便攜式小型氣象站的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成

1 系統(tǒng)概述
     目前，應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、氣象等方面的便攜式溫度、氣壓、濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本上是采用有線式的，其便攜式性能主要體現(xiàn)在移動(dòng)和架設(shè)的方便程度等方面，在實(shí)際使用過程中仍然需要系統(tǒng)布線、建立連接等，并且體積較大，攜帶不便，不能滿足便攜式設(shè)備的要求。
     便攜式小型氣象站系統(tǒng)主要包括采集與發(fā)送、接收與數(shù)據(jù)處理兩個(gè)部分。采集與發(fā)送部分完成自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)無線發(fā)射、接收指令完成相關(guān)設(shè)置等。架設(shè)方式可根據(jù)具體需要來定。接收與數(shù)據(jù)處理部分完成數(shù)據(jù)接收和顯示，并接收鍵盤指令對(duì)兩個(gè)部分進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置，根據(jù)設(shè)置的報(bào)警方式觸發(fā)報(bào)警等。由于本系統(tǒng)元器件不多，可以制成手持式或臺(tái)式。手持式的數(shù)據(jù)顯示方式宜采用液晶顯示模式，一方面節(jié)省能源，另一方面可大大縮小外觀體積，更適于便攜。臺(tái)式的接收與數(shù)據(jù)處理可采用數(shù)碼管顯示的方式，遠(yuǎn)距離觀察時(shí)效果比較好。
2 系統(tǒng)工作組成
     本便攜式小型氣象站系統(tǒng)的硬件主要由單片機(jī)和存儲(chǔ)單元、AD 轉(zhuǎn)換單元、傳感器單元、無線傳輸單元、電源單元組成，如圖 1 所示。
2.1 單片機(jī)和存儲(chǔ)單元
     便攜式小型氣象站單片機(jī)采用 Atmel 的 AT89S51。S1、C3 和 R1 構(gòu)成單片機(jī)復(fù)位電路，C1、C2 和 11.0592MHz 晶振組成穩(wěn)定的時(shí)鐘電路，為單片機(jī)可靠工作提供保證。S51第 31 腳（/EA/VP）接高電平，使用內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。24C01 用來保存有關(guān)參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)。
2.2 A/D 轉(zhuǎn)換單元
     AD 轉(zhuǎn)換采用常見的 8 位雙通道 AD 轉(zhuǎn)換器ADC0832，工作時(shí)鐘由 D 觸發(fā)器 74LS175 對(duì)單片機(jī)ALE 腳輸出的時(shí)鐘信號(hào)（頻率約為 1.8434MHz）8 分頻后提供，ADC0832 與單片機(jī)和傳感器的連接見圖 1。

2.3 傳感器單元
     傳感器主要包括溫度、濕度和氣壓等 3 種傳感器。溫度傳感器采用 Dallas 半導(dǎo)體公司的“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20，其溫度測(cè)量范圍為-55~+125℃，在-10~+85℃范圍內(nèi)的精度為±0.5℃�，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸給單片機(jī)，能大大提高便攜式小型氣象站系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。濕度數(shù)據(jù)的采集用 GY-HRM201 型濕敏電阻模塊作為傳感器。使用方便，外接 5VDC 電源即可輸出變化的電壓信號(hào)。氣壓傳感器選用 Freescale（Motorola）的 MPXM2202 型壓力傳感器，測(cè)量范圍為 0~200kPa，電源為 10VDC，最大為 16V。為減少整個(gè)采集系統(tǒng)的功率消耗，本系統(tǒng)對(duì)濕度和氣壓傳感器及其外圍電路采用了間歇供電模式，即在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣前先供電，延時(shí) 50ms 后再啟動(dòng) ADC采樣，轉(zhuǎn)換完成后斷開電源。單片機(jī)程序通過其 I/O口 P2.4 進(jìn)行電源管理控制。

2.4 電源單元
     儀器采用高能鋰聚電池供電，電源單元原理如圖2 所示。充電電路由開關(guān)電源和充電監(jiān)測(cè)電路組成，電池充滿后自動(dòng)停止。電池組由 4 節(jié)鋰聚電池組成，每節(jié)額定電壓為 3.7V，充滿空載電壓為 4.2V，4 節(jié)串聯(lián)后總電壓為 14.8V。電池組電壓輸出經(jīng)放電保護(hù)電路后，由 12V 和 5V 穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓后輸出+12V 和+5V，為整個(gè)采集系統(tǒng)提供電源。
3 射頻傳輸
     本小型氣象站系統(tǒng)采用單片射頻收發(fā)器芯片 nRF403 和編解碼芯片 PT2262/2272 構(gòu)成雙向數(shù)據(jù)傳輸通道，收發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換由單片機(jī)實(shí)時(shí)控制。發(fā)射調(diào)制采用透明傳輸方式，編碼信號(hào)可直接連接到發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)輸入端，在接收機(jī)的數(shù)據(jù)輸出端即可輸出解調(diào)信號(hào)。

