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便携，气象数据采集系统的研究j 实现 中文摘要 便携式气象数据采集系统的研究与实现 中文摘要 在日常的生活以及工农业的某些生产过程中，通常需要对某个地域或者某些特 定地点的温度、湿度、气压等气象信息有所了解。但传统的人工测量以及手工抄表 的方式不仅费时费力，而且难免也有很大的误差。为了更为方便、快捷、准确地采 集气象信息，开发更为良好的数据采集系统势在必行。 本课题在总结现有研究的基础上，构建了一个便携式气象数据采集系统。通过该 系统采集终端的温湿度传感器、气压传感器以及g p s 定位模块，测得当前的温湿度、 露点、气压以及时间位置信息，在l c d 液晶屏上实时显示出来，并经由g p r s 模块 发送到网络终端。网络终端通过创建数据库，构建w e b 站点，完成对采集信息的呈 现与管理。课题完成了采集终端的软硬件设计和网络终端的软件设计，并进行了硬件 稳定性和软件功能的测试。经实验验证，该系统可以稳定地采集与管理气象信息数据， 达到了预期的设计目标。 该气象采集系统借助了微型计算机、通信、传感器等技术方面的发展优势而设计， 对气象状况的监测不仅准确高效，而且其便携灵活的特点，也使得使用者操作得更为 方便快捷。 关键词：气象数据采集，g p s ，g p r s ，s q l 数据库 作者：刘文俊 指导老师：施国梁 a b s t r a c t o nt h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fp o r t a b l em e t e o r o l o g i c a ld a t ac o l l e c t i o ns y s t e m o nt h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fp o r t a b l em e t e o r o l o g i c a l d a t ac o l l e c t i o ns y s t e m a b s t r a c t i no u rd a i l yl i f e ，a n di nt h ei n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ep r o d u c t i o np r o c e s s ，w en e e d s o m em e t e o r o l o g i c a li n f o r m t i o n ss u c ha st e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n db a r o m e t r i ce t c h o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o d s ，m a n u a lm e a s u r e m e n ta n dm a n u a lr e a d i n gm e t e r ，n o t o n l ym a k eaw a s t eo ft i m ea n dm a n p o w e r ，b u ta l s om a k es o m ee r r o r s s oi t i sam u s tt o d e v e l o p am o r ea d v a n c e dd a t ac o l l e c t i o ns y s t e ms oa st oc o l l e c tt h em e t e o r a l o g i c a l i n f o r m a t i o n sm o r ec o n v e n i e n t l y ，f a s t e ra n da c c u r a t e l y i nt h i st h e s i s ，ap o r t a b l em e t e o r o l o g i c a ld a t ac o l l e c t i o ns y s t e mi sp r o p o s e da n d d e v e l o p e d i nt h i ss y s t e m ，i n f o r m a t i o n si n c l u d i n gt e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y ，d e w p o i n t ， b a r o m e t r i c ，t i m e ，l o c a t i o na n ds oo n ，a r ec o l l e c t e db yt e m p e r a t u r e h u m i d i t ys e n s o r ， b a r o m e t r i cs e n s o ra n dg p s ，r e a l - t i m ed i s p l a y i n gi nl c d ，a n ds e n tt on e