电子信息工程毕业设计(论文)-基于单片机的气象信息采集系统.doc
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1、 湖州师范学院求真学院湖州师范学院求真学院 毕毕 业业 设设 计(论文)计(论文) 2011 届 题 目 基于基于单单片机的气象信息采集系片机的气象信息采集系统统 专 业 电电子信息工程子信息工程 学生姓名 学 号 指导教师 论文字数 13402 完成日期 2011 年年 5 月月 7 日日 湖州师范学院求真学院教务部印制湖州师范学院求真学院教务部印制 基于单片机的气象信息采集系统基于单片机的气象信息采集系统 摘摘 要:要:随着科技的发展,气象信息采集技术也得到了快速的发展,从原先的人工定时 采集发展到现在的无人实时采集。 气象信息采集是自动采集、处理、传输气象信息的过程。本系统由采集模块、数
2、据传输 模块、管理模块和显示模块组成。它采用 STC89C51 单片机作为管理模块,利用温湿度传感 器对室外的气象信息进行实时采集并通过无线传输模块进行无线信息传输。接收端接收到 信息后经过处理可直接显示到液晶屏上。通过温湿度设置按键,可以进行警戒温湿度的设定。 关键词:关键词:气象信息采集,STC89C51 单片机,无线传输模块 Design of Meteorological Information Acquisition System Based on Microcontroller Abstract:With the development of science and technol
3、ogy, meteorological information acquisition technology also obtained fast development, from the original artificially timing acquisition development up to now unmanned real-time data acquisition. Meteorological information collection is automatic acquisition, processing and transmission meteorologic
4、al information process. The system are consists of acquisition module, the data transmission module, management module and display module.The system uses the STC89C51 microcontroller as management module, the outdoor weather information for real-time acquisition is collected by the temperature and h
5、umidity sensor DHT11,and through wireless transmission module for wireless information transmission,the information can be received by the receive termination.The receiver to receive information after treatment can directly display to LCD screen.Through the temperature and humidity settings button,y
6、ou can set the warning temperature and humidity. Key words:meteorological information collection, STC89C51 microcontroller, wireless transmission module 目目 录录 1 绪论绪论1 1.1 研究现状1 1.2 课题设计目的和应用2 1.3 本文的主要内容和结构2 2 系统设计内容与要求系统设计内容与要求3 3 系统硬件设计系统硬件设计4 3.1 电源电路4 3.2 现场气象信息采集及无线传输5 3.2.1 单片机5 3.2.2 温湿度数据采集6
