基于太阳能供电的便携式气象检测仪的设计

雷悦++常峰++苟宽++李灯学

摘 要 本文提出一种在户外使用的便携式气象检测仪设计方案。该设计以STC51单片机系列的IAP15F2K61S2为主控芯片，由风速风向传感器、PM2.5传感器、温湿度传感器、大气压强传感器、GSM信息发送模块、太阳能供电系统等构成。经测试，该系统携带方便，操作简单，精度高，适用于各种场合的户外工作。

关键词 气象检测；单片机；太阳能；便携式

中图分类号 P4 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）196-0086-02

随着计算机技术、自动控制技术、无线通信技术等的迅猛发展和普及，环境监测系统在智能化、自动化、远程化得到了长足进步。同时在不同生产生活领域，随着人们实践步伐的前进，对环境信息获取的及时性、准确性、灵活性的要求越来越高，普遍模式下的环境监测系统，已经远远不能满足当前科技发展的要求。不仅如此，新型的环境监测系统，正向着小型化、简单化、续航能力强、功能越来越强大、低成本、复合化等方向发展。为了减少成本，实现远程环境信息采集系统的灵活性、低成本性、可持续性，本设计小组提出一款小型便携式的环境信息采集系统，使用太阳能供电，可随意移动和放置，用户还可通过GSM短信功能模块，随时随地了解系统所在地的各项环境信息。

1 系统总体设计

本系统结构组成框图如图1所示，主要由太阳能供电模块、信息采集模块、主控模块以及信息发送模块构成[1]。

主控采用IAP15F2K61S2单片机为主控芯片，含有两组高速异步串行通信端口，分时复用可当5组串口使用，能满足本设计多路传感器的信息交互。信息采集模块采用BMP085型大气压强传感器、DHT11型温湿度传感器以及GP2Y10PM2.5传感器采集当前的气象状况。另外风力风向传感器由E6A2-CW3C型编码器和WDD35D4型高精度数字电位器制作而成。整个系统都由蓄电池供电，当太阳光照射太阳能电池板时，由供电电路判断是否给蓄电池供电。当远程用户给GSM模块发送指令时，系统识别用户信息和指令，匹配情况下，系统开始采集当前时间下的气象信息，并处理后通过GSM模块发送给远程用户。

2 系统设计

2.1 供电系统设计

户外环境复杂，有些地方较远较偏僻，有些地方不宜架设线缆，在铺设供电线路上会花费较多的人力财力。采用太阳能供电能较好的降低成本，实现便携式、可移动式。太阳能电池板的输出电压与受光面积成正比，并且太阳能电池板需要有太阳的天气才能充足的发电，所以本系统采用一个蓄电池作为储存电能的容器，能在天气状况不佳或者晚上的时候给系统供电。

据了解太阳能电池板每天的发电量等于电池板的最大输出功率和日照时间的乘积，已知蓄电池的容量等于放電时间和放电电流的乘积，根据功率公式P=IU可将电池板每天的发电量和蓄电池的容量联系起来，那么通过计算就可以选择蓄电池的容量[2]。本系统使用输出额定电压7.2V，额定电流2 000mAh的蓄电池。通常来说太阳能电池的额定输出电压要比蓄电池高1.3～1.5倍，所以选择一块输出电压在12V以上的太阳能电池板较为合适。最后通过DC-DC降压模块把电压降到12V为蓄电池充电，再将7.2V经过LM2940和LM1117的作用把电压稳压到5V和3.3V，分别给各类传感器、GSM模块、单片机供电。

2.2 风速风向模块设计[3]

使用3个半圆型乒乓球分别固定到三角架上，三角架轴心固定到编码器上，这样就构成了一个风速检测装置。根据编码器的特点，利用单片机外部中断采集编码器输出脉冲的个数，定时器设置为采集时间，通过计算脉冲的频率从而得到风速的值。

采用一块硬度较好较薄的塑料板，固定到一个摩擦力非常小的电位器轴心上，这样就构成了一个风标检测装置。利用单片机内部的10位高精度A/D转换器采集电位器值，通过转换算法得到方向值。

2.3 各传感器采集模块介绍

BMP085是一款高精度、超低能耗的压力传感器，通过IIC总线直接与主控芯片相连。在电源端增加0.1uf电容保证供电文波较小，增加4.7K上拉电阻可适量减少IIC总线的干扰。

DHT11数字温湿度传感器既可以测温度又可以测湿度，通过一根单总线和主控芯片相连。总线一次传输40bit数据，由高位依次传输到低位，这40位数据分别是湿度数据整数部分（8bit）、湿度数据小树部分（8bit）、温度数据整数部分（8bit）、温度数据小数部分（8bit）以及最后的校验位（8bit）。

GP2Y1010是夏普公司的光学粉尘传感器，通过两根线和和主控芯片相连，一根作为初始和控制作用，另一根连接单片机内部的10位高精度A/D转换器，实现AD的转换。转换出来电压值与同标准灰尘密度成比例，可测量0.8微米以上的微小粒子，从而可以测量空气PM2.5值。

2.4 GSM模块

本系统采用了SIM300模块实现数据的无线传输，用户通过手机远程发送控制命令，实现当前温度，湿度，风力风向，大气压力等数据的回传。SIM300模块通过串行端口与主控芯片相连。本设计只使用了SIM300模块AT命令中的短消息命令，发送短信作如下简要说明[4]：

1）AT+CMGF=*

*为0是PDU模式，1是文本模式，文本模式不支持中文，PDU模式既可以发送中文又可以发送英文。

2）AT+CSCA="+861380****500"

****为短信中心号码的区号，乐山地区为0833。

3）AT+CMGS=***<回车>

001100xx916821436587A9FB0008010##D6C66BFA562668B

xx（16进制）为手机号码长度，21436587A9FB表示目的手机号：123456789AB，F为补充。##表示发送内容的长度，##后面即是发送的内容。其中***为整个发送码的字节数。

2.5 电路原理及实现

气象检测仪的实物照片如图2所示。

图2 气象检测仪的实物图

3 结论

本设计体积小，方便户外携带，同时适合在各类户外位置安装。通过太阳能供电实现了户外系统可持续工作时间，用户可随时随地通过手机获取采集地的气象信息，为异地检测监控提供了方便途径。

参考文献

[1]李险峰.便携式气象检测仪的设计[D].长春理工大学，2009：21-24.

[2]韩涵，黄国华，赵伟，施钰川.晶体硅太阳电池室外发电性能实测与分析[J].太阳能学报，2013，34（4）：641-646.

[3]王柏林，花卫东，阳艳红.便携式自动气象站结构与功能设计[J].气象与环境科学，2013，36（4）：79-83.

[4]李云龙，姜亚萍.基于GSM网络的无线智能家居监控系统设计[J].电子技术与软件工程，2015（13）：34-35.endprint