t w o r kc e n t e rb y g p r s i nt h en e t w o r kc e n t e r ，t h ed a t a b a s ea n dw e b s i t ea r ec r e a t e da n dt h ec o l l e c t e d i n f o r m t i o n sa r et a k i n go na n dm a n a g e db yt h ew e b s i t e b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e d a t ac o l l e c t i o nt e r m i n a lh a v eb e e nd e s i g n e d a n dt h es o f t w a r eo ft h en e t w o r kc e n t e rh a s a l s ob e e nd e s i g n e d t h et e s t st op r o v et h es t a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c eo ft h ec o m p l e t e s y s t e mh a v ea l s ob e e ng i v e n e x p e r i m e n t mr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a nc o l l e c ta n d m a n a g em e t e o r o l o g i c a li n f o r m t i o n ss t a b i l i t i l ya n da c h i e v et h ee x p e c t e dg o a l m e t e o r o l o g i c a ld a t ac o l l e c t i o ns y s t e m i s d e s i g n e da n db a s e do nt h ea d v a n c e d t e c h n o l o g yo fm c u ，c o m m u n i c a t i o n ，s e n s o ra n d s oo n s ot h em e t e o r o l o g i c a li n f o r m a t i o n s a r ec o l l e c t e dm o r ea c c u r a t e l ya n de f f i c i e n t l y w h a t sm o r e ，i tc a nb eo p e r a t e dm o r e c o n v e n i e n t l yb y u s e rf o ri t sp o r t a b l ec h a r a c t e r i s t i c k e y w o r d s ：m e t e o r o l o g i c a ld a t ac o l l e c t i o n ，g p s ，g p r s ，s q ld a t a b a s e w r i t t e nb y ：l i uw e n j u n s u p e r v i s e db y ：s h ig u o l i a n g 便携式气象数据采集系统的研究j 实现第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景及选题意义 在人类生活的地球周围，环绕着一层深厚的大气。大气的冷、暖、干、湿等物理 状况和大气中发生的风、雨、雷、电等自然现象，统称为大气现象，简称为气象。研 究大气现象的成因和大气运动变化的规律，以及这些现象、规律对人类影响的科学叫 做气象学。 气象科学是人类在与大自然作斗争的长期实践中产生的，是人类认识自然与改造 自然的重要手段之一。气象学发展为现代科学不过是几百年的历史，因此，气象学是 一门年轻的科学。气象与人类的关系密切，从同常生活到各种生产活动，无不直接或 间接地受到气象条件的影响与制约。我国地域辽阔，天气气候复杂。只有充分认识、 研究和掌握天气气候的变化规律，才能利用有利的气象条件，使之造福于民。 气象科学又与我们的生活息息相关，从防灾减灾、工农业生产、交通运输、城市 规划、工程建设，到居家生活，出外旅行，处处都需要气象科学。及时准确的气象监 测对于帮助我们科学地进行生产、生活安排、筹备具有非常重要的意义。而作为便携 式的气象采集系统，更能够帮助我们随时随地了解当地的天气状况，以便能够及时地 作出相应的调整。无论是个人旅行，还是车队运输，抑或是行军打仗，便携式的气象 数据采集系统，在方便与快捷方面起着不可估量的作用。 1 2 国内外研究动态及发展前景 1 2 1 国内研究动态 我国自动气象数据采集系统研制工作始于2 0 世纪5 0 年代后期，至今已经有了 相当大的进展。