基于双单片机的智能遥测微型气象站的设计.doc

基于双单片机的智能遥测微型气象站摘要本文针对智能交通系统中气象信息系统的特殊性，研究设计了一种基于双单片机的智能遥测微型气象站，并且完成了系统的硬件和软件设计。该系统以ATMEL公司推出的AT89C51单片机为核心，构建了包括压、温、湿等基本气象要素的采集系统，并引入了超声波测距原理进行积雪深度的测量，进一步提高自动气象站的集成度。该系统采用了两片单片机共同运行，第一片的功能负责接收传感器传来的信号后发送给第二片单片机，第二片单片机的功能负责接收第一片单片机传来的信息并储存，增强了每片单片机的运行速度，减少了每片单片机的负荷量。而且便于与其他装置一起共同构建智能交通系统，方便根据需求进行配置和扩展，提高了系统的灵活性，达到分布式测量的效果。全文共分为基于双单片机的智能遥测微型气象站绪论，介绍了该系统发展的背景、目的及意义和设计主要内容；系统原理介绍叙述了系统结构和功能、单片机原理、传感器原理、数模转换器原理和超声波测距的原理；系统硬件设计阐述了系统的总体设计思考、测量电路的硬件设计和通信接口的硬件设计；系统软件设计分步说明了测量电路的软件设计、通信的软件设计和两片单片机分别的工作流程；以及结论等五章。功能上实现了智能气象站对气象数据的自动采集、处理、将处理后的数据传送给第二片单片机。 关键词：自动气象站，AT89C51单片机，超声波，智能交通系统 base on twin singlechip of aptitude remote sensing minitype weather stationAbstractBased on Intelligent Transportation Systems meteorological information systems are unique, Study design of a microcontroller-based intelligent micro-telemetry station, and the completion of the system hardware and software design. The system introduced by the company ATMEL AT89C51 as the core, including the construction of pressure, temperature, wet weather, and other basic elements of the acquisition system and the introduction of ultrasonic distance measurement principle snow depth measurement, AWS further enhance the integration. The system uses a two SCM common operation, The first piece of the function responsible for receiving reports from the sensor signal is sent to the second unit microcontroller, second unit SCM function to receive the first microcontroller unit and the information from storage, increased per unit operating speed MCU, reducing the per unit MCU load. But can with other devices jointly build intelligent transportation systems, based on the demand for convenient configuration and expansion enhance the flexibility of the system to achieve distributed measurement results. The full text is divided into two microcontroller based Intelligent Micro-telemetry station introduction on the development of the system of background, and the purpose and significance of major design elements; Principle described on the system structure and function of SCM principles, Sensors, Digital to Analog Ultrasonic Ranging principle and the principle; System hardware design of the system design of thinking, measuring