基于51单片机的车载微型交通气象站设计

基于51单片机的车载微型交通气象站设计*；；（吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春130022）摘要：随着微型计算机、新一代通信技术以及新型传感器的不断推广与应用，我国的气象监测系统必然将转向微功耗、智能化、高可靠性、低成本广泛性方向发展，必将为我们的生产和生活提供更可靠，更详细的气象信息。本次设计利用单片机实现的车载交通微型气象站，能实现气象站小型化和具体化，以物联网为应用场景，多节点不同区域结合实时对大范围的数据进行采集并上传到网络，为车载互联网的数据储备提供新思路。关键词：单片机，微型气象站，数据采集中图分类号：TG156文献标识码：AThedesignofvehiclemicrotrafficweatherstationbasedon51SCMANYan;SHIJing;WEIXin（CollegeofInstrumentationandElectricalEngineering,JilinUniversity,Changchun130061,China)Abstract:Withthecontinuouspromotionandapplicationofmicrocomputer,anewgenerationofcommunicationstechnologyandnewtypesensors，thedevelopmentofweathermonitoringsysteminChinawillinevitablyturntothedirectionofmicropower,intelligent,highreliability,lowcost,whichwillprovidemorereliabledetailedmeteorologicalinformationforourproductionandlife.Thedesignofvehicletrafficmicroweatherstationismadebyusingasinglechipmicrocomputer,whichcanmakethestationmoresmallandconcrete.Combiningmultiplenodeswithdifferentregions,awiderangeofreal-timedataiscollectedanduploadedtothenetworkwithapplicationsceneoftheInternetofthings.ItprovidesanewideafordatastorageoftheonboardInternet.Keywords：SCM;Microtrafficweatherstation;Dataacquisition*指导教师：刘名扬项目类型：创新项目0前言当今社会能够实时准确且尽可能全国大范围对温湿度、风力风向等气象数据进行采集投入大，耗费高，本项目研究基于车载物联网、低成本、大范围地对各地气象数据进行采集。由于气象事业已经和人们的民用和工业活动密不可分,在国防建设、社会进步、经济发展中,气象采集技术扮演着重要的角色,同时随着国家可持续发展战略的实施,气象采集技术对我们越来越重要；随着人们对气象信息需求的不断变化,传统的气象观测模式已经无法满足人们的需要,因此,自动气象数据采集技术在我国有了很好的发展；气象数据采集系统的物联性直接影响着数据实用性,从而,如何实现广泛地从全国各地以致世界各地采集数据信息并汇总,今后必然是极其有意义的一个研究方向。目前国内的气象采集系统虽有较大的发展，但是与国外的发展水平相比，仍有较大的差距。因此，为了提高我国气象监测事业的整体水平，必须重点发展新一代自动气象站，对气象传感器、数据处理等关键技术进行改进。1系统设计本设计采用的硬件系统结构框图如图1所示，系统的硬件设计采用低功耗、便携式的设计理念，主要包括传感器模块、显示模块和以51单片机为中心的控制模块三部分。其中传感器模块包括DHT11温湿度传感器、MS5611气压模块和光电编码器三组传感器，将数据传输到单片机中，同时进行显示,并通过串口转USB将数据传输到PC端。图1整体结构框图Fig.1Thewholestructureblockdiagram2关键模块设计2.1主控芯片ST89C51单片机系统选用单片机STC89C51作为系统的核心芯片。STC89C51是美国STC公司开发的8位微处理器，内嵌4kB的FlashROM。在3.8～5.5V工作电压下，其工作速度范围为0～40MHz。STC89C51芯片具有的特点还包括低功耗、高性能、低价、高速、高可靠、抗干扰、PLCC封装、32位可编程的多功能I/O端口，3个16为定时器/计数器。这使得其能容易的对接受的数据进行处理。2.2温湿度传感器DHT11DHT11数字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。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，其湿度测量范围为20-90%，温度测量范围为0-50摄氏度，供电电压3-5.5v,分辨率为1，适应用于车载气象站。图2:DHT11Fig.2DHT11DHT11能一次传输40位数据，数据格式为8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。其通信过程如下：总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号，这时DHT11再把总线拉高80us，准备发送数据，（高电平用时26-28us为‘0’；用时70us为‘1’）每一位数据都以50us低电平提示，当最后一位数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us,随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。