目前，国内有多个厂家生产自动气象站，如北京华创升达高科技发 展中心和天津气象仪器厂的c a w s 系列、长春气象仪器厂的d y y zi i 系列、江苏 无线电研究所的z q z _ ci i 系列、广东省气象技术装备中心的z d zi i 型和北京阿斯 曼科技发展公司的a s m 、x y z 系列。其中c a w s 6 0 0 、x y z 0 6 以及机场地面气象 第一章绪论使携式气象数据采集系统的研究j 实现 观测自动化系统在军队和地方台站得到了广泛的推广和应用【2 】。 尽管如此，我国的气象采集系统仍然存在不少问题。首先，大部分自动气象站 采用集中式结构，数据采集器必须与具体的传感器匹配，系统丌放性不高。其次， 受技术水平和生产工艺的限制，国产传感器的准确性、可靠性较差，距世界先进水 平还有一定的差距，气象传感器主要依赖进口。再者，国产自动气象站所采用的数 据采集器大多与相应的自动气象站配套使用，当需要扩充自动气象站观测功能，增 加新的气象要素传感器时，不能直接进行升级，必须更换，从而造成重复建设和资 源浪费。 1 2 2 国外研究动态 国外的气象采集系统自上世纪5 0 年代末以来，已经经历了三代的发展，特别是 进入9 0 年代以后，自动气象站在许多发达国家得到了迅速的发展。如美国的自动地 面观测系统( a s o s ) ，日本的自动气象资料收集系统( a m e d a s ) 、芬兰的自动气象观测 系统( m i l o s ) 和法国的基本站网自动化观测系统( m i s t r a l ) 等。 目前，全世界的7 0 多个国家和2 0 多个地区和组织基本上都是使用芬兰v a i s a l a 公司的气象产品进行气象观测，v a i s a l a 公司自动气象站的代表系列足m a w s 系 列，目前在全球的大多数国家和地区使用的是m a w s 2 0 1 系列，该系列现已发展到了 m a w s 3 0 1 、m a w s 4 1 0 系列【引。 国外的自动气象站不仅拥有技术先进、精确稳定的气象传感器，而且还可以根据 用户的不同需求定制传感器的种类和数量，采用通用的数据传输格式，用户能自山配 置数据的输出格式。自动气象站采用良好的防护措施，能够适应各种不旧的环境。在 装备使用的机动性、操作的便捷性、维修的快捷性、恶劣坏境的适应性等方面都做得 较好。 1 2 3 发展前景 通过国内外气象采集系统现状的对比，可以看到，国内的气象采集系统虽然有了 较大的发展，但是与国外的发展水平相比，仍有较大的差距。因此，为了提高我国气 象监测事业的整体水平，必须重点发展新一代自动气象站，对气象传感器、数据处理 便携式气象数据采集系统的研究j 实现 第一帝绪论 等关键技术进行改进。随着微型计算机、新一代通信技术以及新型传感器的不断推广 与应用，我国的气象监测系统必然将转向微功耗、多功能、智能化、高精度、高可靠 性方向发展，必将为我们的生产和生活提供更可靠，更洋细的气象信息。 1 3 本课题的研究内容与任务 本课题讨论的便携式气象数据采集系统由数据采集终端和上位机处理程序两部 分组成。数据采集终端以深圳宏晶科技生产的s t c 8 9 c 5 8 r d + 单片机芯片为核心，设 计一种多功能、低功耗数据采集器，不仅能完成对现场温湿度、气压等信息的采集与 实时显示，而且还能将现场定位信息和采集信息进行远程传输。上位机程序则是在 p c 机上设计数据库，创建w e b 站点，以完成对采集信息的存储与管理。 要构建此便携式气象数据采集系统，本论文主要做了以下工作： 首先对气象采集系统进行了硬件设计。对系统要实现的功能和系统的性能进行合 理的构思和规划，选择满足功能需求的元器件、单元电路模块，然后进行原理图的绘 制，p c b 的制作以及电路板的焊接，并进行硬件调试，确保自己设计的电路系统能 够顺利的工作。 其次是软件的设计。软件设计包括对数据采集器的编程以及上位机w e b 站点的 设计。通过对数据采集终端的编程，使其按照指定的采样周期，对温湿度、气压等信 息进行采集、处理以及实时显示。上位机程序的设计则实现对采集信息的存储与管理。 最后，对系统进行整体的测试与实验，给出运行结果及实验分析。 第- 二章便携式气象数据采集系统硬件件设汁使携式气象数据采集系统的研究1 j 实现 第二章便携式气象数据采集系统硬件设计 2 1 系统总体框架 本系统要实现的功能是采集大气的温度、湿度与气压信息，进行处理与实时显示， 并把采集点的地理信息以及气象信息上传到网络中心，以便做到科学的存储与管理。 所以，从实现的功能出发，系统至少应该由温湿传感器( 完成温湿度采集) 、气压传 感器( 完成气压采集) 、g p s ( 完成定位信息采集) 、l c d ( 完成采集信息实时显示) 以及g p r s ( 完成采集信息发送) 等模块构成。其系统结构框图如图2 1 所示。 图2 - 1系统结构框图 从系统的结构框图上可以看出，本系统的硬件设计包括以下几个部分： s t c 单片机的基本外围电路设计，如电源管理、按键控制、晶振、复位、以及程 序下载接口电路的设计。这是一个电路能够正常工作的最小系统，它的正常运作为整 个系统的协同工作提供了最基本的保障。 温湿传感器电路的设计，使其能够准确的采集大气的温湿度以及露点信息。 气压传感器电路的设计，完成大气气压的监测，并在此基础上计算出当地的海拔 高度。 