基于STC單片機的氣象監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

葉成彬，郭志雄，陳賢鈺

（華南理工大學廣州學院 電氣工程學院，廣州510800）

氣象監(jiān)測站大多利用電子設(shè)備或計算機控制傳感器對氣象要素進行監(jiān)測，在氣象、海洋、機場、農(nóng)業(yè)環(huán)境等方面有著廣泛應(yīng)用[1]。然而，市場上的大型的氣象監(jiān)測系統(tǒng)價格普遍昂貴，各類小型氣象系統(tǒng)所檢測的空氣要素相對單一。在此設(shè)計的小型氣象監(jiān)測系統(tǒng)，更適合于需要監(jiān)測多項氣象要素的用戶。該系統(tǒng)通過多種傳感模塊可對CO2，PM 2.5，風速、風向模塊、溫度及濕度等六類氣象要素做到實時在線監(jiān)測、顯示，采用光伏離網(wǎng)系統(tǒng)供電[2]，便于隨時調(diào)整監(jiān)測位置， 能夠顯著降低用戶的使用成本。經(jīng)多次測試結(jié)果表明，該氣象監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測多個氣象要素信息，具有穩(wěn)定性良好、實時性高、監(jiān)測精度高等特點[3-4]。

1 氣象監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)方案設(shè)計

氣象監(jiān)測系統(tǒng)以STC15W 單片機作為核心處理器，在線實時讀取空氣質(zhì)量傳感器模組、風速風向傳感器以及溫濕度傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，以原廠提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式及濾波算法換算出相應(yīng)的氣象數(shù)要素數(shù)據(jù)，并在液晶屏進行實時刷新顯示。系統(tǒng)方案設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計Fig.1 System design

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 空氣質(zhì)量傳感器模組

空氣質(zhì)量傳感器模組內(nèi)置激光顆粒傳感器、紅外非分光二氧化碳傳感器及電化學與半導(dǎo)體原理相結(jié)合的甲醛/TVOC 傳感器。這些傳感器分別用于獲取顆粒物濃度、CO2和甲醛/總揮發(fā)性有機化合物TVOC（total volatile organic compounds）濃度，以串口通信方式對外輸出由多個參數(shù)數(shù)據(jù)組成的有效數(shù)據(jù)包。該模組通過優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得空氣在模組內(nèi)部的路徑與各傳感器的取樣接口更好地結(jié)合，從而保障各傳感器的靈敏度[5]。空氣質(zhì)量傳感器模組硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 空氣質(zhì)量傳感器模組硬件系統(tǒng)Fig.2 Air quality sensor module hardware system

空氣質(zhì)量傳感器模組串口TTL 通信波特率為115200 b/s，18 個字節(jié)數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)傳輸周期1 s。數(shù)據(jù)包格式如圖3所示。空氣質(zhì)量傳感器模組與單片機串口通信接口電路如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)包格式Fig.3 Packet format

圖4 空氣質(zhì)量傳感器模組接口電路Fig.4 Air quality sensor module interface circuit

2.2 風速風向傳感器

風速風向傳感器為分體式設(shè)計，互為獨立。其中， 風速傳感器采用傳統(tǒng)的三風杯風速傳感器結(jié)構(gòu)，內(nèi)置的信號處理單元能根據(jù)用戶需求輸出相應(yīng)的風速信號[6]。風向傳感器內(nèi)置精密角度傳感器，選用低慣性輕金屬風向標，響應(yīng)風向快，具有量程大、線性好、精度高的特點[7]。風速風向傳感器均采用0～5 V 電壓輸出模式，風速計算公式為

式中：W 為風速示值，m/s；V 為電壓信號，V，V=0～5 V。風速風向傳感器與單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）接口電路如圖5所示。

圖5 風速風向傳感器接口電路Fig.5 Wind speed and direction sensor interface circuit

2.3 光伏離網(wǎng)戶用供電系統(tǒng)的設(shè)計

光伏離網(wǎng)戶用供電系統(tǒng)由太陽電池組件、控制器、蓄電池構(gòu)成。太陽能電池板組件采用輸出電壓為12 V，峰值產(chǎn)50 W，工作電流性能穩(wěn)定，理論轉(zhuǎn)換效率為18%的單晶硅太陽電池板； 蓄電池采用12 V，38 A·h 的光合硅能蓄電池；光合太陽能控制器起到控制光伏離網(wǎng)戶用系統(tǒng)的充電、放電、變壓輸出的作用。光伏離網(wǎng)戶用系統(tǒng)框架如圖6所示。

圖6 光伏離網(wǎng)戶用供電系統(tǒng)框架Fig.6 Frame of photovoltaic off-grid household power supply system

該氣象檢測系統(tǒng)控制器，其總功耗通過數(shù)字功率監(jiān)測儀測量，為1.85 W；其連續(xù)工作時間為24 h。系統(tǒng)工作電壓為12 V；損耗系數(shù)取值為0.7，安全系數(shù)取值為2；峰值日照時間按5 h 計算，連續(xù)工作陰雨天數(shù)為15 d。

太陽電池功率為

式中：P 為太陽能電池功率；PL為用電功率；t 為用電時間；T 為峰值日照時數(shù)；Cz為損耗系數(shù)（修正系數(shù)），主要為衰減、組合、灰塵、充電效率等損失，一般取Cz=0.7。根據(jù)該式可計算出系統(tǒng)所需太陽電池的功率約為12.68 W。

