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1、xx 师师 范范 学学 院院毕业论文（设计）毕业论文（设计）题 目 基于蓝牙技术的智能气象站系统设计 The Design of Intelligent Weather Station System based on Blootooch Technology 物理与信息工程 学 院 电子信息科学与技术专 业 07 级 1 班学生姓名 xx 学 号 xx 指导教师 xx 职 称 副教授 完成日期 2011 年 4 月 15 日 教务处教务处 制制2基于蓝牙技术的智能气象站系统设计基于蓝牙技术的智能气象站系统设计物理与信息工程学院 07 级电子信息科学与技术 xx xx 指导教师 xx 副教授 【
2、摘摘 要要】一种基于一种基于 HC-06HC-06 蓝牙模块的智能气象站系统，系统采用蓝牙模块的智能气象站系统，系统采用 STCSTC 系列单片机控制，以系列单片机控制，以 DHT21DHT21 温湿度传感器和根据时差法原理的超声波传感器实现对环境的温湿度和风速风向进行采集，温湿度传感器和根据时差法原理的超声波传感器实现对环境的温湿度和风速风向进行采集， 并通过蓝牙无线传输到接收模块将温湿度和风向风速数据显示在并通过蓝牙无线传输到接收模块将温湿度和风向风速数据显示在 LCD1602LCD1602 上。上。DHT21DHT21 数字温湿度传数字温湿度传 感器数据线为单总线；超声波测风模块通过单片
3、机发射感器数据线为单总线；超声波测风模块通过单片机发射 40kHz40kHz 的脉冲信号，应用的脉冲信号，应用 CD4052CD4052 选通发射选通发射 与接收回路。与接收回路。 【关键词关键词】STC89C52】STC89C52 HC-06HC-06 蓝牙模块蓝牙模块 DHT21DHT21 超声波传感器超声波传感器 智能气象站智能气象站 3目录目录第一章 引言4 1.1 本设计的背景.4 1.2 本设计的系统方案.4 1.2.1 系统的功能实现4 1.2.2 系统的技术实现4 第二章 气象站系统的组成框图4 2.1 气象站发送模块框图.5 2.2 气象站接收模块框图.5 第三章 气象站系统
4、硬件设计5 3.1 发送与接收模块的单片机最小系统.5 3.2 发送与接收模块的无线通信模块HC-06 蓝牙模块.6 3.2.1 蓝牙技术简介6 3.2.2 HC-06 蓝牙模块部分电路.6 3.3 DHT21 数字温湿度传感器.7 3.3.1 DHT21 简介7 3.4 超声波风速风向传感器及其电路部分9 3.4.1 超声波风速风向传感器原理.9 3.4.2 超声波风速风向传感器电路组成原理.11 3.4.3 超声波测风方案设计论证.14 3.5 气象站系统的报警模块14 3.6 气象站系统的电源部分15 3.7 发送与接收模块的 MAX232 串口电路.15 3.8 接收模块显示电路16
5、第四章 气象站系统的软件设计16 4.1 气象站系统的主程序流程16 4.2 系统子程序流程图17 4.2.1 发送模块 DHT21 温湿度子程序流程图.17 4.2.2 发送模块超声波测风子程序.18 4.2.3 接收模块 LCD1602 显示程序.19 4.2.4 报警子程序.20 第五章 气象站系统调试20 第六章 总结21 致谢22 参考文献22 附录23 附录 1 发送模块原理图.23 附录 2 接收模块原理图.24 附录 3 发送模块 PCB 图24 附录 4 接收模块 PCB 图.25 附录 5 系统程序.254第一章第一章 引言引言1.1 本设计的背景本设计的背景温度、湿度、风