g p s 模块电路的设计，完成对监测地点的准确定位。 l c d 显示模块的电路设计，使其能够实时准确的显示出当地的气象信息及g p s 4 便携式气象数据采集系统的研究j 实现第二章便携式气象数据采集系统硬件没计 定位信息。 g p r s 模块电路的设计，完成对监测信息的远程传输，上传到网络中心，以便更 好的管理与分析。 功能扩展模块，可以扩展c a n 收发器接口以及其他气象采集传感器，以便系统 的更新与升级。 硬件电路为自己设计并制作，整体效果如图2 2 所示，本章第二节将对各个模块 的实现要点进行详细介绍，扩展辅助模块如晶振、复位电路等也将在各个模块的介绍 中一并讲述。 图2 2 气象采集系统硬件整体效果图 2 2 单片机及外围电路设计 2 2 1 电源模块 系统只有正常的供电才能稳定的工作，所以电源模块的设计尤为重要。由于各个 单元电路供电电压不完全相同，其中单片机模块、温湿传感器模块、g p s 、g p r s 以 及l c d 显示模块的供电电压为5 v ，而g p r s 发送模块以及气压传感器模块供电电压 为3 3 v ，故电源电路的设计要兼顾各个部分的要求。 第_ 二章便携式气象数据采集系统硬件件设计便携式气象数据采集系统的研究j 实现 呵 一让 】 鬻至牟一 葛 门荽荨_ 图2 - 3 电源电路图 图2 3 为气象采集终端电源电路图，外部供电电压为5 伏。电路给出了两种不同 的供电方法：u s b 接口供电法和5 伏电源插头供电法，以便更好的适应不同的工作 场合。5 伏到3 3 伏的电平转换采用的是美国a d m o s 公司生产的a m s l l1 7 稳压器1 4 1 。 a m s l l l 7 系列稳压器具有功耗低、体积小、压差小等特点，符合本系统的设计思想， 因此硬件设计时用它来进行电平转换。 2 2 2 单片机模块 由于数据采集终端的数据量并不是很大，也并不需要内嵌操作系统，所以可以尽 量选用价格低廉，性能优越的单片机作为采集终端的控制核心。而宏晶科技生产的 s t c 8 9 c 5 x r c i m + 系列单片机【5 j ，是高速、低耗、超强抗扰的新一代5 1 系列单片机， 指令代码完全兼容传统8 0 5l ，但速度快于普通8 0 51 单片机。其工作频率范围是0 4 0 m h z ，相当于普通8 0 51 的0 m h z , - - 8 0 m h z 。另外其价格低廉，工作电压也与5 伏 供电电压完全吻合，无需电平转换即可稳定工作，所以s t c 8 9 c 5 x r c r d + 系列的单 片机完全符合本系统的设计要求。 6 便携式气象数据采集系统的研究j 实现 第一：幸便携式气象数据采集系统硬件设计 图2 4s t c 8 9 c 5 8 r d + 及其外罔电路连接图 如图2 4 所示，即是s t c 8 9 c 5 8 r d + 单片机以及包括滤波、复位、晶振在内的外 围电路连接图。其中单片机两侧各连接了一排2 0 针的插针，是为了方便调试与扩展 其他功能。而8 个l e d 灯的设计不仅能更好的反应单片机的数据接收与发送情况， 也方便整个系统的调试与排错。同时为了增强系统交互功能，本系统设计了四个按键， 配合l c d 显示屏完成系统的操作与显示工作。另外，该单片机有一个显著特点是使 用时无需专用编程器仿真器，可以通过串口( p 3 0 p 3 1 ) 直接下载用户程序。然而 g p s 模块与g p r s 模块也同时会用到串口接收、发送数据，s t c 8 9 c 5 8 r d + 单片机的 一个串口明显不够用，所以要采用串口扩展芯片，再扩展出两个串口。本系统采用的 是成都视普科技公司生产的s p 2 3 3 8 串口扩展芯片。关于s p 2 3 3 8 串口芯片的功能及 电路设计在下一小节中详细介绍。 2 2 3 串口扩展芯片电路设计 s p 2 3 3 8 采用低功耗c m o s 工艺设计，它可轻松将单片机原有的一个u a r t 串行 口扩展成3 个全新的全双工u a r t 串行口1 6 1 ( 3 个子串1 3 的波特率最高可达9 6 0 0 b p s ， 所有u a r t 串行口可同时独立接收数据和发送数据) 。与其他多串口单片机及u a r t 扩展专用集成电路相比，s p 2 3 3 8 不仅具有宽工作电压、低工作电流、高工作速率、 输出误差小等工作特性，而且使用简单，价格低廉，开发周期短，与本系统的设计思 想完全吻合，故本系统采用其作串口扩展芯片进行电路设计。 7 第一二章便携式气象数据采集系统硬件件设计便携式气象数据采集系统的研究j 实现 a d r 0 0a d r r o a d r 0 la d r l l v c co s c i v c c0 s c o g n d v c c 煳双3 t x o 玎e 3 r x l腿 一t x ld 迂 s p 2 3 3 8 弋 _ _ - 士- - - 2 x c i 3 0 p x 2 一口卜_ 2 0 0 珏 z 图2 5s p 2 3 3 8 电路原理图 s p 2 3 3 8 电路原理图如图2 5 所示，其中，a d r l 0 、a d r l l 管脚为s p 2 3 3 8 的输 入地址线，用来确定单片机向s p 2 3 3 8 的哪个子串口发送数据，本系统将其分别连入 单片机的p 2 5 、p 2 6 管脚。