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

25、11。 需要注意的是在测量湿度时，温度对于测量湿度的影响会非常大。如果传感器附近的 元器件释放热量，在安装时，尽可能将 DHT11 安装在释放热量的元器件下方并且远离元器 件，同时保持良好的通风。为了更好的获得准确的数据，DHT11 与电路板其他部分的镀铜 层应尽可能最小，并在两者之间留出一道缝隙。 同样的，DHT11 的应用领域非常广，比如汽车、暖通空调、家电、温湿度调节器、除 湿器、医疗、湿度调节器、气象站、自动控制、数据记录器等。 DHT11 温湿度传感器性能参数： 温度 测量范围： 060 精度： 2 测量分辨率： 8bit 湿度 测量范围： 2090RH 精度： 5%RH 测量分辨率

26、： 8bit 供电电压： 35.5V 保存条件：温度 1040 湿度 60以下 DHT11 的引脚说明如表 3-1 所示： 表 3-1 DHT11 引脚说明 引脚号名称注释 1VDD供电 3.5V5.5V 2DATA串行数据，单总线 3NC空脚，悬空 4GND接地，电源负极 我们采用 DHT11 温湿度传感器，其主要特性如下： (1)4 引脚安装 (2)完全互换 (3)超低能耗 (4)无需额外部件 (5)超长的信号传输距离 (6)卓越的长期稳定性 (7)相对湿度和温度测量 (8)全部校准，数字输出 由于 DHT11 不需要放大电路，因此，采集模块只有 DHT11 传感器与一个 10K 的上拉

27、电阻组成。电路图如图 3-6 所示： 湖州师范学院求真学院本科毕业设计论文 8 图 3-6 DHT11 温湿度采集模块电路图 3.2.3 无线数据传输无线数据传输 无线传输模块是信息传输的核心，承担了信息的传输工作。常用的无线模块有 NRF905、NRF24L01、CC1100、Si4432、CC1020、CC2500 等型号。在选用无线模块方面 有如下几个方案： 方案一、选用 Si4432 型号模块。Si4432 型号模块具有完整的 FSK 收发器，最大发射 功率为 17dBm，接收灵敏度高达-115dBm，传输速率最大可达 128Kbps，工作频率为 433M 免费 ISM 频段(430.

28、23439.75MHz)，也可以工作于 900.72929.27MHz，空旷通讯距离可达 800 米以上。 方案二、选用 NRF905 型号模块。NRF905 型号模块工作电压为 1.93.6V，调制方式 为 GFSK，最大传输速率为 50Kbps，瞬间最大工作电流小于 30mA，并且 433MHZ 开放 ISM 频段免许可使用，工作频段为 422.4473.5MHz，空旷地通讯距离为 100 米以上。 方案三、选用 CC1100 型号模块。CC1100 型号模块的工作电压为 1.93.6V，最大发射 功率为 10mV，瞬间最大工作电流小于 30mA，并且 433MHz 的免费 ISM 频段免

29、许可使用， 工作频段为 402MHz470MHz，最高工作速率为 500Kbps，支持 2-FSK、GFSK 和 MSK 调 制方式，空旷地通讯距离为 250 米以上。 方案四、选用 CC1020 型号模块。CC1020 型号模块工作电压为 2.3V3.6V，低电流消 耗为 19.9mA，工作频率范围为 402MHz470MHz，灵敏度高，数据率最高可达 153.6Kbps,SPI 接口配置内部寄存器，标准 DIP 间距接口，便于嵌入式应用，开阔地通讯距 离可达 500 米以上。 方案五、选用 NRF24L01 型号模块。NRF23L01 型号模块的工作电压为 1.93.6V，调 制方式为 G

30、FSK，最大发射功率为 1mV,瞬间最大工作电流小于 15mA，最大传输效率为 2Mkbps，工作频率为 2.4002.524GHz，掉电模式下的功耗 400mA，待机模式下的功耗为 32uA，具有片内稳压器，可在 1.93.6V 低电压工作，空旷地通讯距离可达 20 米以上。 方案六、选用 CC2500 型号模块。CC2500 型号模块的工作电压为 1.83.6V，工作频率 范围为 24002483.5MHz，ISM 和 SRD 频段免许可使用，最高工作速率为 500Kbps,支持 2- FSK、GFSK 和 MSK 调制方式，接收灵敏度高，支持低功率电磁波激活功能，外部中断唤 醒，外部中断

