基于单片机的便携式气象仪设计.docx
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基于单片机的便携式气象仪设计
2.3.2风向风速测量模块4
设计总说明
气候对于人类的劳作、生活的影响是显而易见的,良好的气候能给人带来高效的工作效率、舒适的休闲环境,但是恶劣的气候却常常给人导致难以承担的后果。
众所周知,我国的气象灾害是十分频繁的,各种恶劣的气象灾害,如干旱、台风、寒潮等等,对个人来说,工作、生活甚至生命安全受到了严重影响;对国家来说,农业、渔牧业的生产活动乃至于经济发展都受到了威胁。
由于一直遭受着恶劣气候带来的严重后果,我国对气象事业投入了大量的时间、金钱、人力物力,希望能够增强对恶劣气候的预知水平及防能力。
其中,气象仪的研究、发展、应用是必不可少的。
目前,我国投入使用了大量的气象站,分布在全国各个省市,全面掌控着我国气象的变化,对我国的气象事业发挥了重要的作用。
但是一些环境恶劣、偏僻的地点,比如沙漠、山区、海岛等人员难以驻扎的地方却成了我国气象监测的盲点。
这时,能自动发送气象数据的便携式气象仪就应运而生。
本文先简单说明了气侯检测的重要性、国外气象检测技术的研究成果以及本课题研究的主要容及其意义,其中分析了当前气象的检测所有的一些问题及发展方向,得出发展便携式、高性能的气象仪的迫切性。
之后对各个测量模块的芯片使用或传感器进行选择与论证,分析各个芯片或传感器的优缺点,然后对便携式气象检测仪的设计方案进行总体概述。
本系统是以单片机为系统核心,控制各个测量气象的传感器,将传感器等测得的数据通过液晶显示,另外,本设计拥有无线通信模块,既可以通过GPS得到当前的地理位置和标准时间,也能通过GPRS发送所有的气象数据。
关于系统的主控制器模块,最终采用单片机AT89C52作为系统的核心控制器,在各种各样的单片机中,AT89C52本身相当于一部微型的计算机,各种部件集成在一块芯片上。
AT89C52具有高性能、低功耗的特点,有8K的可以编程的程序存储器。
以上种种,使得AT89C52在大量嵌入式系统电路设计中被广泛的应用。
电源模块是采用两节12V干电池为整个系统供电,但系统有的模块需要用到5V,4.3V电压驱动,所以为了整个系统的正常工作,必须对12V的电压进行DC-DC变换。
本系统使用了芯片LM1084-5.0,输入端直接接上12V电压,在输出端即可得到5V的电压,然后再串联一个硅二极管即可得到4.3V的电压。
测温模块本系统使用的是DS18B20,它是一种数字式温度传感器,只有3个引脚需要连接,其中两根分别接电源正极和负极,剩下的一个引脚可直接与单片机的I/O相连,事实上,它与单片机连接的只有一根线,单片机对它的所有操作,都是通过这根线来执行的,所以又说,DS18B20是一种单总线器件。
单片机都是通过这根线向其写入指令,比如跳过ROM操作指令,温度转换指令,读取温度指令等等,之后就能通过这根总线读取它的温度了。
风向风速测量模块所用的是TFX系列风速风向一体传感器,它将风向与风速测量器件集成到了一起。
大大缩减了体积,这是它其中的优势所在,其中风向测量部分是尾翼式设计,而风速测量部分则是经典的三杯式设计,当传感器感受到风时,它会将其中的风向及风速信息转换成电压或电流信号通过输出,经过AD芯片转换后接到单片机的I/O口上。
气压模块使用PTH501紧线螺母接头压力传感器/变送器,它的量程是0~1~150(MPa),由于本系统是气象仪,而一个标准大气压是101.325kPa,所以在此选用0~1MPa的量程即可达到要求。
它能将检测到的气压输出为电信号,而且当外界气压变化,电信号也能随之线性变化,同风向风速传感器一样,它也需要经过AD转换接到单片机的I/O口上。
湿度模块本系统所使用的是RH10,它的部有一湿敏元件,这种元件的原理是湿敏电阻或湿敏电容的值会随着湿度变化而变化。
RH10的湿敏元件是电容式,它使用了先进的半导体厚膜技术,整体附在一片非常小的玻纤板上,长13mm,宽7mm,厚度为0.2mm,由此可见它的体积非常小,当RH10的湿敏元件感受到空气中湿度的变化,它所输出的相应电压或电流信号也会随之线性变化。
根据本系统的设计,所用的传感器除了DS18B20以外,其他传感器件输出的信号都是4~20mA电流信号。
单片机与模拟输出型的传感器连接模块主要分为两部分,其中之一为电流电压转换模块,这个模块的主要作用是将4-20mA的电流信号转换为电压信号再接到AD转换芯片的输入端。
本系统所用的运放是LM324,通过电路设计,得到0.8~4.0V的电压信号。
第二个部分则是AD/模数转换部分,本系统所使用的芯片是ADC0809,它允许8位模拟量分时间输入,使用同一个AD转换器转换。