a d r 0 0 、a d r 0 1 管脚为s p 2 3 3 8 的输出地址线，用来确 定s p 2 3 3 8 的哪个子串口向单片机发送数据。o s c i 、o s c o 为s p 2 3 3 8 正常工作的时 钟电路，本系统在此接入2 0 m h z 的晶振。r x 0 t x 0 、r x l t x l 为s p 2 3 3 8 的子串口， 分别与g p s 、g p r s 模块的串口相连。r x 3 t x 3 为s p 2 3 3 8 的母串口，与单片机的串 口( p 3 o p 3 1 ) 相连。而r x 2 t x 2 也为s p 2 3 3 8 的子串口，由于本系统并没有用到， 所以将r x 2 与v c c 相连，t x 2 管脚悬空。 2 3 温湿传感器模块电路设计 温湿传感器模块完成大气中温湿度信息的采集。为了使设计的温湿度采集电路 精度高，误差小，同时为了加强系统的集成性，减少系统的额外丌销，本系统采用 瑞士s e n s i r i o n 公司生产的s h t ll 数字温湿度传感器1 7 1 进行大气温度与湿度的测量。 每个s h t l l 传感器都在极为精确的湿度校验室中校准过，校准系数以程序的形式存 储在o t p 内存中，因此，采用其设计的温湿度采集电路具有品质卓越、超快响应、 抗干扰能力强等优点。 s h t l1 传感器芯片正常工作必须连接好四个管脚：v c c ，g n d ，s c k 以及 d a t a 管脚。v c c 管脚给芯片供电，g n d 管脚接地，s c k 管脚用于微处理器与s h t l l 之间的信号同步，d a t a 管脚用于向单片机输出采集数据。具体的设计电路如图2 6 。 8 一一一一蝤一药 便携式气象数据采集系统的研究i 实现第二章便携式气象数据采集系统硬件设计 u l 1 12 0 、1 p 2 ，o j a sv s s 1 9 2 3 p ! l a 9x t a i 1 1 8 2 4 p 二：a l ox r a l 2 p 二3 a 1 1r d p 37 1 7 2 6 p 24a 1 2瓢r p 3 6 1 5、- c c 2 7 p 2 j a l 3t l p 35 1 5t 2 8 p 26 a 1 4t o p 3 4 。1 4o 2 9 p 17 a 1 5i l p 3 3 1 3 i 如 p s e d 矗0p 3 ： 1 2 r d 占 c 4 1t ，l a l e p r o gt x d p 3l 1 1 1 0 k 享ll u 4 3 2 百鼬o p 30 1 0 l 3 3 p 07 a d 7 r 鼹 9 li 4 d a l a 3 4 p o6 a d 6p 1 7 8l3 g n dz 3 5 p o j a d 5 p 1 6 7 3 6 p 04 a d 4 p l5 6 i 1 、d d t 3 7 p o 3 a d 3p 1 4 ) s c k= 3 8 p o ! a d 2p l3 4 3 9 p 0 1 a d lp l2 3 p 00a d ot 2 e x p l + l 4 0l v o ct 2 p 10 s i c 5 l 图2 6s h t l1 接口电路 电源引脚 s h t l l 供电电压为2 4 - - - 5 5 v 。传感器上电后，要等待1l m s 以越过“休眠”状态。 在此期间无需发送任何指令。电源引脚( v d d ，g n d ) 之间增加一个1 0 0 n f 的电容， 是为了达到去耦滤波的作用。 串行时钟输入( s c k ) s c k 用于微处理器与s h t l1 之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑， 因而不存在最小s c k 频率。本系统将其连接于单片机的p 1 6 管脚。 串行数据( d a t a ) d a t a 三态门用于数据的读取。d a t a 在s c k 时钟下降沿之后改变状态，并仅 在s c k 时钟上升沿有效。数据传输期间，在s c k 时钟高电平时，d a t a 必须保持稳 定。为避免信号信号冲突，微处理器应驱动d a t a 在低电平。本系统将其连接于单 片机的p 1 7 管脚，并用一个外部上拉电阻将信号提拉至高电平。 2 4 气压传感器模块电路设计 气压传感器模块电路的设计完成气压数据的采集。经过综合考虑，本系统采用瑞 士i n t e r s e m a 公司生产的m s 5 5 4 0 c 数字气压传感裂8 1 。它是由压阻传感器和a d 传感 器混合组成的一个表贴器件，可以提供1 6 比特的气压值和一个温度值。m s 5 5 4 0 c 模 块提供了6 个补偿系数，通过软件设计可以精确地计算出传感器的气压值。 