3.1 電路原理圖
     便攜式小型氣象站電路原理圖如圖 3 所示�？臻e時(shí)單片機(jī) P2.3 口輸出低電平，nRF403 工作在接收待機(jī)狀態(tài)。如果有無線傳輸信號(hào)時(shí)，芯片 nRF403 進(jìn)入接收狀態(tài)，將接收到的數(shù)據(jù)由 DOUT 端口輸出給解碼芯片 PT2272。當(dāng)PT2272 解碼正確時(shí)，它的 VT 端產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，經(jīng)9014 反相后送給單片機(jī)的外部中斷 INT0，產(chǎn)生接收中斷信號(hào)，單片機(jī)進(jìn)入接收服務(wù)程序通過 P3.0 口（RXD）完成數(shù)據(jù)的接收。當(dāng)定時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間到，單片機(jī) P2.3 口輸出高電平，立即將芯片 nRF403 由接收待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)入發(fā)射狀態(tài)，由 P3.1 口輸出要發(fā)送的數(shù)據(jù)到編碼芯片 PT2262 的數(shù)據(jù)輸入口，完成編碼后直接送到芯片 nRF403 的 DIN 口，完成數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后 89S51 的 P2.3 口輸出低電平，控制芯片 nRF403 再次進(jìn)入接收等待狀態(tài)。
3.2 通訊協(xié)議
    小型氣象站系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是兩個(gè)不同的通道，發(fā)送和接收不分主次。數(shù)據(jù)傳輸速率固定使用 1200 波特率，因此發(fā)送和接收兩方的單片機(jī)串口設(shè)置相同。數(shù)據(jù)的傳輸分兩種情況，一種是采集的數(shù)據(jù)，溫度、氣壓和濕度各 2 個(gè)字節(jié)，后面緊跟對(duì)應(yīng)的 6 個(gè)字節(jié)的反碼，作為差錯(cuò)控制使用；另一種是控制指令，完成接收端的相應(yīng)控制。發(fā)送的通訊協(xié)議有兩種，一種是指令包，另一種是數(shù)據(jù)包，如表 1 所示。

Start_HEAD：傳送開始標(biāo)志，目的是使接收機(jī)和發(fā)送機(jī)同步。
Start_STX：數(shù)據(jù)傳輸開始標(biāo)志。
Start_TC：區(qū)別碼，區(qū)分傳送的是指令包還是數(shù)據(jù)包。
TEXT：正文部分，當(dāng)傳送指令包時(shí)，只有一個(gè)字節(jié)，值為 00H，當(dāng)傳送數(shù)據(jù)包時(shí)為 12 字節(jié)的溫壓濕數(shù)據(jù)（正反碼）。
Start_BCC：差錯(cuò)檢測(cè)，累加和校驗(yàn)碼（縱向奇/偶），對(duì) Start_TC 和 TEXT 一起進(jìn)行累加和校驗(yàn)。
Start_ETX：數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。
Start_END：傳送終止標(biāo)志，表示發(fā)送機(jī)將立即停止發(fā)送動(dòng)作。
Start_TC 字段控制含義：高 4 位為特征碼，低 4位是控制指令的具體參數(shù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，特征碼是 1111B，低 4 位為 0000H。發(fā)送指令包時(shí)的具體含義如下：
1100B：數(shù)據(jù)出錯(cuò)，要求重新發(fā)送一次。
1101B：設(shè)置采集時(shí)間間隔。
1011B：復(fù)位 MCU。
1010B：初始化所有的采集模塊。
其他：備用。
4 結(jié)束語
     本文通過設(shè)計(jì)一種便攜式小型氣象站，使溫度、氣壓、濕度測(cè)量及數(shù)據(jù)傳輸更方便，硬件連接更簡(jiǎn)單，使用自定義的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議方法比較簡(jiǎn)單，雙層差錯(cuò)控制可以在很大程度上提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率。

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