ADC0809有3位地址输入线,用于选通8位模拟输入中的一路,而本设计只有4个传感器需要进行AD转换,所以8位模拟输入完全够用。
分频模块使用的芯片是74HC74,为什么要分频?
这是因为ADC0809在正常进行模数转换时,需要在它的CLOCK引脚,即时钟脉冲输入端输入时钟频率不高于640KHz时钟脉冲。
那么从哪得到时钟脉冲?
我注意到单片机在正常工作是在其ALE引脚会输出1/6晶振频率的脉冲信号,因为使用晶振的频率是12MHz,所以在单片机的ALE引脚输出的就是2MHz的时钟脉冲,如果能再对它四分频的话,就能得到500KHz的脉冲信号,这个信号完全能满足模数转换的要求。
通信模块也分为两部分,第一部分的GPS模块,这一模块使用的器件是GR-87,它是一个完整的卫星定位接收器,用来接收一些定位信息,而本系统只需要接收有关经纬度以及标准时间的信息,具体实现方法会在软件部分详细介绍;第二部分则是GPRS模块,本系统使用的是SIM300C,SIM300C是SIM公司推出的一种三频/四频GSM/GPRS解决方案,通过它,可以将测得的气象数据发送到手机上。
SIM300C与单片机之间也是通过串口通信的,单片机主要通过AT指令对其进行控制。
现在,又出现了一个问题,那就是AT89C52单片机只有一个串行口,而GR-87与SIM300C与单片机都是使用串口通信,所以,本系统使用了芯片CD4053来完成串口的复用,CD4053是数字控制模拟开关,它极低的导通阻抗和极低的截止漏电流。
显示模块使用的是LCD1602液晶显示器,它的体积很合适,不会显得大而臃肿,但能满足系统的显示要求。
另外,它的耗电量很低,显示的字符也很清晰,不会出现闪烁的问题。
LCD1602通过8位数据口与单片机的I/O连接,单片机就是通过这8位数据口对LCD1602进行一系列的读写操作,最终可以将气象仪所测除的数据显示到液晶显示屏上。
独立键盘模块,本系统总共用到4个开关,S3是系统的电源开关,控制气象仪是否工作,直接接在12V干电池的负极。
S4是单片机的复位按键。
S1,S2是用来控制LCD1602的整屏移动按键。
由于本系统测量的气象数据较多,32个字节的屏幕并不能全部显示测得的气象数据,所以要把部分数据写在1602不显示的地址,然后按一下S1,LCD1602整屏左移16位,显示未按开关之前不会显示的气象数据;再按一下S2,LCD1602整屏右移16位,恢复原状。
最后,设计本系统相应的软件程序,流程如下:
先对LCD进行初始化,然后程序进入一个循环,在这个循环中,气象仪的各个模块开始工作,首先是DS18B20开始读取温度,将读取到的温度值显示在1602液晶显示器上,然后ADC0809地址锁存端选中风向传感器输入端,将测得的气象信息通过软件处理
后显示到液晶上,之后,分别对湿度,风速,气压传感器等测得的数据进行AD转换,处理并显示,之后打开串口中断,单片机的RXD口接受大GR-87传输的数据,这些数据再被显示到液晶显示屏上,之后在软有一个键盘检测程序,当S1按下,LCD1602会整屏左移,当S2按下,LCD1602会整屏右移。
只要没有关闭掉气象仪的总电源,程序就会一直执行下去,也就是说,气象仪会实时的检测当前的气象数据。
本系统完全可以通过仿真,所设计的便携式气象检测仪可以百分之百实现系统的技术要求,并达到所要求的性能指标,具有高精度、全天候和低成本的特点。
另外,该便携式气象仪能够很好的完成一般的气象测量要求,而且还可以在各种恶劣环境下工作。
拥有了这些优势,该便携式测量仪能够广泛应用于各种场景的气象测量。
关键词:
气象仪;AT89C52;ADC0809;GPS;GPRS
Introduction
Climateforhumanlabor,lifeisobvious,goodweathercanbringefficientworkefficiency,fortableleisureenvironment,butbadweatheroftentoleadtodifficulttobeartheconsequences.Asisknowntoall,China'smeteorologicaldisasterisveryfrequent,allkindsofbadmeteorologicaldisasters,suchasdrought,typhoons,coldwaveandsoon,toindividuals,work,lifeandevenlifesafetybyseriouslyaffected;forthecountry,agriculture,fisheryandanimalhusbandryproductionactivitiesbutasforeconomicdevelopmentareunderthreat.
