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1、目 录设计总说明IIntroductionV第1章 绪论11.1 研究的背景11.2 国内外研究现状11.3 课题研究的内容和意义2第2章 系统方案选择与论证32.1 设计要求32.2 总体设计方案32.3 各模块方案选择和论证32.3.1主控制器模块32.3.2风向风速测量模块42.3.3温度测量模块62.3.5气压测量模块92.3.7定位模块102.3.8无线通信模块112.4 系统各模块的最终方案确定11第3章 系统硬件设计123.1 系统核心控制单元AT89C52123.2 系统电源的设计133.3 系统数据的采集133.3.1 测温模块电路设计133.3.2 湿度模块电路设计153.
2、3.3 风向风速模块电路设计163.3.4 气压模块电路设计173.4 单片机与传感器连接电路设计183.5 分频电路设计203.6 通信模块电路设计213.6.1 GPS简介213.6.2 GPRS模块简介223.7 显示单元的设计243.8 独立键盘模块设计26第4章 系统软件设计274.1 软件设计概述274.2 温度传感器模块的软件设计274.2.1 DS18B20的的初始化274.2.2 单片机与DS18B20的通信284.2.3 DS18B20内部结构294.2.4 读取温度值304.3 模数转换模块的软件设计314.4 通信模块的软件设计324.3.1 串口工作方式1介绍324.
3、3.2 GPS模块软件设计334.3.3 GPRS模块软件设计344.5 显示模块的软件设计344.6 Proteus仿真36第5章 总结38参考文献39附录A 原理图40附录B 程序及注释41致谢53设计总说明气候对于人类的劳作、生活的影响是显而易见的，良好的气候能给人带来高效的工作效率、舒适的休闲环境，但是恶劣的气候却常常给人导致难以承担的后果。 众所周知，我国的气象灾害是十分频繁的，各种恶劣的气象灾害，如干旱、台风、寒潮等等，对个人来说，工作、生活甚至生命安全受到了严重影响；对国家来说，农业、渔牧业的生产活动乃至于经济发展都受到了威胁。由于一直遭受着恶劣气候带来的严重后果，我国对气象事业
4、投入了大量的时间、金钱、人力物力，希望能够增强对恶劣气候的预知水平及防范能力。其中，气象仪的研究、发展、应用是必不可少的。目前，我国投入使用了大量的气象站，分布在全国各个省市，全面掌控着我国气象的变化，对我国的气象事业发挥了重要的作用。但是一些环境恶劣、偏僻的地点，比如沙漠、山区、海岛等人员难以驻扎的地方却成了我国气象监测的盲点。这时，能自动发送气象数据的便携式气象仪就应运而生。本文先简单说明了气侯检测的重要性、国内外气象检测技术的研究成果以及本课题研究的主要内容及其意义，其中分析了当前气象的检测所有的一些问题及发展方向，得出发展便携式、高性能的气象仪的迫切性。之后对各个测量模块的芯片使用或传
5、感器进行选择与论证，分析各个芯片或传感器的优缺点，然后对便携式气象检测仪的设计方案进行总体概述。本系统是以单片机为系统核心，控制各个测量气象的传感器，将传感器等测得的数据通过液晶显示，另外，本设计拥有无线通信模块，既可以通过GPS得到当前的地理位置和标准时间，也能通过GPRS发送所有的气象数据。关于系统的主控制器模块，最终采用单片机AT89C52作为系统的核心控制器，在各种各样的单片机中，AT89C52本身相当于一部微型的计算机，各种部件集成在一块芯片上。AT89C52具有高性能、低功耗的特点，有8K的可以编程的程序存储器。以上种种，使得AT89C52在大量嵌入式系统电路设计中被广泛的应用。电
6、源模块是采用两节12V干电池为整个系统供电，但系统有的模块需要用到5V，4.3V电压驱动，所以为了整个系统的正常工作，必须对12V的电压进行DC-DC变换。本系统使用了芯片LM1084-5.0，输入端直接接上12V电压，在输出端即可得到5V的电压，然后再串联一个硅二极管即可得到4.3V的电压。测温模块本系统使用的是DS18B20，它是一种数字式温度传感器，只有3个引脚需要连接，其中两根分别接电源正极和负极，剩下的一个引脚可直接与单片机的I/O相连，事实上，它与单片机连接的只有一根线，单片机对它的所有操作，都是通过这根线来执行的，所以又说，DS18B20是一种单总线器件。单片机都是通过这根线向其
7、写入指令，比如跳过ROM操作指令，温度转换指令，读取温度指令等等，之后就能通过这根总线读取它的温度了。风向风速测量模块所用的是TFX系列风速风向一体传感器，它将风向与风速测量器件集成到了一起。大大缩减了体积，这是它其中的优势所在，其中风向测量部分是尾翼式设计，而风速测量部分则是经典的三杯式设计，当传感器感受到风时，它会将其中的风向及风速信息转换成电压或电流信号通过输出，经过AD芯片转换后接到单片机的I/O口上。 气压模块使用PTH501紧线螺母接头压力传感器/变送器，它的量程是01150（MPa)，由于本系统是气象仪，而一个标准大气压是101.325kPa，所以在此选用01MPa的量程即可达到
8、要求。它能将检测到的气压输出为电信号，而且当外界气压变化，电信号也能随之线性变化，同风向风速传感器一样，它也需要经过AD转换接到单片机的I/O口上。湿度模块本系统所使用的是RH10，它的内部有一湿敏元件，这种元件的原理是湿敏电阻或湿敏电容的值会随着湿度变化而变化。RH10内的湿敏元件是电容式，它使用了先进的半导体厚膜技术，整体附在一片非常小的玻纤板上，长13mm，宽7mm，厚度为0.2mm，由此可见它的体积非常小，当RH10内的湿敏元件感受到空气中湿度的变化，它所输出的相应电压或电流信号也会随之线性变化。根据本系统的设计，所用的传感器除了DS18B20以外，其他传感器件输出的信号都是420mA