circuit design of the hardware interface and communication hardware design; System software design shows a step-by-step measurement circuit design software, Communication software design and 2 respectively SCM workflow; and the results of five chapters. Function on an intelligent device to the automatic meteorological data acquisition, processing, will handle the transmission of data to the second unit MCU.Key words：aut observatory,AT89C51MCU, ultrasonic, ITS目 录摘要Abstract1绪论 11.1系统设计的背景、目的及意义11.1.1系统设计的背景11.1.2系统设计的目的和意义11.2国内外发展现状21.3设计主要内容22系统原理介绍 42.1系统组成及功能介绍42.2单片机简介及应用42.3传感器技术与应用42.4数模转换器技术及应用72.5超声波测距系统的原理93系统硬件设计 103.1系统总体设计思考103.2系统测量电路的硬件设计103.2.1温度103.2.2湿度113.2.3气压123.2.4风向133.2.5风速143.2.6雪深143.3通信接口的电路设计154系统软件设计 174.1数据测量的软件设计174.1.1温度测量的软件设计174.1.2湿度测量的软件设计184.1.3气压测量的软件设计204.1.4风向测量的软件设计214.1.5 风速测量的软件设计4.1.6雪深的软件设计184.2通信接口的软件设计204.3主从单片机的工作流程5结论22参考文献附录致谢基于双单片机的智能遥测微型气象站1绪论.1系统设计的背景及意义1.1.1系统设计的背景近年来，智能交通系统发展迅猛，而交通与气象是一种不对等的弱势与强势对手关系。气象对交通的影响是交通部门无法阻止的，但是了解和掌握气象的规律却可以为交通更好的发展提供科学决策依据，交通气象信息无疑是智能交通系统的重要组成部分。影响交通通行因素中，气候条件是主要因素。雾、雪、暴雨、雷电、大风、潮水、冰冻等恶劣气候常导致航班、高速公路、海运船舶被迫取消或者延后，给居民出行带来不便，也间接影响了经济的发展。不仅如此，自然气候条件也常常会影响到交通基础设施的使用寿命。尤其对于公路来说，一条修建好的公路随着运营时间的延长，需要不断养护才能继续保持正常通行能力。每年的养护成本占据全年养路费用的大部分。公路损坏除了来自于人为的超载因素外，自然气候的侵蚀也是不可忽视的。虽然目前国内一些气象仪器研究者和生产厂家在自动气象站的基础上，根据高速公路气象观测的需要，设计生产了适应于高速公路的自动气象站，但这仍只是处于尝试阶段，它们大都是将其他应用场合的模型稍加修改而成，普遍存在着对公路交通特点针对性不强的问题。因此，若能针对目前用于智能交通系统中的气象要素采集卡的某些缺点以改进，采用模块化设计的思想，以通用采集卡的形式提供各种类型的传感器接口以及通信接口，方便根据需求进行配置和扩展，提高系统的灵活性，达到分布式TA量的效果。那么势必会有较为广阔的应用前景。1.1.2系统设计的目的和意义本文主要针对目前用于智能交通系统中的气象要素采集卡的某些缺点加以改进，提出了模块化设计的思想，以通用采集卡的形式提供各种类型的传感器接口以及相关通信接口，方便根据需求进行配置和扩展。本系统分为气象要素的采集和发送与信息的接收和储存两部分进行设计，以提高了系统的处理速度，减少了系统的负荷量。本系统主要具备如下几方面的特点：1、工作速度快，使用双单片机分担了总体的工作量，极大的增加了系统的工作速度；2、能够收集大量且必备的气象要素，使用用户得到更多的气象信息；3、集成度高。本系统采用专用气象采集传感器，可达到测量精度高的效果； 4、结构简单。本系统采用的传感器接口清晰，容易理解。另一方面，气象监测作为一项服务性行业，正从传统的单一预报工作向着系统化、业务化方向发展。本文设计的这一智能遥测微型气象站，可以方便地应用于一般用户，例如智能小区、数字家庭，也可以是酒店、旅馆等服务场所等，这将为拓宽气象业务的发展做出一份贡献，从而更好的推动气象事业的发展，使其最大限度地为大众服务。1.2国内外发展现状目前，自动气象站己被广泛应用于气象、环保、机场、工业、农业、林业、旅游业、服务业、海洋、水文、军事、仓储、教育、科研等多个领域。顺应市场的需求，国内外在自动气象站的研制方面也取得了非常迅猛的发展。国内生产自动气象站的厂家主要有：天津气象仪器厂、长春气象仪器研究所、长春气象仪器厂、上海气象仪器厂、江苏省无线电科学研究所有限责任公司等。这些厂家己先后研制出用于多个不同行业的自动气象站。总体说来，它们可以监测到的是包括气压、气温、湿度、风速、风向等这些基本气象要素，采用的方法一般是通过各气象传感器将被测气象要素转换成电信号，再经电子处理电路(通常是微处理器) 存储输出与显示。