基于单片机的自动气象监测系统的设计

林森，胡晴 ，王宇萌通信作者）

1.吉林农业科技学院，吉林 吉林 130012：2.国网冀北电力有限公司怀安县供电分公司，河北 张家口 076150

0 引言

近年来，气象监测系统发展迅速，我国在这方面已经取得了举世瞩目的成就。气象监测系统为现代气象业发展服务，提供了丰富的监测数据以及监测产品。传统的观念中的气象监测仅限于借助仪器和目力来对气象要素进行判断和测量，涉及范围十分局限，但随着自动化和电子信息技术的发展，测量技术以及测量范围不断地扩展，自动化监测技术不断地完善，《战略研究》中提到了对气象监测的新的解释：气象监测是对地球上所有的生态圈的气候以及气候变化过程中的多方面数据进行采集、记录以及显示[1]。

1 系统整体结构

1.1 系统结构以及工作原理

本文研究的气象监测系统是以STC12C5A 60S2单片机为核心，监测温湿度、光照强度、PM2.5浓度、大气压强，利用LCD1602液晶显示器将监测到的数据显示在液晶显示屏上，控制上下限数值。当检测温湿度不在限定值内时，蜂鸣器发出警报，LED小灯闪烁，同时可以将大气压强、光照强度和PM2.5浓度的数据通过无线通信技术传输显示到手机APP上[2]。

系统选用的主要元器件有：STC12C5A60S2单片机、粉尘传感器、温湿度传感器、液晶显示模块、气压传感器、光敏传感器、蜂鸣器、LED小灯、ESP8266芯片，如图1所示。

图1 系统结构示意框图

1.2 总体功能

本次设计是针对气象监测需求设计一个基于51单片机的采集监测显示系统，具体功能如下：

（1）采用温度、湿度传感器对温度、湿度进行实时测量和采集，并将其传送至微处理器，通过液晶显示屏进行显示，并对现场的天气状况进行分析，确定温度和湿度的阈值。温度检测范围在0～100℃，测温精度±2℃。湿度检测范围0～100%RH，测湿精度在±2%RH。

（2）当温湿度采集数据时，温度超限时，其一灯亮；湿度超限，其二灯亮。其中之一超限，蜂鸣器报警，具有基本的声光报警功能。

（3）利用光敏传感器实时监测光照强度数值，并将数值传送到单片机上，由LCD1602显示。利用粉尘传感器、气压传感器同样可实时监测PM2.5浓度、大气压强数值。

（4）使用LCD1602液晶显示器显示温湿度、大气压强、光照强度、PM2.5数值。

（5）WiFi模块将实时采集到的数据利用局域网TPC通信传送到用户的手机APP上，以便实时查看，实现人机交互。

2 系统的硬件分析

2.1 主控芯片的选择

根据本次设计需要，选用STC12C5A60S2单片机作为主控制器，基于向用户发送实时信息功能，选择STC12C5A60S2微处理器，选择WiFi通信，STC12C5A60S2微处理器采用灵活的8位CPU，联机可编程Flash。因此本研究选用了增强型的8051单片机。

2.2 粉尘传感器模块

该传感器采用了最新的PM2.5探测机制，用于监测PM2.5。本仪器利用微粒计数原理对PM2.5进行探测，能对直径1微米以上的粉尘进行敏感探测，并带有可配置为UART的数字串行接口及定制接口，含有PWM信号输出。

2.3 光敏传感器模块

光敏传感器包含3个引脚，1引脚接地，2引脚连接电源，3引脚与STC89C52单片机P10端口连接，用于收发信号，采集数据。

2.4 气压传感器模块

Bmp180是一种气压传感器，具有一个简单两线式l2C接口，可以作为微控制器接口与单片机相连，内含4根引脚，即气压传感器原理，其中VCC和GND分别接电源和地，其中数据线SDI与单片机的P30、P31引脚相连，时钟线SCL与单片机的P15、P16引脚相连。当Bmp180接收数据时，每个数据位发送一个确认ACKS，主机在发送最后一个确认后，发送停止条件。Bmp180模块带有一个3.3V稳压器，可以与5V的微控制器一起使用[3]。