9、电流信号。单片机与模拟输出型的传感器连接模块主要分为两部分，其中之一为电流电压转换模块，这个模块的主要作用是将4-20mA的电流信号转换为电压信号再接到AD转换芯片的输入端。本系统所用的运放是LM324，通过电路设计，得到0.84.0V的电压信号。第二个部分则是AD/模数转换部分，本系统所使用的芯片是ADC0809，它允许8位模拟量分时间输入，使用同一个AD转换器转换。ADC0809有3位地址输入线，用于选通8位模拟输入中的一路，而本设计只有4个传感器需要进行AD转换，所以8位模拟输入完全够用。分频模块使用的芯片是74HC74，为什么要分频？这是因为ADC0809在正常进行模数转换时，需要在它
10、的CLOCK引脚，即时钟脉冲输入端输入时钟频率不高于640KHz时钟脉冲。那么从哪得到时钟脉冲？我注意到单片机在正常工作是在其ALE引脚会输出1/6晶振频率的脉冲信号，因为使用晶振的频率是12MHz,所以在单片机的ALE引脚输出的就是2MHz的时钟脉冲，如果能再对它四分频的话，就能得到500KHz的脉冲信号，这个信号完全能满足模数转换的要求。通信模块也分为两部分，第一部分的GPS模块，这一模块使用的器件是GR-87，它是一个完整的卫星定位接收器，用来接收一些定位信息，而本系统只需要接收有关经纬度以及标准时间的信息，具体实现方法会在软件部分详细介绍；第二部分则是GPRS模块，本系统使用的是SIM
11、300C，SIM300C是SIMCOM公司推出的一种三频/四频GSM/GPRS解决方案，通过它，可以将测得的气象数据发送到手机上。SIM300C与单片机之间也是通过串口通信的，单片机主要通过AT指令对其进行控制。现在，又出现了一个问题，那就是AT89C52单片机只有一个串行口，而GR-87与SIM300C与单片机都是使用串口通信，所以，本系统使用了芯片CD4053来完成串口的复用，CD4053是数字控制模拟开关，它极低的导通阻抗和极低的截止漏电流。显示模块使用的是LCD1602液晶显示器，它的体积很合适，不会显得大而臃肿，但能满足系统的显示要求。另外，它的耗电量很低，显示的字符也很清晰，不会出
12、现闪烁的问题。LCD1602通过8位数据口与单片机的I/O连接，单片机就是通过这8位数据口对LCD1602进行一系列的读写操作，最终可以将气象仪所测除的数据显示到液晶显示屏上。独立键盘模块，本系统总共用到4个开关，S3是系统的电源开关，控制气象仪是否工作，直接接在12V干电池的负极。S4是单片机的复位按键。S1，S2是用来控制LCD1602的整屏移动按键。由于本系统测量的气象数据较多，32个字节的屏幕并不能全部显示测得的气象数据，所以要把部分数据写在1602不显示的地址，然后按一下S1，LCD1602整屏左移16位，显示未按开关之前不会显示的气象数据；再按一下S2，LCD1602整屏右移16位
13、，恢复原状。最后，设计本系统相应的软件程序，流程如下：先对LCD进行初始化，然后程序进入一个循环，在这个循环中，气象仪的各个模块开始工作，首先是DS18B20开始读取温度，将读取到的温度值显示在1602液晶显示器上，然后ADC0809地址锁存端选中风向传感器输入端，将测得的气象信息通过软件处理后显示到液晶上，之后，分别对湿度，风速，气压传感器等测得的数据进行AD转换，处理并显示，之后打开串口中断，单片机的RXD口接受大GR-87传输的数据，这些数据再被显示到液晶显示屏上，之后在软有一个键盘检测程序，当S1按下，LCD1602会整屏左移，当S2按下，LCD1602会整屏右移。只要没有关闭掉气象仪
14、的总电源，程序就会一直执行下去，也就是说，气象仪会实时的检测当前的气象数据。本系统完全可以通过仿真，所设计的便携式气象检测仪可以百分之百实现系统的技术要求，并达到所要求的性能指标，具有高精度、全天候和低成本的特点。另外，该便携式气象仪能够很好的完成一般的气象测量要求，而且还可以在各种恶劣环境下工作。拥有了这些优势，该便携式测量仪能够广泛应用于各种场景的气象测量。关键词：气象仪；AT89C52；ADC0809；GPS；GPRSIntroductionClimate for human labor, life is obvious, good weather can bring efficient
15、 work efficiency, comfortable leisure environment, but bad weather often to lead to difficult to bear the consequences. As is known to all, Chinas meteorological disaster is very frequent, all kinds of bad meteorological disasters, such as drought, typhoons, cold wave and so on, to individuals, work, life and even life safety by seriously affected; for the country, agriculture, fishery and animal husbandry production activities but as for economic development are under threat.Because it has been subjected to Portable meteorolog