目前，美国基于路面环境的地面气象观测网络正在蓬勃发展，在许多地区根据当地的需要建立了地面环境自动观测网络。该系统是由多个遥感器组成，包括地表温度探测仪、雨量计、能见度检测仪以及测量气温、湿度、风场等探测仪器，可以测量大气、路面和水面的相关信息。该观测网络采集的信息直接输入到公路天气信息系统(RWIS)中，经过处理后分发给自动预警中心、交通管理部门、紧急处理中心以及公路维护单位。日本和北欧等一些经济发达国家也相继建立起了高速公路气象监测系统。而超声波测量雪深这一技术，目前国内暂无人使用，国外也很少见，只有芬兰等个别国家将其使用在自动气象站上。1.3设计主要内容事实上，智能遥测微型气象站是单片机在气象仪器方面的应用。因此，本文首先介绍了AT89C51单片机的应用原理、传感器原理及应用，并阐明它们的优点。其次介绍了该课题的开发流程及系统硬件的选择，为后面的内容做好铺垫。然后以系统软件设计为内容介绍系统的实现。硬件设计阶段主要分模块地讨论了各功能电路的实现原理、接口设计方案，并给出了相应的电路原理图；软件设计中主要给出了软件设计思路与流程图及关键模块的软件代码。第一章：简要叙述了本文设计背景，综合论述了本文研究工作的目的和意义以及国内外研究现状，并对本文各章节内容做了概述。第二章：介绍了该系统的设计组成部分、单片机特点与应用、传感器技术与应用及数模转换器的技术与应用。第三章：进行系统的总体设计思考、系统测量电路的硬件设计和通信接口的电路设计。第四章：根据第三章的硬件设计思路，进行了各传感器数据采集的软件设计和通信接口的软件设计。第五章：对本文的主要设计内容进行总结。具体设计框架见图1-1。介绍基于双单片机的微型遥测气象站的背景、目的、意义、国内外发展现状及设计内容介绍系统功能说明、介绍单片机、数模转换器、传感器及超声波的功能和应用系统的总体设计构思、系统测量电路的硬件设计和通信接口的硬件设计数据测量、通信接口及两片单片机各功能的软件设计针对本设计所学到的知识和总结图1.1 设计内容构架2系统原理介绍2.1系统组成及功能介绍本系统由2部AT89C51单片机、MAX232接口芯片、瑞士Sensirion公司生产的具有I2C总线接口的SHT11相对湿度和温度传感器、太原仪表公司的GDJ-5压电激励谐振筒式压力传感器、长春气象研究所的风向格雷码传感器和三杯式风杯组件、以及测量雪深使用的型号为TCT40-16T/R的压电式超声波换能器组成。该系统具有气象数据的自动采集、计算处理和存储的功能，它可以连续自动地测量风向、风速、温度、湿度、气压和雪深等气象指标，各种气象要素经过传感器将模拟量转化成相应数字量供采集器定时处理，经单片机处理及传输，实现资料的存盘和查询。2.2单片机简介及应用自从1971年微型计算机问世以来，微型机主要向两个方向发展：一个向高速度，高性能的高档微型计算机方向发展。一个向稳定可靠，小而廉价的单片机方向发展。所谓的单片机，就是把中央处理器CPU、只读存储器ROM、定时/计数器以及I/O接口电路等集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。从组成和功能上看，它具有微型计算机的含义。单片机由于将CPU、内存和一些必要的接口集成到一个芯片上，并且面向控制功能将结构作了一定的优化，所以它具有一般芯片不具有的特点：.体积小、重量轻；.电源单一、功耗低；.功能强、价格低；.全部集成在一块芯片上，布线短、合理；.数据大部分在单片机内传送、运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高I2C总线是目前应用广泛的串行外围扩展总线，是一种集成电路芯片间的总线。在采用I2C总线的系统中，不仅要求所用单片机内部集成有I2C总线接口，而且要求有用外围器件内部也带有I2C总线接口。在Philips新一代80C51系列单片机以广泛引入了I2C总线技术，Motorola公司也将I2C总线接口集成在M68HC05系列的一些单片机中，韩国三星公司和日本三菱公司等也研制成功了带有I2C总线接口的单片机系列产品。由于AT89C51没有I2C接口，所以通过软件模拟实现I2C通信；与单片机串口通信部分采用RS232通信模式，采用MAX232接口芯片。利用8051串行口可以建立两片MCS-51单片机点对点异步通信的模型，实现两台单片机间的点对点异步通信。此时MCS-51应工作在方式1、方式2、方式3。利用TTL电平直接通信是指将两台MCS-51的TXD、RXD和GND的同名端直接通过电缆或双绞线连接起来进行的通信，必要时也可外加驱动器。本方式通常用于两台MCS-51相距小于1.5米时的情况。符合本系统设计的要求。目前，单片机被广泛的应用于测控系统、工业自动化、智能仪表、集成智能传感器、机电一体化产品、家用电器领域、办公自动化领域、汽车电子与航空航天器电子系统以及单片机的多机系统等领域。2.3传感器技术与应用本系统是实现温度、湿度大气压、风速、风向和雪深的数据采集系统。所以在各气象要素采集中分别介绍个传感器的应用。温度传感器DS18B20：数字单总线温度传感器是目前最新的测温器件，它集温度测量，A/D转换于一体，具有单总线结构，数字量输出，直接与单片机连接等优点。