31、或 RTC 唤醒系统，空旷地通讯距离为 20 米以上。 方案一、方案三、方案四性能十分强大，可相对于其他几个方案来说过于复杂，跟本 设计的简约设计初衷相矛盾。而方案二的价格太高，因此不适合。由于平时从未接触过 湖州师范学院求真学院本科毕业设计论文 9 CC2500 型号模块，因此本设计采用方案五的 NRF24L01 无线传输模块。 NRF24L01 是一款新型单片射频收发器件，工作频段范围在 2.4GHz2.5GHz 之间，而 且 NRF24L01 的功耗非常低，因此比较适合简单的设计。 NRF24L01 主要特性12如下： GFSK 调制； 硬件集成 OSI 链路层； 具有自动应答和自动再发

32、射功能； 片内自动生成报头和 CRC 校验码； 数据传输率为 1Mb/s 或 2Mb/s； SPI 速率为 0Mb/s10Mb/s； 125 个频道； 与其他 NRF24 系列射频器件相兼容； QFN20 引脚 4mm4mm 封装； 供电电压为 1.9V3.6V。 NRF24L01 的封装及引脚排列如图 3-7 所示： 图 3-7 NRF24L01 引脚排列 由于无线传输模块跟无线接收模块是一对的，都采用了 NRF24L01，因此它们的电路图相 同如下图 3-8 所示： 图 3-8 无线传输模块原理图 湖州师范学院求真学院本科毕业设计论文 10 3.3 无线数据接收及显示无线数据接收及显示 3

33、.3.1 无线数据接收无线数据接收 无线数据接收部分与无线发射部分是对应的，同样采用的是 NRF24L01 无线传输模块。 NRF24L01 虽然比较简单，但是它在开阔地的实测距离仍可以达到 20 米以上，能满足一般 的需求。而且它的使用方法非常简单，不需要什么专业知识，只需要 5 个普通的 IO 操作即 可完成数据收发，任何单片机都可以选择此模块。 本设计使用的 NRF24L01 无线传输模块虽然小巧，但是一点不妨碍到它的使用领域。 像车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、机 器人控制、无线 232 数据通信、无线 485/422 数据通信、数字音频、数字

34、图像传输等都会 出现它的身影。 3.3.2 数据显示数据显示 一个系统中，显示部分同样非常重要，它能将用户所需要的资料信息都显示出来。常 用的显示设备有数码管、LCD 显示屏、各类点阵等。 常用的显示方案有如下几种： 方案一、采用数码管作为显示模块。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管。通 过对其不同管脚输入相对的电流，会使其显示出数字。由于它价格便宜、体积小、亮度高 等特点，被广泛应用于各种电子产品。 方案二、采用 12864 液晶作为显示模块。12864 液晶除了可以显示数字、英文字母外， 还能显示中文、图形等信息，每屏可以显示 32 个中文字符或 64 个 ASCII 码字符。可以说

35、功能非常强大。 方案三、采用 1602 液晶作为显示模块。1602 液晶具有可视面积大，画面效果好，抗 干扰能力强，调用方便等特点，且操作简单，可以显示数字、标点、字母等信息，显示内 容比数码管丰富。 由于本次设计需要显示温度、湿度等信息，因此不选择成本非常高的 12864 液晶。如 果采用数码管，则需要用动态扫描，占用的资源比较多，而且显示界面不太友好。综上所 述，选择 1602 液晶作为显示模块。 LCD1602 能够显示 32 个字符。1602 液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了 160 个不同的点阵字符图形，包括阿拉伯数字、英文字母、常用的符号、日文等。 LCD1602 采用标准的

36、 16 脚接口，各引脚接口说明如表 3-2： 表 3-2 引脚接口说明表 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSS电源地9D2数据 2VDD电源正极10D3数据 3VL液晶显示偏压11D4数据 4RS数据/命令选择12D5数据 5R/W读/写选择13D6数据 6E使能信号14D7数据 7D0数据15BLA背光源正极 湖州师范学院求真学院本科毕业设计论文 11 8D1数据16BLK背光源负极 1602 液晶模块的电路图如图 3-9 所示： 图 3-9 1602 液晶显示模块电路图 3.3.3 键盘输入键盘输入 由于本次设计添加了设置温湿度警报的功能，所以需要配备键盘。 常用的键盘设计方案有以下

37、几种： 方案一、采用独立按键组成的键盘。独立按键的特点是一个按键占用一个 I/O 口，且 编程非常简单，比较适合按键少的设计。 方案二、采用矩阵键盘。矩阵键盘是将按键排列成矩阵形式，用其中的每一个按键， 连接引自单片机 I/O 口的行线与列线。行线所接的单片机 I/O 口作为输出端，而列线所接 的 I/O 口则作为输入。这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了13,14。 本次设计只需要四个按键，因此选用独立按键组成的键盘。四个按键 KEY1、KEY2、KEY3、KEY4 分别对应确认、加 1、减 1、复位功能。 键盘按键电路图如图 3-10 所示： 图 3-10 键盘输入电路图 3.