BecauseithasbeensubjectedtoPortablemeteorologicalinputtotheharshclimatebringsseriousconsequences,ChinaMeteorologicalcausealotoftime,money,manpowerandmaterialresources,hopetobeabletoenhancetheharshclimateofanticipationandpreventionability.Amongthem,themeteorologicalinstrumentresearch,developmentandapplicationisessential.Atpresent,ourcountryputintousealargenumberofmeteorologicalstation,locatedinthenationalvariousprovincesandmunicipalities,thefullcontroloftheweatherchanges,theChinaMeteorologicalinstitutionsplayanimportantrole.Butsomeharshenvironment,remotelocations,suchasdesert,mountains,islandsandotherpersonneltostationed,buttheChinaMeteorologicalMonitoringblindspot.Atthistime,canautomaticallysenddataThemeteorologicalinstrumentwasborn.
ThepaperbrieflydescribestheimportanceofHouandgasdetection,researchachievementsathomeandabroadmeteorologicaldetectiontechnologyandthemaincontentofthisresearchanditssignificance,whichanalyzesthecurrentweatherdetectionallofsomeoftheproblemsanddevelopmentdirection,drawsthedevelopmentofportable,theurgencyofthehighperformanceofthemeteorologicalinstrument.Aftermeasurementofeachmoduleofchipuseorsensorwereselectionanddemonstrationandanalysisoftheadvantagesanddisadvantagesofeachchiporsensor,andthenoutlinethedesignschemeofportablemeteorologicalinstrument.
Thissystemisbasedonsingle-chipmicroputerasthecoreofthesystem,controlthevarioussensorstomeasuretheweatherSensorsandothermeasureddatathroughtheliquidcrystaldisplay,inaddition,thisdesignhasawirelessmunicationmodule,boththroughtheGPStogetthecurrentlocationandthestandardtime,butalsothroughtheGPRStosendallthemeteorologicaldata.
Asystemofmaincontrollermodule,intheend,theAT89C52microcontrollerasthecorecontrollerofthesystem,inavarietyofsinglechipmicroputer,AT89C52itselfisinaminiatureputer,variousponentsintegratedinachip.AT89C52withhighperformanceandthecharacteristicsoflowpowerconsumption,with8Kcanprogrammingmemory.Aboveall,theat89C52iswidelyusedinalargenumberofembeddedsystemcircuitdesign.