既可用它组成单路温度测量装置，也可用它组成多路温度测量装置。本文介绍的单路温度测量装置已研制成产品，产品经测试在1070之间测得误差为0.25，80T105之间测量误差为0.5，当T105时误差为增大到1左右。用单总线温度传感器和单片机构成的测温装置具有推广价值。温度传感器DS18B20将被测环境温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节），传感器可置于离装置150米以内的任何地方，输出脚I/O直接与单片机的P2.0相连，传感器采用寄生外部电源供电。DS18B20型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量和控制仪器、测控系统及大型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。DS18B20具有以下性能特点：（1）采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（二进制数，9位，含符号位）；（2）测温范围为-55125之间，测量分辨率为0.0625；（3）内含64位经过激光修正的只读存储器ROM；（4）适配各种单片机或系统机；（5）用户可分别设定各路温度的上下限；（6）内含寄生电源。湿度传感器：通过单片机（AT89C51）直接控制SHT11传感器，将得到的湿度数据通过串口发送到本单片机，并实现湿度数据的保存、分析和处理。单片机和SHT11数据采集部分采用I2C接口。 气压传感器：气压传感器采用振筒式压力传感器，主要由激振线圈、拾振线圈、振动筒、外保护筒及底座等部分组成。该传感器是利用振动筒的固有振动频率来测量压力的。振动筒可以等效为一个二阶强迫振荡系统，筒内气体压力的变化引起了筒的形状变化，从而改变了筒的振动频率，通过该频率的变化可达到测量压力的目的。当大气压力为零时,激振线圈使振动筒以最低固有频率振动；当大气进入振动筒内部时，引起筒的应力和刚度变化,筒的固有频率增加。拾振线圈拾检出振动筒的频率变化之后,一方面限幅放大、整形后输出频率信号,另一方面正反馈给激振线圈维持振动筒的振动。风向传感器：采用长春气象研究所的风向格雷码传感器。其工作原理是由风标转轴连接一个由风向标带动的7位格雷码光码盘组成，码盘由七个等分的同心圆组成，由内到外分别作0、2、22、23、24、25、26、27等分，相邻每份作透光与不透光处理，通过位于码盘两侧同一半径上的7对光电耦合器件输出相应的7位格雷码，码盘的上面安装有一组（7个）红外发光二极管，传感器的输出方式为7位格雷码。风向标通过转轴带动格雷码盘转动，完成风向到格雷码的转换。每组格雷码有7位代表一个风向。由于外圈是128等分，故风向的分辨率为：3600/128=2.8，满足系统的要求。通过读入格雷码，通过查表可以得到当前的风向。表2.1 格雷码与二进制码对照表十进制码自然二进制码格雷码十进制码自然二进制码格雷码000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000风速传感器：采用长春气象研究所的三杯式风杯组件，信号变换电路为霍尔集成电路。在水平风力的驱动下，风杯组件旋转，通过轴带动磁棒盘旋转，其上的数十只小磁体形成若干个旋转磁场，在霍尔磁敏元件中感应出脉冲信号，其频率随风速的增大而线性增加，输出的频率范围01221Hz。测出频率就可以计算出风速，V=0.1f.测量范围：060M/S；分辨率：0.1M/S。所以，按照上述要求，计数应该精确到5Hz,则定时时间为0.1S，满足每分钟采集60次的要求。本模块采用定时计数的方法来实现频率的测量。2.4数模转换器技术及应用随着超大规模集成电路技术的飞速发展和计算机技术在工程领域的广泛应用，A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。为满足不同的检测和控制任务的需求，大量结构不同、性能各异的A/D转换电路应运而生，在精度、价格和速度方面也千差万别。尽管A/D转换器的种类很多，但目前应用较广泛的主要有三种类型：逐次逼近式A/D转换器、双积分式A/D转换器和V/F变换式A/D转换器。本系统采用AD574作为模拟信号与数字信号间的转转换功能器件。其AD574的CE、12/8、CS、RS和A0对其工作状态的控制过程为：在CE=1、CS=0同时满足时，AD574才会正常工作，在AD574处于工作状态时，当R/C=0时A/D转换，当RC=1是进行数据读出。12/8和A0端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。A0=0时，启动的是按完整12位数据方式进行的。当A0=1时，按8位A/D转换方式进行。当R/C=1，也即当AD574处于数据状态时，A0和12/8控制数据输出状态的格式。当12/8=1时，数据以12位并行输出，当12/8=0时，数据以8位分两次输出。而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。