38、3.4 蜂鸣器蜂鸣器 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器。主要有压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种。 本次设计采用的是压电式蜂鸣器。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹 配器及共鸣箱、外壳等组成。当蜂鸣器通电后，多谐振荡器起振，输出 1.52.5KHz 的音频 信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。蜂鸣器模块的电路图如图 3-11 所示： 图 3-11 蜂鸣器电路图 湖州师范学院求真学院本科毕业设计论文 12 4 系统软件设计系统软件设计 4.1 系统软件总体设计系统软件总体设计 在应用系统中，系统的主要功能将由软件来实现，好的软件设计能够充分发挥微控制 器的运算和逻辑控制功能，从而提高

39、仪器的精度和使用的方便性15。根据各部件不同功能 的划分，可分为信息发射部分和信息接收部分。系统软件设计的主要目标是将来自传感器 的数字信号，经过程序处理后，在 LCD1602 液晶显示屏上显示，并且通过键盘控制所需要 显示的信息。只有将发射部分和接受部分两部分软件相互结合，才能实现气象信息系统的 采集显示功能。系统总体软件设计流程图如图 4-1 所示： 发射部分流程图 接收部分流程图 图 4-1 系统总体软件设计流程图 4.2 温湿度采集模块温湿度采集模块 温湿度采集模块 DHT11 接收到一次开始信号后，DHT11 从低功耗模式转换到高速模 式，如果 DHT11 接收到主机发送的开始信号，

40、则 DHT11 发送响应信号，送出 40bit 的数 据信息，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 没有收到主机发送的开始信号，则不会进行温度和湿度的采集。 当温湿度采集模块 DHT11 为空闲状态时，即总线空闲状态时，总线被拉到低电平，等 待 DHT11 的响应，这时，总线被拉低的时间必须大于 18 毫秒，才能使 DHT11 检测到开 始信号。DHT11 接收到主机发送的开始信号后，等待主机发送信号结束，紧接着发送 80us 的低电平响应信号。主机在发送信号结束后，等待延时 2040us 后，读取 DHT11 的响应信 号，等待主机发送开始信号后，可

41、以切换到输入模式或者输出高电平，总线被上拉电阻拉 至高电平。 若总电平为低电平，DHT11 发送响应信号，发送结束后，总线被拉高 80us，紧接着发 送数据，每发送 1bit 数据信息都以 50us 开始，数据位上是 0 或者 1 由高电平的长短决定。 湖州师范学院求真学院本科毕业设计论文 13 当数据信息全部传送完毕后，DHT11 拉低总线 50us，总线由上拉电阻拉高到高电平进入空 闲状态。温湿度数据模块流程图如图 4-2 所示： 图 4-2 温湿度数据模块流程图 4.3 无线传输模块无线传输模块 无线传输模块在发送数据时，首先将 NRF24L01 配置为发射模式，接着将发射的数据 写入

42、NRF24L01，激活无线发射，然后检测 NRF24L01 的 IRQ 引脚，若为低电平，说明数 据发送成功，产生发送中断。若为高电平，则发送未成功，继续发送数据。 无线传输模块在接收数据时，首先将 NRF24L01 配置为接收模式，等待数据传输过来， 当接收模块检测到信号到来时，就将数据存储到当前信号的载波信号中，接着将 RX_DR 置高，IRQ 则变为低电平，成功获取数据。之后 CE 就变成低电平，而 NRF24L01 进入空 闲模式。无线传输模块 的流程图如图 4-3 所示： 发射部分无线传输模块流程图 接收部分无线传输模块流程图 图 4-3 无线传输模块流程图 湖州师范学院求真学院本科

43、毕业设计论文 14 4.4 显示模块显示模块 本次设计使用的是带背光的 LCD1602，因此有 16 个引脚，11 个与单片机的 I/O 相连 并通信，其中 8 个为数据引脚，其余 3 个为控制引脚。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。本设 计中，只需对 1602 液晶进行单向操作，所以省略了对 1602 液晶的读命令和读数据的操作。 显示模块的程序流程图如图 4-4 所示： 图 4-4 显示模块流程图 4.5 按键模块按键模块 本次设计采用按键模块的是四个独立的按键，分别与单片机 P0 口上的四个引脚相连