6、速、风向等气象条件与生产生活密切相关，如果采用人工进行定时监测，不仅 浪费大量的人力，而且不能做到实时监控；如果采用有线测控系统则需要铺设光缆或电缆，这样不 但增加了成本，而且降低了系统的灵活性和可扩展性，还具有线路多、布线复杂、维护困难等缺点， 使用区域也有一定的局限性。针对上述的问题，提出了采用传感器技术、自动控制技术和无线蓝牙 技术相结合的智能气象站系统对环境气象进行实时监测。与多种无线通信技术1相比，蓝牙技术具 有应用广泛性，传输速率高，穿透性强，低功耗及准确性等优点。机械式风向风速传感器因其易损 坏、精度不高等缺点，而逐渐被更优良的传感器所代替，其中基于时差法的超声波风速风向传感器
7、就是其中之一。1.2 本设计的系统方案本设计的系统方案1.2.1 系统的功能实现系统的功能实现通过温湿度及风速风向传感器采集环境的温湿度、风速风向信号，将信号处理然后通过无线传 输到距离十多米的地方进行显示，实现实时监测环境的温度、湿度、风向和风速，给人们生产生活 提供环境气象参数，从而合理的安排生产生活。1.2.2 系统的技术实现系统的技术实现1.DHT21 数字温湿度传感器，内部包含一个电容式感湿元件和 NTC 测温元件，还有 A/D 转换模 块，实现温湿度数字信号输出。同时 DHT21 又是单总线形式，与单片机相连减少了 I/O 口的使用。 2.超声波测风模块，根据时差法原理，在一定距离
8、下分别测量超声波的逆风和顺风传输时间， 然后通过公式求解风速的大小。然后分别测得两个垂直方向的风速，再通过公式计算出此时的风向。 理论上风速测量范围可以通过调整传感器的距离而改变。 3.采用 STC89C52 单片机控制单元2，产品较为普遍，价格便宜，易于控制。对 STC89C52 用 C 语言编写程序，可读性较好。 4.无线通信采用全球广泛使用的蓝牙技术，本设计采用 HC-06 蓝牙模块，该模块可实现十米的 无线数据传输。 5.LCD1602 液晶显示器为工业字符型液晶，能够显示 32 个字符，可实现对数据进行简单显示。第二章第二章 气象站系统的组成框图气象站系统的组成框图气象站系统分为发送
9、和接收两个模块：发送模块主要由温湿度采集模块、风速风向采集模块、 单片机控制模块、蓝牙发送模块、报警模块和电源模块等组成；接收模块主要由蓝牙接收模块、单5片机控制模块、液晶显示模块、电源模块和报警模块等组成。具体框图如下：2.1 气象站发送模块框图气象站发送模块框图DHT21报警器STC89C52 单片机超声波测风HC-06 蓝牙模块天线图 2.1 发送模块信号采集发送过程3为 DHT21、超声波测风模块4将信号传给 STC89C52 单片机，单片机将信 号处理，并进行超温湿度、风速报警。处理后的信号经串口发送给 HC-06 蓝牙发射模块发射出去， 采用 2.4GHZ 全球免费波段。2.2 气
10、象站接收模块框图气象站接收模块框图天线 HC-06 蓝牙模块报警器LCD 显示STC89C52 单片机图 2.2 接收模块信号接收过程为 HC-06 蓝牙接收模块接收信号，将信号通过串口传输给 STC89C52 单片机处理， 如果超过温湿度、风速上限，将控制报警器报警。处理后的信号通过 LCD1602 液晶显示。第三章第三章 气象站系统硬件设计气象站系统硬件设计3.1 发送与接收模块的单片机最小系统发送与接收模块的单片机最小系统本系统采用 MCS-51 系列 STC89C52 单片机芯片5作为发送与接收模块的控制单元，芯片具有如 下特点：6（1）抗干扰性强； （2）低价格； （3）低功耗：掉电
11、模式耗电低于 0.1uA，正常工作模式为 4mA7mA，掉电模式可由外部 中断唤醒，适用于电池供电系统； （4）处理速度快，最高主频为 90MHZ； （5）通过 MAX232 电平转换芯片即可进行下载，编程方式灵活，可用 C 语言进行编写，可 读性强，8KB 的内部 ROM 增强编程方便性。 发送与接收模块的控制单元电路原理图如图 3.1：图 3.1 STC89C52 单片机最小系统图 3.1 中间部分为 STC89C52 芯片，该芯片采用 40 脚双列直插 DIP 封装，第 40 脚接+5V 电源， 第 20 脚接地，左上部分为复位电路，接单片机的第 9 脚，但按下键时即对系统进行复位。左下