表2.2控制逻辑真值表CECSR/C12/8A0工作状态0XXXX禁止X1XXX禁止100X0启动12位转换器100X1启动8位转换器101+5VX12位并行输出有效1010V0高8位并行输出有效1010V1低4位并行输出有效如果需AD574工作于单一模式，只需将CE端接至+5V电源端，和A0接至0V，仅用端来控制A/D转换的启动和数据输出。当R/C=0时，启动A/D转换器，经25us后STS=1，表明A/D转换结束，此时将置1，即可从数据端读取数据。图2.2是8051单片机与AD574的接口电路，其中还使用了三态锁存器74LS373和74LS00与非门电路，逻辑控制信号由(CS、R/C和A0)8051的数据口P0发出，并由三态锁存器74LS373锁存到输出端Q0、Q1和Q2上，用于控制AD574的工作过程。AD转换器的数据输出也通过P0数据总线连至8051，由于我们只使用了8位数据口，12位数据分两次读进8051，所以R/C接地。当8051的P3.0查询到STS端，转换结束信号后，先将转换后的12位A/D数据的高8位读进8051，然后再将低4位读进8051。这里不管AD574是处在启动、转换或者输出结果状态，使能端CE都必须为1，因此将8051的写控制线WR和读控制线RD通过与非门74LS00与AD574的使能端CE相连。图2.2 AT89C51与AD574的接口电路 2.5超声波测距系统的原理为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电器方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电器方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。他们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2，这就是所谓的时间差测距法。3系统硬件设计3.1系统总体设计思考由于单片机管脚个数的限制，本系统设计单片机与各传感器的接口如下（1）温度传感器与AT89C51的P2.0管脚连接；（2）湿度传感器与管脚P1.0和P1.1连接；（3）风向传感器与管脚P2.2P2.7连接；（4）风速传感器与管脚P3.2连接；（5）超声波发送装置与管脚P1.7连接，接收装置与管脚P1.6连接。（6）由于本系统采用振筒式压力传感器，需要将频率转换成电压值，所以需要在二者之间连接一个数模转换器。通过AD574接到AT89C51的P0.0P0.7管脚，再将压力传感器接到AD574上。（7）由于单片机管脚个数的限制，同时将通信需要的管脚接到P0.0P0.7，在传送数据的时候需要先中断压力传感器的数据的采集，对压力数据采集的时候再关闭通信的中断信号。考虑到多项传感器采集得到的数据量大，一片单片机的工作效率会受到一定影响的情况，所以本设计采用双单片机的形式。其中，一个系统负责数据的采集和发送，另一个系统负责数据的接受和处理。本系统中采用主从并行通信接口的方式来实现双单片机之间的通信。主从并行通信接口的特点是两单片机之间能够通过并行通信接口将数据发送到对方，这种方法要求有单片机A（负责接收和处理数据的单片机）处在主机状态，单片机B（负责收集和发送的单片机）处在从机状态。单片机A是主机，单片机B是从机。该接口使用了一个8位端口（P3）和4根控制信号线。本模块利用主从机的主机接收从机发送的工作方式。3.2系统测量电路的硬件设计3.2.1温度基于DS18B20的温度测量装置电图如图3.1所示：温度传感器DS18B20将被测环境温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节），输出脚I/O直接与单片机的P2.0相连，传感器采用寄生电源供电。89C51是整个装置的控制核心，用户程序存放在这里。系统程序分传感器控制程序和储存两部分，传感器控制程序是按照DS18B20的通信协议编制。系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的读写。图3.1 DS18B20与单片机的连接3.2.2湿度本模块是实现湿度数据采集系统，通过下位机（AT89C51）直接控制SHT11，将得到的湿度数据进行湿度数据的保存，分析处理。系统的主要组成原理如图3.2所示。电源部分，外接电源为518V的直流电源，经过LM7805稳压后输出5V的电压供系统；单片机和SHT11数据采集部分，两者采I2C接口，由于AT89C51没有I2C接口，所以通过软件模拟实现I2C通信，本设计利用P1.0来虚拟数据线DATA，利用P1.1口线来虚拟时钟线，并在DATA端接入一只4.7的上拉电阻，同时，在VDD及GND端接入一只0.1F的去耦电容。其湿度值输出：SHT11可通过I2C总线直接输出数字量湿度值，其相对湿度数字输出特性曲线如图3所示。由图3可看出，SHT11的输出特性呈一定的非线性，为了补偿湿度传感器的非线性，可按如下公式修正湿度值：RHlinearC1C2SORHC3SORH2式中，SORH为传感器相对湿度测量值，系数取值如下：12位：SORH：C14，C20.0405，C32.81068位：SORH：C14，C20.648，C37.2104图3.2 SHT11与AT89C51的连接3.2.3气压本模块传感器采用太原仪表公司提供的GDJ-5压电激励谐振筒式压力传感器。