2.3气压传感器MS-5611MS5611气压传感器是由MEAS（瑞士）推出的一款SPI和I²C总线接口（本次设计采用I²C模式）的新一代高分辨率气压传感器,分辨率可达到10cm。该传感器模块包括一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的24位Σ模数转换器（工厂校准系数），MS5611压力传感器只有5.0毫米×3.0毫米×1.0毫米的小尺寸可以集成在移动设备中。这款传感器采用领先的MEMS技术并得益于MEAS（瑞士）十余年的成熟设计以及大批量制造经验，保证产品具有高稳定性以及非常低的压力信号滞后。其测量范围为10—1200mbar(毫巴=百帕)，工作范围为-40—+85摄氏度，供电电压为1.8—3.6v。MS5611中已存储6个出厂校准数据分别是：表1出厂校准数据Table1Thefactorycalibrationdata变量描述|方程C1压力灵敏度|SENST1C2压力抵消|OFFT1C3温度压力灵敏度系数|TCSC4温度系数的压力抵消|TCOC5参考温度|TREFC6温度系数的温度|TEMPSENS(上表变量类型为unit16)MS5611是由压阻传感器和传感器接口组成的集成电路，主要功能是把测得未得补偿模拟气压值经ADC转换成24位的数字值输出，同时也可以输出一个24位的数字温度值，分别记D1和D2，之后进行实际温度的计算计算公式如下：实际和参考温度之间的差异dT：8225*2REFdTDTDC(1)实际温度计算TEMP（0.01度的分辨率）风速与风向传感器及接口电路温湿度传感器及接口电路气压传感器及接口电路单片机及外围电路（A/D采集）LCD显示CH340PC端（USB）2320*2000*6/2TEMPCdTTEMPSENSdTC(2)接着计算温度补偿下的气压值，计算公式如下：实际温度抵消（OFF）:1167*2*2(4*)/2TOFFOFFTCOdTCCdT(3)实际温度抵消（SENS）:1158*1*2(3*)/2TSENSSENSTCSdTcCdT(4)最终结果（P）:21151*(1*/2)/2PDSENSOFFDSENSOFF(5)在温度低于20摄氏度时需要进行二阶温度补偿，使压力和温度达到最佳精度，流程图如图3：TEMP20C低温非常低的温度TEMP-15C高温计算压力和温度23121222/225(2000)/225(2000)/2TdTOFFTEMPSENSTEMP202020TOFFSENS221227(1500)211(1500)/2OFFOFFTEMPSENSSENSTEMP222TEMPTEMPTOFFOFFOFFSENSSENESENS是否是否图3二阶温度补偿流程图Fig.3Theflowchartofthesecond-ordertemperaturecompensation2.4风力风向测试模块本次设计风力与风向的测量都采用光电编码器，用两个光电编码器分别对角度和转速进行测量，进而演化成风速与风向。光电编码器如图4所示，在圆盘的边缘有非常多的小孔，在某固定位置，圆盘的前后分别有光源和受光原件，每次受光原件接收到光，工作的编码器就会输出脉冲，利用单片机的中断可以记录下每一次脉冲，若已知光盘上小孔的的个数X和一定时间中脉冲个数M，就会求得光电编码器的转速N，设时间为1s,则转速N=M/X。实际上光电编码器有两个这样的脉冲输出端口（测量转速时用一个端口即可），在编码器工作时，两个端口输出的脉冲不是重合的，就是说在某一时刻当端口A输出高电平时，端口B此时可能是低电平，两端口给单片机的中断信号不在同一时刻，利用这一点我们就能判断出编码器旋转的方向，从而容易的计算出角度的加减值，进而计算角度，原理图如图5所示,假设先发生中断A后发生中断B为正转序，记作‘+’，反之反转序，记作‘-’，脉冲个数为M，则角度变化值±d=(360*M)/X（若M=360，则d=0）图4光电编码器Fig.4Photoelectricencoder端口A端口B:图5A、B脉冲Fig.4ThepulseofAandB4系统软件设计软件全部采用C语言编写，可提高工作效率和程序的可靠性与持续性。分别编写了温湿度读取程序、气压读取以及温度补偿程序、编码器的中断计数器程序、LCD显示程序四部分。由于编码器利用中断会打断温湿度串口的通信，所以利用另一片单片机读取温湿度，最后用两块LCD显示屏显示。5系统测试实验测试方法：设计完成后，对该设计进行制作并运行功能测试。其测试系统如下：在不同时间不同地点一共测量20次，选择差异较大的6组作为记录，并计算误差并均值，分析其误差大小是否在允许范围内。测试结果如表2：(温湿度、气压值都是重新选取和排列的，每组序号内不是统一地点)表2气象站部分数据表Table2Weatherstationdatatable温度（测）(C）温度（实）(C)湿度（测）(%)湿度（实）(%)气压（测）mbar气压（实）mbar11919.33534.5987.76987.522021.23736.6988.24988.332220.84041.1988.77988.642321.64242.6989.32989.252425.24543.5991.86991.762625.55049.6992.34992.3在测试过程中，有意的在不同楼层、地点、环境中测试，最终所测得结果与市场上买的温湿度计和户外气压计进行对比，测量误差在可接受范围内。4结论本次设计的微型气象站采用单片机和多种传感器模块等已经很熟练并广泛应用的技术，基于模块化的思想进行整体的构建，能实现部分气象数据的摄取与采集，符合最初的设计要求，该系统的最大特点是:它们能耗低、体积小、价格低廉，可大量装载于各种类型、各个地点的汽车中，将采集到的信息通过串口转UCB发送到PC端，这些采集到的信息还可以传到互联网上。这样一来，多个该独立系统会组成相当广大的物联网，实现大范围形式的气象数据采集，政府完全不用投入大量的财力。本次设计的缺点：（1）温湿度的测量只能测到个位数，且温度不能测量