12、为 晶振电路，采用 11.0592MHZ 的晶振。第 31 脚接高电平。3.2 发送与接收模块的无线通信模块发送与接收模块的无线通信模块HC-06 蓝牙模块蓝牙模块3.2.1 蓝牙技术简介蓝牙技术简介蓝牙技术6是一种近距离地保证可靠接收和信息安全的无线通信技术。于 1998 年 5 月由爱立 信、英特尔、诺基亚、东芝和 IBM 等五大公司组成的 SIG（Special Internet Group）联合制定的 标准。蓝牙技术工作在全球通用的 2.4GHzISM 频段，数据传输速率为 1Mbps。蓝牙技术特点7： （1）完好的替代功能：蓝牙所用的无线通道像有线电缆一样准确无误地发送和接收数据；
13、（2）信息安全性高：蓝牙技术采用跳频技术能很好的保证信息的安全性； （3）承载能力强：同时连接多个设备，支持不同类型（如声音和数据）的信息的发送与接收；（4）超低功耗：设备可用电池供电； （5）致密性高：蓝牙芯片内部结构复杂但体积小； （6）全球通用。3.2.2 HC-06 蓝牙模块部分电路蓝牙模块部分电路HC-06 蓝牙模块8,9,10主要性能参数：7（1）频率：2.4GHz ISM band （2）调制方式：GFSK （3）发射功率等级：class2 （4）灵敏度：-80dBm （5）通信速率：2Mbps （6）供电电源：3.3V （7）工作温度：-20 +55 HC-06 蓝牙模块部分电
14、路图如图 3.2.1：图 3.2.1 HC-06 蓝牙模块部分电路图 3.2 左边部分为蓝牙芯片，其 TX 与 RX 引脚分别接 STC89C52 的 RXD(P3.0)和 TXD（P3.1） ， PIO1 接 LED 灯，当 LED 常亮时表示蓝牙数据开始传输。右上部分为电源+5V 转为+3.3V 电路。HC- 06 蓝牙模块实物如图 3.2.2：图 3.2.2 HC-06 蓝牙模块3.3 DHT21 数字温湿度传感器数字温湿度传感器3.3.1 DHT21 简介简介DHT21 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
15、产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包 含一个电容式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性能的 8 位单片机相连。因此该传感器响8应快、抗干扰能力强、性价比高等优点。单总线串行接口，使系统变得简单快捷。超小的体积、极 低的功耗，信号传输距离可达 20 米以上。传感器为 4 针单排引脚封装。其性能指标如表 3.3.1。测量范围精度分辨力湿度（0100）%3%0.1% 温度（-2060）10.1表 3.3.1 性能指标DHT21 引脚图如图 3.3.1。本设计将 1 脚接电源+5V，2 接 STC89C52 的 I/O 口 P1.0，3 脚接地。图 3.3.1DHT21 为单总线数据输出口，如图 3.3.1,1 脚接电源+5V，2 脚接数据线，3 脚接地，4 脚置空。 DATA 用于与单片机进行通信和同步，数据格式为：40bit 数据=16bit 湿度数据+16bit 温度数据 +8bit 校验和，湿度高 8 位+湿度低 8 位+温度高 8 为+温度低 8 位=校验和，当温度低于 0时，温 度数据的最高位置 1。DHT21 与单片机数据传送过程如图 3.3.2。图 3.3.2空闲时总线为高电平，通信开始时单片机拉低总线 500s 后释放总线，延时 2040s 后单片 机开始检测 DHT21 的响应信号；从机的响应信号时一个