Powersupplymoduleusestwo12Vbatteriespowersupplyfortheentiresystem,butsomemodulesofthesystemneedtouse5V,drivingvoltage4.3v,soinordertonormaloperationofthewholesystemmustthe12VvoltageDC-DCconverter.ThissystemusesthechipLM1084-5.0,inputisdirectlyconnectedtothe12Vvoltage,intheoutputterminalcanget5Vvoltage,andthenisconnectedinserieswithasilicondiodecanget4.3vvoltage.
ThetemperaturemeasurementmoduleusedinthissystemisDS18B20,whichisanumberDigitaltemperaturesensor,onlythreepinsneedtobeconnected,twoofwhichareconnectedtothepowersupplyofthecathodeandtheanode,remainingapincanbedirectlyconnectedwiththemicrocontrollerI/O,infact,itconnectedwiththesinglechipmicroputerofhasonlyasingleline,SCMofalloperationsarethroughthethreadtoperformthe,sosaid,DS18B20isa1-wiredevices.MCUisthroughthewiretothewriteinstruction,suchasskipROMoperatinginstructions,temperatureconversioninstruction,readtemperatureinstructionandsooncouldbethroughtherootbusreaditstemperature.
WinddirectionandwindspeedmeasurementmoduleisusedinTFXseriesofwindSpeedanddirectionofvarioussensors,itwillwinddirectionandwindspeedmeasuringdevicesareintegratedintotogether.Greatlyreducedthevolume,thisisittheadvantage,inwhichdirectionmeasurementpartisfindesignandwindspeedmeasuringpartistheclassicthreecupdesign,whenthesensortothewind,itwillthewinddirectionandwindspeedinformationisconvertedintoavoltageorcurrentsignalthroughtheoutput,throughtheADconversionchipconnectedtotheMCUI/Oport.
ThepressuremoduleusesthePTH501fasteningnutjointpressuretransducer/transmitter,whichis0~1~150(MPa),andthesystemisameteorologicalinstrument.Standardatmosphericpressureis101.325kPa,sointhisselection0~1MParangecanmeettherequirements.Itcandetectedtheoutputpressureintoelectricalsignalsandthepressurechangeoftheoutsideworld,electricalsignalscanalsofollowedalinearchangewithwindspeedanddirectionsensoras,italsoneedsafterADconverterconnectedtotheMCUI/Oport.
Humiditymoduleofthissystemusestherh10andinsideofitwithahumiditysensitiveelement,theprincipleofthiskindofelementishygristororhumiditysensitivecapacitancevaluewiththehumiditychangeandchange.RH10wetsensitiveelementiscapacitive,itusesadvancedsemiconductorthickfilmtechnology.Overallattachedonapieceofverysmallglassfiberboard,13mmlong,7mmthicknessis0.2mm,whichshowsthevolumeisverysmall,whenrh10humiditysensitiveelementtofeelthechangeofmoistureintheair,theoutputofthecorrespondingvoltageorcurrentsignalswillwithaconsequentchangeinlinear.
Accordingtothedesignofthesystem,thesensorusedinadditiontoDS18B20,theoutputsignaloftheothersensorsare4~20mAcurrentsignal.
Singlechipandanalogoutputtypeofsensorconnectionmoduleisdividedintotwoparts,oneofwhichisthecurrentandvoltageconversionmodule,themainfunctionofthismodulewillbe4-20mAcurrentsignalisconvertedintoavoltagesignalandthenreceivedadconversionchipinputend.TheopampisaLM324,throughthecircuitdesign,0.8~4.0Vvoltagesignalofthe.ThesecondpartisAD/analogtodigitalconverter,thesystemusedinthechipADC0809,itallowsmany8-bitanaloginputtime,usingthesameadconverter.ADC08093bita
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