基于单片机的自动气象监测系统的设计与实现

雷文礼　任新成　曹新亮

摘 要： 随着电子技术和气象监测技术的不断进步，现代气象监测已经由原来的人工监测逐步过渡到自动气象监测。设计了一种基于单片机的自动气象监测系统，该系统主要由数据采集部分、数据接收部分和上位机组成。数据采集部分负责采集温湿度等数据信息，数据接收部分负责将采集到的温湿度等数据信息进行显示，并发送到上位机保存及后续处理。该系统具有稳定性高、精度高、操作应用范围广、适应性强，可实现无人值守等优点，可广泛应用于农业、水文、军事、仓库、机场、科学研究等领域。

关键词： STC89C51； 气象监测； 数据信息； 监测系统

中图分类号： TN710?34； TP273.5 文献标识码： A 文章编号： 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

大气现象和气候的变化与人们的生产和生活有很大的联系。进行气象监测，开展气象预报、预测、科学研究是生态监测研究的重要领域之一。随着电子技术和气象监测技术的不断进步，现代气象监测已经由原来的人工监测逐步过渡到自动气象监测。自动气象监测系统相比于传统人工气象监测具有稳定性高[1]、精度高、操作应用范围广、适应性强，可实现无人值守等优点，可广泛应用于农业、水文、军事、仓库、机场、科学研究等领域。

1 自动气象监测系统设计

自动气象监测系统主要由数据采集部分、数据接收部分和上位机三部分组成[2]。其中，数据采集部分负责温湿度等数据信息的采集，数据接收部分将采集到的温湿度等数据信息进行显示并发送到上位机保存，上位机主要负责后续数据的处理工作。同时，该系统具有超限报警功能，当温度或空气中的湿度大于设定值，将发出一个警告[3]。系统数据发送部分和接收部分如图1所示。

数据采集发送部分功能如下：

（1） 采集现场温湿度等气象数据，将采集到的数据传给主控制器处理。

（2） 将主控制器处理完的现场温湿度数据经无线传输模块传送。

数据接收部分功能如下：

（1） 接收数据采集发送部分发送的现场温湿度数据，并将数据发送给主控制器处理。

（2） 主控制器将数据处理后传送给LCD1602液晶屏显示。

（3） 将数据结果上传给上位机保存及后续数据分析处理。

同时，系统提供一种安全警报，可以预先设定温湿度，一旦超过设定温度或湿度，将发出一个警告，适用于一般温室蔬菜大棚。

2 硬件设计

本文设计的自动气象监测系统主要涉及数据采集部分和数据接收部分。上位机由一台台式电脑构成[5]。

其中，数据采集部分主要包含单片机模块STC89C51、气象信息采集模块DHT11、电源模块和无线传输模块。电路图如图2所示[6]。

接收部分主要包含单片机模块STC89C51、显示模块、键盘模块、无线传输模块、蜂鸣器模块和电源模块。电路图如图3所示。

2.1 控制器选择

本文采用STC89C51单片机作为核心控制器[7]，作为新一代核心控制器，其具有高速、低功耗等特点，工作频率最高可达到25 MHz，工作电压分为5 V型号和3.3 V型号，可以完成ISP在线编程功能，其内部具有E2PROM，可以在程序中修改，断电不丢失数据。同时还增加了两级中断优先级等。endprint

2.2 温湿度数据采集模块

本文设计采用DHT11作为温湿度采集模块。DHT11温湿度传感器内部带有A/D转换器，具有稳定性高、可靠性好、体积小、低功耗、信号传输距离可达到20 m等特点。其通过单总线与单片机连接，简单方便，传输时钟信号或者数据信号都可在该线上进行。因为DHT11不需要放大电路，所以采集模块只有DHT11传感器与一个10 kΩ的上拉电阻组成。

2.3 无线数据传输模块

无线传输模块是温湿度信息可靠传输的保障，本文经比较选用nRF24L01型号无线收发模块[8]。nRF24L01型号模块内部采用GFSK进行调制，工作电压为1.9～3.6 V，其最大发射功率为1 mV，瞬间最大工作电流小于15 mA， 通常工作在2.400～2.524 GHz频率，电源关掉情况下功耗为400 mA，在待机模式下的功耗是32 μA，芯片上的电压调节器，可在1.9～3.6 V低电压工作，空旷地通信距离可达20 m以上。无线传输模块和无线接收模块成对使用，都利用nRF24L01构成无线收发电路。

3 软件设计

自动气象监测系统应用程序根据系统组成部分的不同，也可分为数据采集发送部分和接收部分。系统软件设计的主要目标是将传感器采集到的温湿度数字信号发送到接收部分，并经过程序处理后，在LCD1602液晶显示屏上显示，最后将信息保存在上位机，为后续数据的进一步分析与处理提供保障。系统软件设计流程图如图4所示。

3.1 温湿度采集模块

当系统发出开始信号后，温湿度采集模块DHT11从低功耗模式转换到高速模式，发送响应信号，并且采集一次温度和湿度，采集结束后，由高速模式转换到低速模式，如果DHT11没有收到主控制器发送的开始信号，则不会进行温度和湿度的采集。总线被拉低的时间必须大于18 ms， DHT11才能检测到开始信号。温湿度数据模块流程图如图5所示。

3.2 显示模块

本次使用了LCD1602，所以有16个引脚，11个与单片机的I/O口连接和通信，其中8个为数据引脚，另外3个作为控制引脚。通过改变3个控制引脚的电平，可以对1602液晶进行写命令、读命令、写数据、读数据的操作，从而控制1602液晶。显示模块的程序流程图如图6所示。

4 结 语

本文设计了一种基于单片机的自动气象监测系统，该系统主要由数据采集部分，数据接收部分和上位机组成。数据采集部分负责采集温湿度等数据信息，数据接收部分负责将采集到的温湿度等数据信息进行显示，并发送到上位机保存及后续处理。该系统具有稳定性高、精度高、操作应用范围广、适应性强、可实现无人值守等优点，可广泛应用于农业、水文、军事、仓库、机场、科学研究等领域。

参考文献

[1] 张冬林，李鑫，戴梅，等.基于DHTll的低成本蚕室温湿度自动控制系统的设计[J].现代农业科技，2010（18）：14?15.

[2] 曾晓英，姜虹，罗朝斌，等.温湿度对普通蚕品种吐平面丝成绩的影响[J].贵州农业科学，2009（5）：126?127.

[3] 吴政江.单片机控制红外线防盗报警器[J].电子制作，2006（12）：26?27.

[4] 宋文绪，杨帆.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5] 余锡存，曹国华.单片机原理及接口技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000.

[6] 唐桃波，陈玉林.基于AT89C51的智能无线安防报警器[J].电子设计应用，2003，5（6）：49?52.

[7] 李全利.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[8] 薛均义，张彦斌.MCS?51系列单片微型计算机及其应用[M].西安：西安交通大学出版社，2005.endprint