2.5 声光报警模块

本设计的温湿度报警电路采用的是2个LED灯和1个蜂鸣器，LED能够将接收到的电信号转化为光信号。在本系统中，当温度超限时，D5灯亮同时蜂鸣器响；当湿度超限时，D4灯亮同时蜂鸣器响；灯D4、D5分别和STC89C52单片机的P22、P21端口相连。

系统的声音报警功能由蜂鸣器来实现，晶体管发射极一端接电源，SS8550晶体管集电极一端接蜂鸣器，蜂鸣器另一端口接地，当温度或湿度不在限定范围时，蜂鸣器发声报警。

2.6 WiFi模块

本系统选用的是局域网TPC通信，使用了ESP8266模块。ESP8266共有6个通用I/O口，其中1、2、3引脚分别是NC、GPIO02、GPIO13引脚，其中NC引脚与STC89C52单片机的P13端口相连；4引脚接地，5引脚接3.3V电源；5、6、7引脚分别是CH_PD、RX、N（7）引脚，恒为低电平，上电后蓝灯闪烁0.2秒后熄灭，即可输入AT指令。

3 系统的软件分析

3.1 系统的总体设计

气象检测系统软件设计分为几个方面：主程序、检测程序、按键处理程序、WiFi通信程序。系统主程序流程如图2所示。

图2 主程序流程图

3.2 主程序

本次软件设计编程用到的是KEILC51来完成。气象监测系统主程序主要由以下几个系统组成大气压检测程序、光强检测程序、温湿度设定程序、粉尘检测程序、按键程序、液晶显示等程序。主程序如下，因为篇幅有限，仅展示部分。

主程序初始化之后，设定温湿度上下限数值，温度上限位29℃、下限设定为26℃；湿度上限设定为50%，下限设定为20%。共设置五个按键K2-K6，K2、K3控制温度上限下限数值，每按下K2一次，温度上限值增加1℃，K3同理；K4、K5控制湿度上下限数值，每按下一次，数值增加1%。按下K6实现液晶显示界面光强、大气压、粉尘、温湿度的切换。

4 调试与运行

4.1 原理图

本次设计使用Altium Designer软件来绘制原理图，如图3所示。

图3 原理图

4.2 系统的性能测试

（1）首先将系统USB供电接口接电源，按下开关按钮上电，开机之后液晶显示屏显示温度上下限值为29℃、26℃。

（2）用手机连接“WY WiFi”网络，打开气象检测APP点击连接，使其始终保持连接状态。

（3）手机APP接入运行界面后，如图4所示。

（4）接入运行后按下K2，检测温度为24℃，超过温度上限值23℃，警报灯亮同时蜂鸣器响。

（5）当前大气压强数值如图4所示。

图4 接入界面

（6）遮挡光强传感器，光照强度数值发生变化。

（7）用手指触碰温湿度传感器，湿度增加，也会发出警报。

本系统最后将在PCB板上完成各个模块的组装和焊接，焊接完成后，主要检查各个模块有无少焊、漏焊、短路等情况；其次检查按键模块，检查按下功能是否能实现；调节温湿度数值时，检查LED小灯和蜂鸣器是否响应，WiFi模块软件烧录是否正确。

调试过程中，光敏传感器1、2引脚接反了，导致按下按键6切换显示界面时，光照强度没有数值，重新修正后，光照强度正常显示数值[4-5]。

5 结语

本设计以温湿度、大气压、光照、PM2.5浓度为控制对象，设计了一款基于单片机的自动气象检测系统，主要分为数据检测模块、WiFi无线通信模块两大部分，基本实现了对温湿度、大气压强、光照强度、粉尘的数据检测、超限报警功能以及系统设计初期的设计要求，完成了手机传输显示数据，设计出了软硬件方案。

本设计证明了STC12C5A60S2单片机的诸多优势，根据目前国内外现状，气象检测系统目前被广泛应用于农业上，需要检测的范围更广。但由于本人能力有限，还不能完成温湿度的高精度检测，为了保证系统的整体性能和稳定性，本系统仍需改进。