，通過計(jì)算脈沖的頻率從而得到風(fēng)速的值。

采用一塊硬度較好較薄的塑料板，固定到一個(gè)摩擦力非常小的電位器軸心上，這樣就構(gòu)成了一個(gè)風(fēng)標(biāo)檢測裝置。利用單片機(jī)內(nèi)部的10位高精度A/D轉(zhuǎn)換器采集電位器值，通過轉(zhuǎn)換算法得到方向值。

2.3 各傳感器采集模塊介紹

BMP085是一款高精度、超低能耗的壓力傳感器，通過IIC總線直接與主控芯片相連。在電源端增加0.1uf電容保證供電文波較小，增加4.7K上拉電阻可適量減少IIC總線的干擾。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器既可以測溫度又可以測濕度，通過一根單總線和主控芯片相連。總線一次傳輸40bit數(shù)據(jù)，由高位依次傳輸?shù)降臀唬@40位數(shù)據(jù)分別是濕度數(shù)據(jù)整數(shù)部分（8bit）、濕度數(shù)據(jù)小樹部分（8bit）、溫度數(shù)據(jù)整數(shù)部分（8bit）、溫度數(shù)據(jù)小數(shù)部分（8bit）以及最后的校驗(yàn)位（8bit）。

GP2Y1010是夏普公司的光學(xué)粉塵傳感器，通過兩根線和和主控芯片相連，一根作為初始和控制作用，另一根連接單片機(jī)內(nèi)部的10位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)AD的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換出來電壓值與同標(biāo)準(zhǔn)灰塵密度成比例，可測量0.8微米以上的微小粒子，從而可以測量空氣PM2.5值。

2.4 GSM模塊

本系統(tǒng)采用了SIM300模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，用戶通過手機(jī)遠(yuǎn)程發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前溫度，濕度，風(fēng)力風(fēng)向，大氣壓力等數(shù)據(jù)的回傳。SIM300模塊通過串行端口與主控芯片相連。本設(shè)計(jì)只使用了SIM300模塊AT命令中的短消息命令，發(fā)送短信作如下簡要說明[4]：

1）AT+CMGF=*

*為0是PDU模式，1是文本模式，文本模式不支持中文，PDU模式既可以發(fā)送中文又可以發(fā)送英文。

2）AT+CSCA="+861380****500"

****為短信中心號碼的區(qū)號，樂山地區(qū)為0833。

3）AT+CMGS=***<回車>

001100xx916821436587A9FB0008010##D6C66BFA562668B

xx（16進(jìn)制）為手機(jī)號碼長度，21436587A9FB表示目的手機(jī)號：123456789AB，F(xiàn)為補(bǔ)充。##表示發(fā)送內(nèi)容的長度，##后面即是發(fā)送的內(nèi)容。其中***為整個(gè)發(fā)送碼的字節(jié)數(shù)。

2.5 電路原理及實(shí)現(xiàn)

氣象檢測儀的實(shí)物照片如圖2所示。

圖2 氣象檢測儀的實(shí)物圖

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)體積小，方便戶外攜帶，同時(shí)適合在各類戶外位置安裝。通過太陽能供電實(shí)現(xiàn)了戶外系統(tǒng)可持續(xù)工作時(shí)間，用戶可隨時(shí)隨地通過手機(jī)獲取采集地的氣象信息，為異地檢測監(jiān)控提供了方便途徑。

參考文獻(xiàn)

[1]李險(xiǎn)峰.便攜式氣象檢測儀的設(shè)計(jì)[D].長春理工大學(xué)，2009：21-24.

[2]韓涵，黃國華，趙偉，施鈺川.晶體硅太陽電池室外發(fā)電性能實(shí)測與分析[J].太陽能學(xué)報(bào)，2013，34（4）：641-646.

[3]王柏林，花衛(wèi)東，陽艷紅.便攜式自動氣象站結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2013，36（4）：79-83.

[4]李云龍，姜亞萍.基于GSM網(wǎng)絡(luò)的無線智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（13）：34-35.endprint