7、 3.2.3 无线数据传输8 3.3 无线数据接收及显示9 3.3.1 无线数据接收10 3.3.2 数据显示10 3.3.3 键盘输入11 3.3.4 蜂鸣器11 4 系统软件设计系统软件设计12 4.1 系统软件总体设计12 4.2 温湿度采集模块12 4.3 无线传输模块13 4.4 显示模块14 4.5 按键模块14 5 系统调试系统调试15 5.1 硬件调试.15 5.2 软件调试.15 6 结束语结束语16 参参 考考 文文 献献17 致致 谢谢18 附附 录录1 湖州师范学院求真学院本科毕业设计论文 1 1 绪论绪论 1.1 研究现状研究现状 国外自动气象数据采集系统的发展概况1
8、:上个世纪 50 年代,前苏联研制的 M36 型 自动气象站,美国研制的 AMOS-III 型自动气象站是有史以来第一批自动气象信息采集系 统,这些信息采集系统的结构比较简单,只能检测到少量的气象信息。到了 60 年代中期, 第二代自动气象信息采集系统已经能适应各种比较残酷的气候条件,但是由此产生的存储 和传输问题,却始终没能得到很好的解决。到了 70 年代,大量的集成电路相继被运用到第 三代自动气象信息采集系统中,从而实现了软件模块化、硬件积木化,同时为了提高信息 的处理、记录和传输能力,单片机也被运用到自动气象信息采集系统中来。由此开始,自 动气象信息采集系统真正的被推广开来。90 年代以
9、后,国外许多国家都采用自动气象信息 采集系统建成业务性自动观测网。 国内自动气象数据采集系统的发展概况:60 年代初期,我国开始效仿国外的自动气象 站,开始了对自动气象信息采集系统的研制。到了 70 年代初,我国才研制出了 5 台自动气 象信息采集系统,并且在青海省进行试验。由于种种原因,一直无法深入的进行研制工作, 因此跟国外自动气象站的差距越来越大。直到 90 年代初,中小尺度天气自动气象监测网才 在长三角、珠三角地区建站运行,由此开始,我国自行研制的第一批自动气象信息采集系 统设计定型,并且被广泛的推广开来。截至到目前,全国大部分地区的气象站都使用了自 动气象信息采集系统,并且实现了全国
10、联网。 虽然近几年我们的工业科技水平得到了突飞猛进的发展,但是国内的自动气象站相比 于国外还是有比较大的差距。主要存在于采集信息过于单一,信息存储及信息传输误差大 等缺陷,特别是那些远在偏远地方的采集系统往往所要大量的人力和财力的投入。随着科 技水平的提高,无线技术的成熟,自动气象信息采集系统正在走入气象监测的舞台。气象 信息观测也由早期的人工观测发展为仪器自动观测。人们只需要坐在室内操纵计算机,便 能及时的了解各个地方的实时气象信息。因此建立气象信息采集系统是必然的趋势。气象 信息采集系统的优点是: (1)实时监测温度、湿度、风速、风向、雨量、气压、太阳辐射、土壤温度、土壤湿度 等九要素气象
11、参数,为大幅提高定时定点气象预报水平提供详细的气象数据。 (2)降低人工观测的误差。由自动气象站监测并且直接传输到计算机中进行数据分析显 示。 (3)观测人员的工作重点由观测记录数据逐步转移到对数据的分析研究上和对自动气象 信息采集系统的维护上。 (4)减少人员需求。自动气象信息采集系统的使用可以使气象站的人员减少到 2-3 人2。 综上所述,气象信息采集系统具有低功耗、高稳定性、高精度、可无人值守、适用范 围广、适应能力强等特点,硬件和软件均采用组合式开放性设计,可灵活组合使用。从而 提高了气象站观测资料的空间密度和时间密度,增强了监测、警报、预警能力。被广泛应 湖州师范学院求真学院本科毕业
12、设计论文 2 用于农业、水文、军事、仓储、机场、科学研究等领域。 1.2 课题设计目的和应用课题设计目的和应用 我国幅员辽阔,地形复杂,地貌多样,地势起伏大,山地、平原、丘陵和高原林立。 由于受地理位置和复杂多样的地形条件的影响,全国气候差异明显,具有多样性和复杂性 的特点。为满足中小尺度预报模式需要,并及时掌握局地气象信息变化,各种中小尺度网 格的野外自动气象观测站相继建成3。对气象信息采集系统的要求也就越来越高,研发环 境适应能力强、气象要素观测稳定、观测精度高的气象信息采集系统十分必要。 虽然我国对气象信息采集系统的研究起步比较晚,但是经过有关专家的不断试验和改 进,已经取得了不小的进步