9 第一二章便携式气象数据采集系统硬件件设计 便携式气象数据采集系统的研究j 实现 m s 5 5 4 0 c 的管脚定义如表2 1 所示： 表2 1m s 5 5 4 0 c 的管脚定义 管脚序号 管脚名称 方向 功能 1g n d地 芯片的地 2s c l k 输入串行接口的时钟 3d o u t输出串行接口输出数据端 4d i n 输入串行接口输入数据端 5m c l k 输入工作时钟 6v d d 电源芯片电源 7p e n 输出编程使能 8 p v 电源编程负电压 其中，m c l k 为m s 5 5 4 0 c 主时钟，频率为3 2 7 6 8 k h z ；s c l k 为串行总线时钟， 最高频率为5 0 0 k h z ；d i n 为串行数据输入引脚；d o u t 为串行数据输出引脚。 3 图2 - 7m s 5 5 4 0 c 接口电路图 m s 5 5 4 0 c 的接口设计电路如图2 7 所示。由于m s 5 5 4 0 c 供电电压为3 3 v ，而 单片机的供电电压为5 v ，所以增加了个5 v 到3 3 v 的电平转换电路。气压传感器 的主时钟m c l k 则由频率为3 2 7 6 8 k h z 的有源晶振提供。有源晶振与无源晶振相比， 不需要c p u 的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而m s 5 5 4 0 c 对时钟的要求也较 高，所以采用有源晶振较为合适。 串行口时钟s c l k 则连接于单片机的p 2 0 口，最高频率为：5 0 0 k h z ；串行数据 输入口d i 连接于单片机的p 2 1 口，串行数据输出口d o 连接于单片机的p 2 2 口。 s c l k 、串行数据输入d i 和串行数据输出d o 组成串行口的读写时序，得到气压传感 器的数据。 l o 便携气象数据采集系统的研究j 实现第一二章便携上弋，t 象数据采集系统硬件设计 2 5g p s 模块电路设计 为了使设计的g p s 电路集成度高、定位精准，本系统采用的是天祥电子公司生 产的g p s 模块进行电路设计。该模块采用瑞士u b l o x 公司的n e o 5 q 主芯片1 9 j ，成 本低，体积小；采用最新的k i c k s t a r t 微弱信号攫取技术，提高了系统的定位速度与 定位性能。 g p s 模块电路的工作原理是：当系统上电后，g p s 模块会通过固化在其主芯片 罩的程序，每隔一定的时间，将采集信息以某种特定的格式发送至单片机的串口。单 片机接收到该字符串后，通过程序处理将定位信息提取出来，以用户容易理解的格式 呈现在l c d 显示屏上。因此g p s 模块的电路设计主要完成g p s 模块串口与单片机 串口的正确连接。具体的电路设计如图2 8 。 1 li i ”。 一 sl眈 王 强踊瀚曩耋_ 群 l o 1 勉宅n 拿 = 产刖 y j l 1 1 爱x2量xl翼 l 蝴瓢c 黔m la 警o 1 6 c p 6 q 嘲r s q 鼍嗽置， 1 7 s c s l 芦缸9 _ - 一 i 墨 墨抛v 蜀阻潞 i ： i l s a o u 鞠。净 1 广 璐弼 l j 瑚麟 1 5 、e e 碰o o 譬e o 、心c l o ；c zv c c a d 曩丑船量0 1 l l a o e l 。a 0 瓣 s 善 ：；j l xo3糍蝥3 2 0 l t ：臻0 越 rl i 一i3 一 e 船le 口姗 g 秘 l o 日f i 翻v 娜矗圃渭勰 匕c l一： b i 蠢s l l l ，0 jv e i l 7 i s - n a 虻 o 蝾 i l l m t b 州 图2 8g p s 接e l 电路图 图2 8 为g p s 接口设计电路图。从图中可以看出，n e o 5 q 还支持u s b ，i i c ， s p i 接口。由于本系统采用串口通信方式采集定位信息，所以其他接口并未连出。另 外由于单片机的串口资源有限，本系统采用s p 2 3 3 8 串口芯片扩展了两个串口，g p s 串口管脚t x d l k r x d l 分别连于s p 2 3 3 8 的r x 0 t x 0 子串口。n e o 5 q 的供电电压为 3 3 伏，所以本系统采用a m s l1 1 7 3 3 进行了电平转换。在v c cr f 管脚与天线接口 之间连接一个电阻和电感的串联电路，是利用电感的通直流阻交流特性，滤去电路中 的高频及尖峰脉冲，达到抗干扰的目的。 第二帝便携式气象数据采集系统硬件件设计便携式气象数据采集系统的研究t j 实现 2 6l c d 显示模块电路设计 l c d 模块电路设计主要完成l c d 模块v d d ，v s s ，r s ，刚w ，e ，d b 0 d b 7 ， p s b 等管脚的电路连接。l c d 正常工作除了必需的供电与接地外，还必须接受相应 的命令驱动。r s 管脚和d b 0 d b 7 管脚配合完成数据命令的选择和输入输出，p s b 管脚则完成数据模式的选择。所以，电路正常工作，必须完成这些管脚的正确连接。 具体的电路设计如图2 9 。 图2 9l c d 显示模块接口电路图 图2 9 为l c d 显示模块接口电路图。由于本系统采用的是8 位并行连接方式， 所以r s r w k e 管脚分别连入单片机的p 1 0 p 11 l p l 2 ，以进行数据命令的选择、读写 信号的控制以及使能信号的输出。d o 到d 7 代表8 路并行数据信号，分别连入单片 机的p 0 0 到p 0 7 管脚。