蓄電池容量為

式中：Bc為蓄電池容量；PL為用電功率；t 為用電時間；U 為系統(tǒng)工作電壓；NL為連續(xù)工作陰雨天數(shù)；k為安全系數(shù)，通常取k=1.1～1.4。根據(jù)該式可計算出系統(tǒng)能連續(xù)工作的蓄電池容量約為77.7 A·h。

用戶可根據(jù)不同地區(qū)峰值日照時數(shù)、所需連續(xù)工作陰雨天數(shù)等情況的不同，參照式（1）（2）選用不同規(guī)格的蓄電池及太陽能電池[8-9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思路，分別設(shè)計了系統(tǒng)主程序、 空氣質(zhì)量傳感器模組數(shù)據(jù)采集程序、溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集程序、風速風向傳感器數(shù)據(jù)采集程序、電子時鐘數(shù)據(jù)讀/寫程序、液晶屏顯示數(shù)據(jù)程序、按鍵掃描程序等[10]。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

在多次實物模型調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，控制器每次重新上電，空氣質(zhì)量傳感器模組回傳的氣象要素數(shù)據(jù)更新較慢，導(dǎo)致用戶體驗不佳，歸其原因有：

1）空氣質(zhì)量傳感器模組與控制器核心芯片工作頻率不一，從而芯片上電初始化速度不同步；

2）空氣質(zhì)量傳感器模組初始化后，以主動式間隔1 s 通過串口向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)包，然而此時控制器芯片尚未完成初始化或尚未使能串口接收數(shù)據(jù)，導(dǎo)致第一次未能接收到完整的數(shù)據(jù)包，則液晶屏不會刷新空氣質(zhì)量傳感器模數(shù)回傳的氣象要素數(shù)據(jù)。

為解決上述問題，采取控制器上電后液晶屏先顯示項目設(shè)計LOGO，同時采集、計算和判別各類氣象要素數(shù)據(jù)，2.5 s后液晶屏初始化顯示界面及刷新氣象要輸數(shù)據(jù)。

氣象監(jiān)測站主控板主程序總體設(shè)計思路如下：系統(tǒng)上電后單片機內(nèi)部進行復(fù)位， 接著配置所有I/O為普通輸入輸出工作模式； 配置單片機第2 和第3個串口通信波特率為115200 b/s， 無校驗，1 位停止位工作模式；刷新液晶屏顯示界面，配置定時器T0和T4 分別為50，2 ms 的中斷觸發(fā)模式。然后，程序進入死循環(huán)數(shù)據(jù)采集、 運算及顯示刷新數(shù)據(jù)模式，即接收到完整的空氣質(zhì)量傳感器模組回傳數(shù)據(jù)包，則對相關(guān)氣象要素數(shù)據(jù)進行運算，并判斷數(shù)據(jù)發(fā)生變化時刷新液晶屏顯示數(shù)據(jù)。

同理，可處理風速風向傳感器、溫濕度傳感器、電子時鐘模塊等數(shù)據(jù)的運算及刷新顯示。系統(tǒng)主程序設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)主程序設(shè)計流程Fig.7 System main program design flow chart

3.2 空氣質(zhì)量傳感器模組數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

空氣質(zhì)量傳感器模組通過串口主動式間隔1 s對外發(fā)送包頭為0x01，0x03，0x0c 的18 個字節(jié)數(shù)據(jù)包，串口工作模式位通信波特率115200 b/s、無校驗、1 位停止位， 因此系統(tǒng)使用單片機串行口3 接收空氣質(zhì)量傳感器模組數(shù)據(jù)。考慮到實際應(yīng)用中，單片機與空氣質(zhì)量傳感器模組通信可能受到外部環(huán)境干擾，偶爾出現(xiàn)通信數(shù)據(jù)異常，從而導(dǎo)致接收到的數(shù)據(jù)包不真實、亂碼等情況，因而需對數(shù)據(jù)包頭進行識別，以及接收到完整數(shù)據(jù)包后進行CRC 校驗計算，以確保數(shù)據(jù)的真實性。

控制器單片機串口3 接收空氣質(zhì)量傳感器模組數(shù)據(jù)過程中，包頭數(shù)據(jù)僅用于識別，不做存儲。

4 樣機調(diào)試及結(jié)果分析

使用鋁合金方管制作樣機整體支架，根據(jù)三維模型設(shè)計的尺寸形狀進行搭建，將氣象監(jiān)測系統(tǒng)控制器硬件電路整合到一塊電路板，預(yù)留相應(yīng)功能模塊的專用接口。氣象監(jiān)測系統(tǒng)控制器液晶顯示界面、氣象監(jiān)測系統(tǒng)樣機分別如圖8、圖9所示。

圖8 氣象監(jiān)測系統(tǒng)控制器液晶顯示界面Fig.8 Meteorological monitoring system controller LCD interface

5 結(jié)語

所設(shè)計的基于STC15W 單片機的氣象監(jiān)測系統(tǒng)， 通過光伏離網(wǎng)戶用系統(tǒng)供電達到節(jié)能減排效果，空氣質(zhì)量傳感器模組、AM2302 溫濕度傳感器和風速風向傳感器能提供準確氣象要素數(shù)據(jù)，氣象監(jiān)測控制板核心芯片能實時采集和刷新液晶屏顯示的相關(guān)氣象要素數(shù)據(jù)，用戶可直觀了解氣象相關(guān)要素信息。雖然氣象監(jiān)測系統(tǒng)樣機已完成且實現(xiàn)需要的功能， 但要將該樣機大規(guī)模推廣到實際應(yīng)用中，還需要結(jié)合不同用戶的需求進行優(yōu)化改進。

圖9 氣象監(jiān)測系統(tǒng)樣機Fig.9 Prototype of meteorological monitoring system