13、。目前应用最广的自动气象站就是本课题的研究雏形。针对自 动气象站结构复杂的特点,本课题进行了相应的改进,使其具有便于安装调试,集成度高, 费用低,结构简单的特点,能够满足一般气象信息观测的要求。 气象信息采集系统可以方便地移植应用于一般用户,这将为拓宽气象业务的发展做出 一份贡献,从而更好的推动气象事业的发展,并使其更好地为大众服务4。 1.3 本文的主要内容和结构本文的主要内容和结构 本设计是以自动气象站为雏形,提出并设计了一个结构简单的气象信息采集系统。针 对各种各样的要求,在硬件上采用了功能强大的 STC89C51 单片机作为核心的控制器件, 承担气象信息采集 过程当中的信息处理工作 ,
14、单片机接收 DHT11 传感器传送过来的 温湿度数字信号,通过无线传输模块进行数字信号传输,最终将测量到的温湿度显示到 液晶屏上面。 为了使该设计的应用范围更广,特意在信息采集的基础上添加了超限警 报功能。并且,该功能可以自行进行数据的设定,避免了不必要的麻烦。在软件上注 重结构的合理化安排,使用 C 语言进行编程,使程序容易维护、修改和扩充。以下是论文 的主要结构: 第一章介绍了气象信息采集系统的发展现状,介绍了自动气象站,提出了本文的研究 目的和应用。 第二章讲述了气象信息采集系统的整体设计思路,介绍了本课题的设计内容与要求。 第三章阐述了现场气象信息采集及无线发送和无线数据接收及显示的硬
15、件设计,说明 了相应元器件的选择和应用,描述了各部分控制原理。 第四章介绍了各模块的软件设计,说明了各元器件的编程思路。 第五章阐述了系统的硬件和软件调试。 第六章结束语。 湖州师范学院求真学院本科毕业设计论文 3 2 系统设计内容与要求系统设计内容与要求 一个完整的气象信息采集系统主要由硬件和软件两部分组成。仅从硬件方面来看,目 前气象信息采集系统主要采用集散式和总线式两种体系结构集散式数据采集系统是计算 机网络技术的产物,它由数据采集站、上位机及通信线路组成。采用总线技术的自动气象 数据采集可以使结构简单,工作可靠,耗电量低,组网通讯方便5。在两种系统方案中本 论文选择的是集散式信息采集系
16、统体系。从软件方面来看,为求更改方便,本设计采用 C 语言进行编程。 本系统是以 STC89C51 单片机作为信息处理核心的气象信息采集系统装置,适用于家 庭、学校、蔬菜大棚等场所。本系统的核心部件 STC89C51 单片机,接收和处理来自传感 器的信号,通过程序的执行,在液晶显示屏上显示结果。系统能测量实时的温度和湿度, 并在液晶屏上显示。再者,系统具有超限警报功能,一旦被检测的空气中温度或者湿度大 于设定数值时,发出警报。该系统的电源可以采 5V 直流电供电。 本文实现一种基于单片机的气象信息采集系统,整个系统的功能模块可分为发送部分 (图 a)和接收部分(图 b),如下图 2-1 所示:
17、 图 a 发送部分框架图 图 b 接收部分框架图 图 2-1 气象信息采集系统框图 系统主要实现下面几个功能 发送部分功能: (1)现场采集部分的温湿度传感器模块采集数据,将采集到的数据传给 STC89C51 单片机 进行处理。 (2)现场部分的单片机处理完的数据经过 NRF24L01 无线传输模块传送。 接收部分功能: (3)接收部分的无线传送模块接收数据,并将数据传送给单片机。 (4)单片机经过数据处理后传送给 LCD1602 液晶屏显示。 另外,采集到的气象要素数据进行处理前一段要经过传感器界限值和气象要素允许范 围检查6。所以系统设有安全警报,可以预先设定温度湿度,一旦超过该设定温度或
18、者湿 度,就会发出警报,比较适合一般的蔬菜大棚。本系统设计力求使用方便,以人为本的人 湖州师范学院求真学院本科毕业设计论文 4 性化设计。 3 系统硬件设计系统硬件设计 系统设计主要分为发送部分和接收部分。其中发送部分主要包含气象信息采集模块 (DHT11)、STC89C51 单片机模块、电源模块和无线传输模块。具体电路图如图 3-1 所示。 接收部分主要包含 STC89C51 单片机模块、显示模块、键盘模块、无线传输模块、蜂鸣器 模块和电源模块。具体电路图如图 3-2 所示。 图 3-1 发送部分电路图 图 3-2 接收部分电路图 3.1 电源电路电源电路 电源是整个系统工作的基本保障,本设
