基于单片机的小型气象台系统设计

孟紫腾 张钊 李东泽

摘要：文章针对各种环境问题对人们产生的不利影响，为了方便人们提前做好预防措施，设计了小型气象台系统。设计以單片机STC89C52为控制中心，运用相应的传感器完成对环境中温度、湿度、风速以及PM2.5的数值采集，对模拟量进行A/D转换之后，通过无线传输模块传送数据，最后在LCD1602液晶显示屏完成数据显示。测试结果表明温度在-20℃～+60℃之间，湿度的数据在0.0%～99.99%之内，在有烟雾等细小颗粒存在的状况下，PM2.5的值较大。

关键词：小型气象台；单片机；传感器；无线传输

中图分类号：TP368文献标志码：A

0 引言

小型气象台系统是目前监测天气的方式之一，在一般场合下主要监测风速、温度、湿度以及PM2.5等几种常规的项目，也可以增加专用设备完成对紫外线值、气压、风向等方面的监测。小型气象台系统可以应用于日常生活中的气象观测，也可以应用于仓库管理、农业生产等方面，具有操作简单、成本低、实用性强等优势。考虑到成本等问题，本设计采用STC系列单片机作为控制系统，其功能部件主要集中在芯片中，体积较小，可以满足设计的要求。通过相应的传感器完成信号采集，数据处理后无线传输到显示屏进行显示，实现实时监测环境中的基本参数。

1 系统硬件设计

1.1 总体方案设计

小型气象台系统以STC89C52单片机作为硬件控制器，通过集成DHT21传感器、夏普GP2Y1010AUOF传感器以及三杯式风速传感器完成对温度、湿度、PM2.5以及风速这些基本的气象参数的采集，将收集到的模拟量经过ADC0832芯片转换，以便控制器进行处理，之后利用无线传输模块NRF24L01来传送数据，经过处理后的数据在液晶屏上实现显示。单片机通过调用各个模块的程序来处理相关的数据信息，其中电源模块需要5V的USB来进行直接供电。小型气象台系统总体结构如图1所示。

1.2 单片机最小系统

控制系统方案的数据量需求不大，电路设计简单，且考虑到成本问题，本系统选用STC89C52单片机作为整个中控单元，加上电源电路、晶振电路、复位电路等部分构成了最小系统［1］。晶振电路是由一个12MHz的晶振以及两个帮助晶振起振的电容C2、C3构成，其中两个电容取值都为30pF。复位电路由极性电容C1和电阻R1构成，其中，电容值为10 μF、电阻值为10 K。P0端口连接大小为10 K的电阻，用作普通I/O端口。除微控制器的最小系统外，还增加了外部接口电路和其他外设。单片机最小系统如图2所示。

1.3 温湿度采集模块

本设计选用DHT21温湿度传感器来完成温湿度的采集，该传感器需要5 V的电源供电。准度大概为湿度±3%RH、温度±0.3℃，可传输20米以上的距离。DHT21传感器为单总线数据输出格式，通信一次大约需要5ms。在硬件电路设计中将1引脚接+5 V电源，2引脚接数据线，3引脚置空，4引脚接地。

1.4 PM2.5采集模块

通过GP2Y1010AU0F粉尘传感器完成对环境中细微颗粒物的监测。它可测量0.8 μm以上的微小粒子，例如，香烟、花粉、房屋粉尘等。利用传感器输出的电压值的高低来反映空气中灰尘颗粒的浓度，空气中香烟等粉尘的浓度越高，电压值也会相应地升高。在硬件电路图中，GND引脚接地、VCC引脚接电源、TXD引脚连接单片机，P30引脚用于完成数据传输。

1.5 AD转换模块

ADC0832是一种体积小、兼容性强、性价比高的芯片，该芯片具有 8 位分辨率和双通道 A/D 转换，工作频率为 250 KHz，转换时间为32 μs［2］。AD转换模块实现模拟量的转换，方便控制器进行处理。它的DODI引脚接单片机的P10引脚用来传输数据，CS引脚接MCU的P12引脚使芯片低电平使能，CLK引脚接单片机P11引脚控制芯片时钟信号输入。