44、， 当按键没按下时，单片机内部对应的 I/O 接口由于有上拉电阻，其输入为高电平；当某键 被按下后，对应的 I/O 接口变为低电平。只要在程序中判断 I/O 接口的状态，就可知道哪 个键处于闭合状态，就可确定是哪个按键按下。按键模块的流程图如图 4-5 所示： 图 4-5 按键模块流程图 湖州师范学院求真学院本科毕业设计论文 15 5 系统调试系统调试 5.1 硬件调试硬件调试 焊接设备：元器件、导线、焊锡丝、松香、电烙铁、万用表。 主体思想：由于此次设计的电路比较复杂，所以在各元器件未焊接上去前，首先对元 器件的型号和规格进行核对，熟悉各元器件的引脚排列。接着进行合理的排版，用导线连 接各元

45、器件时，必须仔细看清电路图上是怎样接的，防止接错。焊接时按照先焊元器件， 每焊接完一片后，仔细检查有无错误，这样就可以降低出错率，然后焊接电源线和地线， 最后将剩余的引脚对应着焊接。焊接结束后，先用万用表检查电路板得正确性，特别是检 查电源线路的短路和极性错误。最后接通电源，观察是否成功。 硬件测试结果：焊接牢固，管脚相连，与电路图一致，电路检查无异常。 5.2 软件调试软件调试 调试设备：计算机、Keil C 编译软件、51 单片机开发板、STC-ISP 程序烧写软件、电 源。 主体思想：首先调试程序，排除编程过程中的错误，然后用 STC-ISP 程序烧写软件将 Keil C 软件编译产生的

46、 hex 文件烧写进入单片机内部的程序存储器。复位执行程序查看 1602 液晶屏初始显示是否正常。将检测模块放到室外检测，然后查看 1602 显示的数据是 否正确。按键输入是否正常，各类气象信息的采集功能是否都可实现，然后将发射部分与 接收部分的距离进一步增大，看结果是否改变，若无改变，则表明无线模块没有出错。 软件测试结果：软件执行有效，各项功能均可实现。 经过最终测试，该设计能够运行，最终实物图如图 5-1 所示： 图 5-1 基于单片机的气象信息采集系统实物图 湖州师范学院求真学院本科毕业设计论文 16 6 结束语结束语 气象信息采集系统的发展，更好的推动了自动气象站的发展，使地面气象观

47、测迈上一 个新的台阶，这种发展趋势将不可逆转。随着微型计算机、通信和传感器等技术的发展和 推广使用，自动气象站技术将进一步向微功耗、多功能、智能化、高精度、高可靠性方向 发展。 本论文主要完成了以下工作： l、研究了数据采集系统的工作原理，根据气象数据采集的特点，提出了基于单片机的气象 信息采集系统硬件方案和软件方案 2、采用 STC89C51 单片机为数据采集芯片，配合外围器件，设计了一种结构简便，精度较 高的信息采集器。 3、目前已制成一个信息采集器的实验电路板。并通过电路板的调试。 4、利用采集模块，实现了采集、显示气象信息 (温度、湿度）等功能。本系统的气象信息 采集系统在完成了硬件和

48、软件的初步设计和调试功能后，结合气象业务部门结合气象业务 部门的规定，整个系统的功能在硬件和软件上还需要继续完善，以达到简单的气象信息采 集系统的标准。 湖州师范学院求真学院本科毕业设计论文 17 参参 考考 文文 献献 1胡玉峰.自动气象站原理与测量方法M：北京：气象出版社，2004：1-135. 2卫克晶.基于 MSC1210 气象数据采集系统的研制D.南京：南京信息工程大学，2007. 3王颖，刘晓宁.自动站与人工观测气温的对比分析J.应用气象学报，2002，13(6)：741-748. 4 Alberto Mantovani.创建宽带数字家庭J.今日电子 2001，7：28-29. 5

49、张颖超，叶小玲，叶彦斐.现场总线在气象信息服务系统中的应用研究J.微计算机信息， 2001,(17)：40-41. 6JON K.EISCHEID,C.BRUCE BAKER,THOMAS S.KARL.The Quality Control of Long-Term Climatologically Data Using Objective Data AnalysisJ.Journal of Applied Meteorology.1995(34)：2787-2795. 7张毅刚，彭喜元.单片机原理与应用设计M.电子工业出版社，2008：9-10. 8任肖丽，王骥.基于 STC89C51 单片机的电子琴设计J.电子元器件应用.2007,12(7)：27-29. 9谭海涛，王