19、计的工作电压是 5V,如果使用 220V 交流电供 电,则需要 LM7805 稳压电路。 为了简化电源系统,本设计直接使用直流电供电(干电池供电达不到元器件的工作电压)。 由于 NRF24L01 无线传输模块的工作电压是 3.3V,因此,在电路中必须加入三端稳压器, 湖州师范学院求真学院本科毕业设计论文 5 将 5V 的电压降到 3.3V。本次设计使用的是 AMS1117,相比 7805 的优点是:正常工作时, 输入电压与输出电压之差可降低至 1V,而 5V-3.3V=1.7V1V,可见采用单 5V 电源供电所 有元器件都可正常工作。发射部分和接收部分的电源都是 5V,电路图如图 3-3 所示
20、: 图 3-3 AMS1117 电路图 3.2 现场气象信息采集及无线传输现场气象信息采集及无线传输 3.2.1 单片机单片机 气象信息采集系统的硬件设计包括传感器的选择和信息采集器的设计。而单片机是气 象信息采集系统的核心,主要功能是将传感器所检测到的各种电信号进行获取处理。 单片机又称嵌入式微控制器或微控制器,是用于测控用途的一种微型计算机,主要是 以嵌入式形态嵌入到各种测控设备中,应用十分广泛。单片机按其位数分为 4 位、8 位、 16 位、32 位,目前以 8 位居多,16 位次之7。 本次设计采用 STC89C51 单片机作为管理模块。STC89C51 单片机是 8051 新一代单片
21、 机,具有高速、低功耗等特点。最高工作频率可分别达到 25MHz50Hz。STC89C51 单片 机的工作电压分为 5V 型号和 3.3V 型号。5V 型号可工作于 3.4V6.0V,而 3.3V 型号可工 作于 2.0V4.0V。STC89C51 可以完成 ISP 在线编程功能,并且全面兼容其它 51 单片机。 STC89C51 内部有 E2PROM,可以在程序中修改,而且断电不丢失数据。此外,还增加了 两级中断优先级等等8。图 3-4 为单片机引脚图: 图 3-4 单片机引脚图 STC89C51 单片机部分特性如下: 1.ISP 与 IAP 编程方式 湖州师范学院求真学院本科毕业设计论文
22、6 2.降低单片机对外部电磁辐射 3.内部可扩展 RAM 4.具有双 DPTR 数据指针 5.可扩展 P4 口 6.内置看门狗电路 7.软复位功能 8.带 A/D 功能 9.性价比高 由于本设计涉及到无线数据的收发,因此,需要两个 STC89C51 单片机模块。在一个 单片机模块中,除了 STC89C51 单片机外,还需要时钟电路以及复位电路。时钟电路由两 个 30pF 的电容和一个 12MHZ 晶振组成。而复位电路就是向单片机的 RST 复位引脚输入 一个持续时间上大于 2 个时钟周期的高电平。单片机模块电路图如图 3-5 所示: 图 3-5 单片机模块电路图 3.2.2 温湿度数据采集温湿
23、度数据采集 温度是国际单位制中 7 个基本物理量之一,与人们的生产生活密切相关9。测量温度 传感器种类很多,常用的有:超声测温计、热电偶、金属热电阻、热敏电阻、PN 结及 IC 温度测量元件等。 湿度很难用数量来表示。对湿度的表示方法是相对湿度。而常用的湿度传感器也有好 几种,比如:湿敏电阻、湿敏电容、集成湿度传感器等10。 由于温度与湿度的关系密切,因此温湿度一体的传感器相应产生。市场上的温湿度传 感器一般测量的是温度量和相对湿度量。温湿度测量主要存在的问题是精度要求。提高精 度,减小误差那是非常困难的。目前国内的自动气象站使用的都是进口的温湿度传感器, 比如 HMP45A/45D,这是由
24、Vaisala 公司生产的,被广泛运用于自动气象站。而本次设计 以节约成本为目的,采用 DHT11 作为温湿度采集模块。 DHT11 温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,自带 A/D 转换器,因此就节省了将模拟信号转换为数字信号这个过程。它应用专用的数字模块采集 技术和温湿度传感技术,具有很高的可靠性和稳定性,超小的体积和超低的功耗,其封装 湖州师范学院求真学院本科毕业设计论文 7 为 4 针单排引脚封装,信号传输距离可到 20 米以上。 DHT11 温湿度传感器通过单总线与单片机连接,既可以传输时钟信号,又可以传输数 据信号,与传统的模拟信号传感器相比,更简单,更方便
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