1.6 无线传输模块

NRF24L01无线通信芯片具有即时性强、几乎不延时、超低耗等特点。空旷条件下，经过实测，2M传输速率下15 m，1M传输速率30 m，250 K传输速率50 m。在单片机系统中预留5个GPIO，1个中断输入就可以实现无线通信的功能［3］。无线传输模块的电路连接如图3所示。

1.7 液晶显示模块

采用LCD1602液晶屏完成数据的显示。LCD1602能显示16个字符×2行，即32个字符［4］。在显示电路中，第1脚、第2脚分别连接到电路的GND和VCC，引脚2是液晶工作的电源输入脚。第3脚串联一个阻值大小为2 K的电阻并连接到地端，调节该电阻来调节液晶的对比度。第4、第5、第6脚分别连接到单片机的P12，P13，P14脚上，其中6脚为液晶的使能引脚。7-14脚连接到单片机的P0口上。第15、第16脚连接到系统的VCC和GND上。

2 系统软件设计

2.1 总体程序流程图设计

首先要对液晶性能和显示内容进行初始化，之后进行串口的初始化。初始化完成后读取相应的传感器采集到的温度、湿度、PM2.5、风速的数据，之后将测得的数据通过无线传输到液晶显示屏上完成测量结果的显示，再继续执行任务。总体程序流程如图4所示。

2.2 1602液晶显示器程序设计

使用1602液晶显示器实现显示数据，若没有接收到无线模块传送过来的数据，则液晶显示屏上显示“NO NRF24L01”；接收到后，则在显示屏第一排显示温度、湿度以及风速，第二排显示PM2.5值。另外，液晶的显示工作是一位一位逐个进行的。在任务开始时，对第1个字符进行定位后，此后不需要对每个字符都定位，液晶会自动跳转至下一个字符显示。

2.3 无线传输模块程序设计

NRF24L01无线模块在使用时，通过基本的程序指令来完成运行无线模块，其中包含中断信号IRQ和一些命令。发射节点启用了IRO和ACK功能后，无线模块之间可以进行通信。发送模块接收到接收模块发送过来的ACK信号，中断信号IRO被置低中断传输。如果接收节点使用IRQ和ACK功能，则在成功进行数据交换后，在有效数据范围内接收数据后，中断信号的IRQ线也会被置低中断传输，同时通知单片机可以接收数据进行处理。

3 结语

通电后，等几秒后各个气象参数在显示屏上正常显示，温度精准到0.1℃，测量范畴在-20℃～+60℃，湿度精确到0.1%，湿度测量范围为0.0%～99.9%，PM2.5的灵敏度为0.1mg/m3。可以运用小电扇来提供风力或者用手推动风速传感器，注意风的方向应该对着碗状结构，如果推的方向相反，则不会测量出结果，即风速为0。在不同环境下有不同的数值，经过多次试验，显示屏能清楚地显示需要的数据，各个位置达到编写要求，操作方便，采集的数据在传感器合理的范围内，精度也没问题，基本实现了本次设计的预期要求。下一步，计划将数据通过数据采集卡传输到上位机LabVIEW上进行数据显示、分析、存储与处理，实现远程实时监控和报警功能。

参考文献

［1］胡林林，付龙，吴伟.基于AT89C52单片机的智能家居环境监测系统设计［J］.信息技术与信息化，2021（12）：75-78.

［2］刘晓艺，刘清平，安仕梅.基于STC89C52单片机的温度采集与控制系统设计［J］.科技广场，2016（6）：186-188.

［3］李贺，程祥，曾令国.基于nRF24L01芯片的近程无线通信系统设计［J］.现代电子技术，2014（15）：32-34.

［4］赵晓梅.基于单片机的黑板粉尘监测清除装置设计［D］.徐州：中国矿业大学，2021.

（编辑 傅金睿）