基于MCS-51 的小型电子气象站设计

2014-11-28段瑞珍DUANRuizhen王仲文WANGZhongwen韩硕HANShuo

价值工程 2014年9期

段瑞珍DUAN Rui-zhen；王仲文WANG Zhong-wen；韩硕HAN Shuo

（哈尔滨理工大学荣成学院，威海 264300）

（Harbin University of Science and Technology Rongcheng College，Weihai 264300，China）

0 引言

大型自动化气象站设备的价格普遍较高，不利于此类产品的普及和使用[1]。对于校园、船舶、机场等用户，可以采用电子式气象站来满足获取气象数据的需求，同时也可有效地降低相关成本[2]。本文提出了一种基于STC89C52RC单片机的小型电子气象站的设计方案，在满足监测要求的同时，并对数据进行显示和记录，以便相关人员查阅、参考和分析。

1 电子气象站总体设计

图1 整体功能与设计示意图

电子气象站的整体功能与设计示意图如图1 所示。

电子气象站的硬件部分主要在于设计以STC89C52RC单片机为中心的各个接口电路，包括单片机与温湿度传感器、风速传感器、风向传感功能模块、通讯模块等。软件部分设计分为两部分：下位机程序和上位机软件。下位机程序要完成对各个传感器或传感功能模块的查询，将信息显示在液晶屏上，并通过串口发送给上位机；上位机则要完成对数据的接收，在软件界面内显示，同时完成数据的保存记录以备查询。

2 硬件设计

2.1 硬件的选型单片机选择STC89C52，采用Intel80C31 内核，具有高性能、低功耗的特点[3]。在温湿度传感器方面，选用了集成化温湿度传感器SHT10，具有数字式输出，免调试，免外围电路，低功耗、高可靠性及全互换的特点。采用JL-FS2 三杯式风速传感器用来测量当前环境中的风速。A/D 转换功能模块选择了8 位CMOS 型逐次比较式A/D 转换器ADC0804，具有三态锁存输出功能，可以在100～1460KHz 的频率下进行工作。

2.2 下位机硬件设计下位机的硬件设计以STC89C52RC 为中心，围绕单片机搭建外围电路。考虑到单片机的I/O 口数量有限，结合风速信号的特点，在8 路光电门和单片机之间增加了一个8 线-3 线编码器74HC148 以达到节省单片机I/O 口的目的。

2.3 下位机与上位机间的通信由于51 单片机串行口和PC 机USB 接口所使用的电平标准并不相同，故在单片机串行口和PC 机USB 接口之间使用了一个PL2303 芯片，以完成TTL 到USB 之间的转换，使单片机和PC 机之间的串口通讯可以顺利进行[4]。

单片机串口每次向上位机发送7 个字节的数据，其报文格式为“终端号”“温度值”“湿度值”“风速值”“风向”“#”。其中和“#”分别作为起止符，分别表示一次发送的开始和结束；“终端号”为本次发送数据的终端编号，是在向单片机中烧写程序时固定的值，用于在同一区域内多个终端节点组网检测的情况下区别不同节点[5]。

3 软件设计

3.1 下位机软件设计在接通设备电源后，单片机首先依次对各传感器或功能模块初始化，然后依次循环从各传感器或功能模块读取数据。从I2C 总线获取温湿度传感器数据，进行数值转换和非线性补偿计算，之后再依次从ADC0804 所连接的端口和光电门连接的端口读取风速、风向数据，再执行相应的计算或判断。以上四种数据，每计算或判断出一个之后，除了保存到相应变量之外，还将数据刷新到LCD1602 液晶显示屏上，之后再执行读取下一项数据的程序。

由于通常情况下，气象信息不要求实时监测，所以在程序设计上使用了单片机的内部定时器。设置定时时间15 分钟。当定时器计时达到15 分钟后，主程序打开单片机串口，将最近一次获取的各种数据发送到PC 机。

3.2 上位机软件设计上位机软件的主要目的是为了能进行较远距离的数据监测查看，方便在无人值守情况下的数据记录。其功能主要有以下几点：①区分显示从不同编号的终端发送来的数据；②保存每次发送来的数据；③查看历史数据。软件使用C#语言编写，在人工设置好串口号后即可打开串口，软件进入工作状态。