另外，该液晶模块的供电电压为5 v ，可以直接与单片机电源 管脚相连，不需另行设置电平转换电路。 2 7g r r s 模块电路设计 为了缩短开发流程，加快开发进度，本系统采用永强电子生产的s i m 3 0 0 开发板 进行g p r s 模块的电路设计。该模块内嵌t c p i p 协议族【l 们，所以选用该开发板的好 处是，可以直接使用a t 指令控制g p r s 工作，以完成对采集信息的发送。 由于s i m 3 0 0 自身携带供电电源，且该模块是通过串口来接受a t 控制指令的， 所以在制作系统开发板时，只需在板子上设计g n d 、r x d 、t x d 这三个插排，就可 以与s i m 3 0 0 配套相连，进行正常的通信，电路设计简化许多。具体设计如图2 1 0 所示。 1 2 便携气象数据采集系统的研究j 实现 第一：帝便携式气象数据采集系统硬件设计 u 7 鼍f 图2 1 0g p r s 接口电路图 如图2 1 0 ，g p r s 的t x d r x d 管脚与串口扩展芯片s p 2 3 3 8 的子串口r x l t x l 相连，g n d 接地就可以币常工作。由于s i m 3 0 0 内嵌t c p i p 协议族，使用时，只需 通过串口发送a t 指令，就能控制g p r s 进行数据的收发，不需细究具体的通信协议， 又进一步缩短了开发流程，为下一步的开发工作节省了宝贵的时间。 第三帝便携式气象数据采集系统软件改计 便携式气象数据采集系统的研究j 实现 第三章便携式气象数据采集系统软件设计 如前所述，系统由温湿传感器模块、气压传感器模块、g p s 模块、l c d 模块、 g p r s 模块等部分组成，那么软件设计也要相应得分为温湿度采集程序模块、气压采 集程序模块、g p s 定位采集程序模块、l c d 显示程序模块以及g p r s 程序发送模块。 整个软件的设计思路是：当电源上电后，各模块初始化程序开始初始化，初始化 完毕后，l c d 显示初始化完毕信息，同时各模块开始采集数据。然后按着屏幕提示， 按相应的翻页键，显示相应模块的采集信息，按发送键，g p r s 将采集信息发送给网 络中心。整个软件设计过程中，由于g p s 和g p r s 都要用到串口来采集和发送数据， 所以串口中断程序的合理设计，是各个程序模块协调运行的关键所在。 3 1 软件设计总体框架 气象采集程序设计流程如图3 1 所示，程序从主程序入口点开始，依次执行串口 初始化程序，l c d 初始化程序，s h t ll 初始化程序，m s 5 5 4 0 c 初始化程序，g p s 初 始化程序以及g p r s 初始化程序。紧接着进行_ 个判断，如果初始化完毕，各模块开 始进行数据采集并循环扫描按键动作，如果没有，返回程序入口点，继续进行初始化。 其中串口初始化程序，完成串口工作模式的设置，波特率的设置，定时器的设置 与丌启，总中断以及串口中断的开启。按键动作增强了系统的交互能力，按k 1 键进 行g p s 第一页面的显示，按k 2 键进行g p s 第二页面的显示，按k 3 键进行温度、湿 度、露点、气压的显示。按k 4 键，启动g p r s ，将采集信息发送到网络中心。 1 4 便携式气象数据采集系统的研究j 实现第二三章便携式气象数据采集系统软件设计 r 主函数入口、) 、 。 、 上 l串口初始化 枷未藉旦 i 、“掣、1 - , ii r l l i 二二 1 j i n 毒11上 1 l c d 初始化 陋彗集数据| h 襄馨芸卜 二 曼已。n is h r l l 初始化| ； t 一! | s 5 5 4 0 初始化 显示g p s 显示g p s 显示温湿 g p r s 发 l 第一页第二页 d l j 上 送信息 ； ig p s 初始化 ， r t 上 ；各模块采l各模块采 一茗模块莱 各模块采 毒 i 集数据| 集数据 集数据集数据 | g p r s 初始化 童 ，主 童。 n 箬善盛，、 毒岭、 j 婧按瘫 一、罗夕、一 y i y i y i y 图3 1采集终端软件设计流程图 如图3 1 即为采集终端软件设计流程图。本程序设计采用模块化的设计思想，将 每一个要实现的功能作为一个独立的子程序来编写，然后在主程序中调用这些子程 序，以实现各个功能。这样使得整个程序设计结构紧凑，清晰明了，不仅移植性强， 也便于系统调试。下面这些小节中，将一一介绍这些模块的程序实现。 3 2 串口模块程序设计 如前章所述，由于g p s 和g p r s 模块都要用串口收发数据，而s t c 单片机只有 一个串口，这就造成了资源的短缺。本系统通过s p 2 3 3 8 串口扩展芯片，解决了这一 问题，所以对s p 2 3 3 8 串口芯片的编程，成为g p s 和g p r s 正常工作的关键所在。 3 2 1s p 2 3 3 8 编程原理 s p 2 3 3 8 母串口和所有子串口内部都有独立的数据发送缓冲存储器和接收缓冲存 储器，并且所有u a r t 串行口都支持全双工异步传输模式即所有串行口都可以独立 1 5 第二章便携式气象数据采集系统软件设计便携式气象数据采集系统的研究1 j 实现 接收和发送数据且不会丢失任何数据。