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便携式气象监测仪

专家
2014-03-18 19:46:46    评分

作者:乐山师范学院 涂先东 车佳 何林

指导教师:常峰 祝加雄


  作品简介

 

  平台选型说明

  本系统是基于IPA15F2K61S2单片机开发板。采用宏晶公司最新STC15系列IAP15F2K61S2芯片。ISP/IAP,在系统可编程/在应用可编程,无需编程器,无需仿真器。可当仿真器使用。增强型8051CPU,1T,单时钟/机器周期,速度比普通8051快8-12倍3.61K字节片内片内Flash程序存储器,擦写次数10万次以上4.片内大容量2048字节的SRAM大容量片内EEPROM,擦写次数10万次数以上共8通道10位高速ADC,速度可达30万次/秒,3路PWM还可当3路D/A使用共3通道捕获/比较单元(CCP/PWM/PCA)内部高可靠复位,8级可选复位门槛电压,彻底省掉外部复位电路内部高精度R/C时钟,内部时钟从5MHz~35MHz可选,相当于普通8051的60MHz~420MHz

  两组高速异步串行通信端口(可同时使用),可在5组管脚之间进行切换,分时复用可当5组串口使用。一组高速异步串行通信端口SPI。各种接口扩展齐全。

  硬件部分

  1.功能模块

  1)单片机芯片;

  2)显示模块;

  3)输入/输出模块;

  4)传感模块;

  5)电源;

  6)通信功能;

  7)电子日历功能;

  8)程序下载;

  9)A/D、D/A模块。

  软件部分

  我采用KEIL软件C语言编程来实现系统软件仿真这一环节。进入KEIL软件仿真环境时,首先要选定编程单片机的本设计我选用IPA15F2K61S2。选定好芯片后,将程序写入软件文本窗口,然后保存进行编译,通过设置各个标志位和地址数据,模拟系统的各个功能。仿真时,采用单步运行,方便观测到存入RAM中的数据是否正确,好进行不断加以改进直至符合要求。

 

  设计说明

  一、系统方案论证与分析

  方案一、采用网络的方式,根据当地的气象站时时更新当前的气象状况,但是本方案对网路的要求较高,并且不能时时掌握具体点的气象状况。

  方案二、采用单片机IAP15F2K61S2为主控芯片,利用GP2Y10、风力风向传感器、DHT11、BMP085传感器时时采集当前的气象状况,利用单片机处理采集的数据并显示到液晶上,同时将当前的数据通过GSM模块返回给用户。同时用户可以发送控制信号给GSM模块,让当前系统能够返回当前的气象信息。本方案更够时时掌握当前当地的气象信息。

  通过对上面两种方案的分析最终我们采用方案二。

  二、理论分析计算

  2.1 风速风向测量计算

  2.1.1 风速

  风速传感器的我们采用的是编码器作为风速的基本测量装置,根据编码器的特点,我们采用定时器和外部中断作为处理风速的算法。运用外编码器部中断采集编码器的输出脉冲的的个数,而定时器则是用来定时采集。以算出脉冲的频率,从而得到风速的值。

  2.1.2 风向

  风向传感器的是采用一个摩擦了非常小的电位器制作的而来,风标则采用一块硬度较好比较薄的塑料制作而成。我们利用单片机内部的A/D转换器,单片机内部的10位A/D转换器得到高精度的数据,经过复杂的处理得到了风向。

  2.2 大气压的测量计算

  海拔高度与大气压力的关系在大气物理学里面有明确的定义。根据不同的大气模型,会有不同的气压与海拔的对应关系。有一点特别需要注意,就是海拔高度与压力大小的关系受温度的影响。于是我们选择了BMP085压力传感器。

  BMP085是一款高精度、超低能耗的压力传感器,可以应用在移动设备中。它的性能卓越,绝对精度最低可以达到0.03hPa,并且耗电极低,只有3µA。BMP085采用强大的8-pin陶瓷无引线芯片承载(LCC)超薄封装,可以通过I²C总线直接与各种微处理器相连。无需外部时钟电路反应时间只要7.5ms,待机电流0.1µA。

  BMP085 被设计为可以通过 I2C 总线直接与处理器相连接,测量压力和温度数据需要用BMP085 的 E2PROM 中的标准数据进行补偿。典型电路功能和应用如图2.2

  BMP085 包含电阻式压力传感器、AD 转换器、和控制单元,其中控制单元包括E2PROM 和 I2C 接口。BMP085 传送没有经过补偿的温度压力值。E2PROM 储存了 176位单独的标准数据,这些标准数据用于补偿、温度依赖性和传感器其他的一些参数。

  为了读出温度数据 压强数据、E2PROM 中的数据,操作步骤如下:

  在开始信号之后, 主机发送模块的地址写命令和寄存器地址。寄存器地址选择读寄存器:E2PROM 数据寄存器:0xAA—0xBF。温度或者压强值 UT 或 UP 0xF6(MSB) 0xF7(LSB)可选择 0xF8(XLSB)之后,主机发送从新开始信号, 接着是器件读地址, 然后收到从器件发来的应答信号。 然后BMP085 首先发送高 8 数据, 主机收到数据后返回给 BMP085 一个应答信号, 之后, BMP085发送低 8 位数据。之后主机发送 not ack 信号和最后的停止信号。

  2.3 PM2.5的测量计算

  Sharp光学粉尘传感器(GP2Y1010AU0F)对于像香烟烟雾这样的颗粒十分敏感,因此常用于空气净化系统。红外线发射二极管和光电晶体管对角式地排列在这款设备中,能够检测到空气粉尘中的反射光。这款传感器的电流消耗很低(最大电流20mA,通常11mA),并且能够在高达7伏的直流电下启动。传感器的模拟输出电压是同标准灰尘密度成比例的,其灵敏度为0.5V/0.1mg/m3。其内部电路图如图2.3.1和输出信号图如图2.3.2。

  2.4 温湿度的测量计算

  DHT11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,它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中,传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。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,使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

  2.5 GSM模块

  本系统采用了SIM300模块实现数据的无线传输,用户通过发送控制命令,本系统当接收到控制信号时,自动可以返回当前的温度,湿度,风力风向,大气压力。从而使系统的更智能化,人性化。

  SIM300是一款三频段GSM/GPRS模块,可在全球范围内的EGSM 900MHz、DCS 1800MHz、PCS 1900MHz三种频率下工作,能够提供GPRS多信道类型多达10个,并且支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四种GPRS编码方案。

  SIM300结构小巧,外形尺寸仅40mm*33mm*2.85mm,几乎可满足所有对产品尺寸有要求的工业应用,比如智能电话,掌上电脑和其他移动设备。

  模块与移动应用设备通过一个60引脚的板板连接器相连,它提供了模块与开发板的所有硬件接口,除了RF天线接口。SIM300内部功能模块有:

  键盘和SPI 类型的LCD接口,方便用户开发自己的应用设备。具有调试和数据输出两个串口,帮助开发人员更容易开发产品。双音频道包含两个麦克风输入和两个话筒输出,由AT指令配置其工作式。

  SIM300有两种RF天线接口:一种是天线连接器、一种是天线焊点。天线连接器型号为MURATA MM9329-2700,或者用户也可以通过天线焊点自己焊接天线。SIM300具有低功耗设计,睡眠模式下的电流消耗仅为2.5mA。SIM300内部集成了TCP/IP协议栈,并且扩展了TCP IP AT指令,使用户利用该模块开发数据传输设备变得非常简单方便。

此文档的相关视频来自:http://v.eepw.com.cn/video/play/id/13539




关键词: GSM     单片机     编码器     传感器    

专家
2014-03-18 19:59:16    评分
2楼

  三、硬件设计

  3.1 系统原理图

  系统总原理图如图3.1所示,分为传感器模块和单片机模块以及电源模块组成。

  3.2 电源模块

  电源模块部分我们采用了7.2V的电池作为电源,经过3片LM2940芯片稳压得到三路5V输出,单片机则用单独的一路电源供电,以保证单片机的正常工作。剩下的2路电源分别供给液晶、PM2.5风力风向传感器、按键、GSM模块,大气压力传感器、温湿度传感器。设计原理图如图3.2。

  3.3 风速风向模块

  风速风向传感器是有一个E6A2-CW3C编码器和一个高精度数字电位器WDD35D4构成,风向传感器连接单片机的内部AD转换口,风向传感器则连接单片机的外部中断,实现测速的效果。他们的硬件电路连接如图3.3.1风速传感器电路,3.3.2风向传感器电路:

  3.4 温湿度监测模块

  温湿度传感器硬件连接如图3.4:

  3.5 大气压强模块

  大气压力传感器的硬件连接如图3.5:

  3.6 PM2.5检测模块

  PM2.5检测模块的硬件连接如图3.6,其三脚连接单片的P1.6起到信号的初始和控制作用,五脚连接单片机的内部AD转换口,实现AD的转。:

  3.7 GSM模块

  GSM模块的硬件连接如图3.7,其中GSM的二脚和三角连接单片机的串口TXD和RXD,实现信号的串口通信。

  3. 8 时钟模块

  时钟模块本DS1302的硬件连接图如图3.8,其中八脚连接被用电源,在无外接电源的情况下可以提供时钟芯片能源,保持时间的稳定。

  3. 9 显示模块

  显示模块LCD12864的硬件连接如图3.9其中变阻器起到调节屏幕分辨率,数据端口连接单片机的P0口,LCD12864的控制端连接单片机的P2.5,P2.5,P2.7,其15脚接高电平,实现数据的并行传送。

  四、程序设计

  总程序流程图如图4.1,本系统程序的编写依靠C语言为基础,通过对IPA15F2K61S2内部寄存器的了解,以及查阅各项传感器的资料,通过不停的调试最终得出本系统的总程序。


专家
2014-03-18 21:19:43    评分
3楼
谢谢分享。

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