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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.docx基于单片机的便携式气象仪设计.docx基于单片机的便携式气象仪设计.docx基于单片机的便携式气象仪设计.docx基于单片机的便携式气象仪设计.docx基于单片机的便携式气象仪设计.docx基于单片机的便携式气象仪设计.docx基于单片机的便携式气象仪设计.docx基于单片机的便携式气象仪设计.docx
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目 录
设计总说明 ............................................... 错误!未定义书签。
Introduction ............................................. 错误!未定义书
签。
第 1 章 绪论 .............................................. 错误!未定义书签。
研究的背景........................................... 错误!未定义书签。
国内外研究现状....................................... 错误!未定义书签。
课题研究的内容和意义................................. 错误!未定义书签。
第 2 章 系统方案选择与论证 ................................ 错误!未定义书签。
设计要求............................................. 错误!未定义书签。
总体设计方案......................................... 错误!未定义书签。
各模块方案选择和论证................................. 错误!未定义书签。
主控制器模块 ...................................... 错误!未定义书签。
风向风速测量模块 .................................. 错误!未定义书签。
温度测量模块 ...................................... 错误!未定义书签。
气压测量模块 ...................................... 错误!未定义书签。
定位模块 .......................................... 错误!未定义书签。
无线通信模块 ...................................... 错误!未定义书签。
系统各模块的最终方案确定............................. 错误!未定义书签。
第 3 章 系统硬件设计 ...................................... 错误!未定义书签。
系统核心控制单元 AT89C52 ............................. 错误!未定义书签。
系统电源的设计....................................... 错误!未定义书签。
系统数据的采集....................................... 错误!未定义书签。
测温模块电路设计 ................................. 错误!未定义书签。
湿度模块电路设计 ................................. 错误!未定义书签。
风向风速模块电路设计 ............................. 错误!未定义书签。
气压模块电路设计 ................................. 错误!未定义书签。
单片机与传感器连接电路设计........................... 错误! 未定义书签。
分频电路设计......................................... 错误!未定义书签。
通信模块电路设计..................................... 错误!未定义书签。
GPS 简介 .......................................... 错误!未定义书签。
GPRS 模块简介 ..................................... 错误!未定义书签。
显示单元的设计....................................... 错误!未定义书签。
独立键盘模块设计..................................... 错误!未定义书签。
第 4 章 系统软件设计 ......................................错误!未定义书签。
软件设计概述......................................... 错误!未定义书签。
温度传感器模块的软件设计............................. 错误!未定义书签。
DS18B20 的的初始化 ................................ 错误!未定义书签。
单片机与 DS18B20 的通信 ...........................错误!未定义书签。
DS18B20 内部结构 .................................. 错误!未定义书签。
读取温度值 .......................................错误!未定义书签。
模数转换模块的软件设计............................... 错误!未定义书签。
通信模块的软件设计................................... 错误!未定义书签。
串口工作方式 1 介绍 ...............................错误!未定义书签。
GPS 模块软件设计 .................................. 错误!未定义书签。
GPRS 模块软件设计 ................................. 错误!未定义书签。
显示模块的软件设计................................... 错误!未定义书签。
Proteus 仿真 .........................................错误!未定义书签。
第 5 章 总结 ..............................................错误!未定义书签。
参考文献 .................................................错误!未定义书签。
附录 A 原理图............................................. 错误!未定义书签。
附录 B 程序及注释......................................... 错误!未定义书签。
致谢 ..................................................... 错误!未定义书签。
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范能力。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、国内外气象检测技术的研究成果以及本课题
研究的主要内容及其意义,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,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,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,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,它的内部有一湿敏元件,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 内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 内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~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 SIMCOM 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
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资源评论
- m0_676601632024-02-23感谢大佬分享的资源,对我启发很大,给了我新的灵感。
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