母串口波特率：k 1 = 1 9 2 0 f o s ci n ，子串口 波特率：k 2 = 4 8 0 木f o s c i n ( f o s c i n 按照“m h z ”计算，且f o s c i n 蘧二二二二二 二二二二 i ：_ _ i 一 图3 5 读命令数据时序图 如图3 4 及图3 5 为l c d 写命令数据时序图和读命令数据时序图。本设计中 当向l c d 写命令和字符时，需要参照写命令数据时序，当读取l c d 的忙状态时， 需要参照读命令数据时序。 在l c d 显示模块程序中，主要定义了l c d 读忙状态子程序、写命令字子程序、 读命令字子程序、l c d 初始化子程序、设定显示位置以及显示一行字符子程序。 当模块在接受指令前，微处理器必须先确认模块内部处于非忙碌状态，即读取忙 状态b f 标志时，b f 需为0 ，方可接受新的指令；如果在送出一个指令前并不检查 b f 标志，那么在前一个指令和这个指令中间必须延迟一段较长的时间，即是等待前 一个指令确实执行完成。本文，设计了一个l c db u s y ( ) 子程序，完成l c d 忙状态的 读取。根据读命令数据时序图3 5 ，子程序中，首先将r s 选择端拉低，刚w 管脚拉 高，以表示读命令，然后将e 管脚拉高，以启动读命令时序。延时一段时间，接着将 p o 口和0 x 8 0 相与赋给结果r e s u l t ，最后清除使能信号，将结果r e s u l t 返回。程序根据 返回的结果，判断l c d 是否处于忙碌状态。 写命令与写数据分别由l c dw r i t e c m d ( u c h a rc m d ) 和l c dw r i t e d a t ( u c h a rd a t ) 子程 序实现。它们的程序结构基本相同，不同点在于r s 的值，当r s = i 时，表示写数据， 当r s = o 时，表示写命令。在程序丌始时，它们同样要将r w 管脚拉低，以表示写命 令数据。关闭使能，延时，将数据命令赋给p 0 口，延时，开启使能，将数据写入， 最后关闭使能。 l c d 初始化程序由l e di n i t o 程序完成。在程序丌始时，将p s b 管脚拉高，以表 第三章便携式气象数据采集系统软件设计 便携式气象数据采集系统的研究。j 实现 示选择并口连接方式。接着写命令字0 x 3 4 ，表示开启扩充指令操作，写命令字o x 3 0 ， 开启基本指令操作，写命令字0 x 0 c ，显示开启，光标关闭，写命令字0 x 0 1 ，清除l c d 显示内容。 当要l c d 显示汉字和字符时，除了要了解写命令数据程序外，还需要了解l c d 的显示坐标。在程序设计时，本文主要用到了汉字显示坐标，如表3 1 所示。 表3 1l c d 汉字显示坐标 x 坐标 l i n e l8 0 h8 1h8 2 h8 3 h8 4 h8 5 h8 6 h8 7 h l i n e 29 0 h9 1 h9 2 h9 3 h9 4 h9 5 h9 6 h9 7 h l i n e 38 8 h 8 9 h 8 a h 8 b h8 c h 8 d h8 e h8 f h l i n e 49 8 h9 9 h9 a h9 b h9 c h9 d h9 e h9 f h 参照表3 - 1 ，本文编写了l c d _ s e t p o s ( u c h a rx ，u c h a ry ) 程序及l c d _ d i s p l i n e ( u c h a r l i n e ，u c h a rp o s ，u c h a r 事s t r ) 程序来设定显示位置及显示一行字符。当x = o 时，令x = o x 8 0 ； 当x = i 时，令x = 0 x 9 0 ；当x = 2 时，令x = 0 x 8 8 ：当x = 3 时，令x = 0 x 9 8 ，具体的位 置及为x + y 的值。由此可见，x 表示l c d 显示的行位置，y 表示l c d 显示的列位 置。显示一行字符就是首先调用位置设定函数，确定显示位置，然后依次写入字符串 的每个字符，直到字符串结束为止。 如上介绍即是l c d 程序模块所完成的程序编写，将这些函数的声明写进l c d h 头文件中，以便主程序模块及其他程序模块调用。 3 4 温湿度采集模块程序设计 温湿度采集模块程序设计是针对瑞士s e n s i f i o n 公司生产的s h t i1 数字温湿度传 感器进行编程，使其兼有温湿度采集以及露点测量功能。 3 4 1s h t l1 程序设计流程 在对s h t ll 编程时，首先要完成s h t ll 的初始化工作，以便使温湿传感器的数 据端口处于复位状态。接着进行温度与湿度信息的采集，一次采集结束后，进行一次 判断，如果采集正确，则根据采集的信息对温、湿度以及露点进行补偿计算，以获得 便携气象数掂采集系统的研究j 实现第二三章使携气象数据采集系统软件设计 正确的结果，否则，返回重新进行初始化。整个程序设计流程如图3 6 。 图3 6s h t l l 程序设计流程 s h t ll 初始化程序是通过一个f o r 循环语句将数字0 者l 赋给d