该传感器的输出为：周期（频率）与气压相关的TTL电平的矩形波信号和一个工作温度呈线性关心的05V的模拟电压信号。在传感器出厂前，厂家对该传感器进行了标定。通过数据分析，欲使系统分辨率达到0.1kPa,应按照周期对气压的最低灵敏度出来确定周期及频率测量的分辨率。表3.1GDJ-5压力传感器二维实验标定数据（周期）-30-20-10010203040500.26V0.79V1.33V1.84V2.36V2.88V3.41V3.94V4.47V1070193.5092193.5182193.5297193.5415193.5455193.5542193.5723193.585193.60011000195.3099195.3219195.3344195.3484195.3544195.3645195.3846195.3989195.4154950196.628196.6416196.6558196.6714196.6782196.6895196.711196.7265196.7443900197.974197.9893198.005198.0219198.0299198.0427198.0655198.0822198.1015850199.3506199.3671199.3884199.4027199.4125199.4263199.4502199.4685199.4887800200.7553200.7734200.7922200.8121200.823200.838200.864200.8832200.9049750202.1923202.212202.2326202.2534202.2662202.283202.3103202.331202.354700203.6629203.6843203.707203.7303203.7435203.7614203.7906203.8125203.8373650205.1673205.1918205.2152205.2402205.2549205.2743205.3052205.3286205.355600206.7048206.7315206.7569206.7824206.7985206.8201206.8521206.8769206.9047550208.2806208.3082208.3362208.3646208.3815208.4029208.4374208.4643208.4936500209.8931209.923209.9528209.9831210.0019210.0259210.062210.0891210.1195450211.5464211.5782211.6098211.6423211.6625211.688211.726211.7557211.7879表3.2GDJ-5压力传感器二维实验标定数据（频率）-30-20-10010 203040 500.26V0.79V1.33V1.84V2.36V2.88V3.41V3.94V4.47V10705167.7135167.472625167.165565166.8515166.743745166.51155166.0285165.689495165.2865910005120.06825119.75365119.425975119.0595118.901855118.637215118.1115117.73875117.303969505085.74575085.393935085.026735084.6235084.447595084.155485083.65083.199265082.739379005051.16835050.7785050.377525049.9465049.742495049.416115048.8355048.40925047.917368505016.28795015.872735015.437525014.9775014.730775014.383765013.7835013.322915012.815268004981.18854980.739484980.273144979.084979.509324979.137414978.4934978.017084977.479397504945.78684945.304934944.801184944.2714943.979774943.569164942.9024942.396374941.834617004910.07444909.558574909.011474908.45 4908.132044907.700874906.9984906.470144905.873466504874.07114873.48914872.933394872.344871.99088 4871.530444870.7974870.242144869.616036004837.8174837.19224836.597964836.0024835.625024835.119994834.3724833.792464833.142995504801.21534800.579144799.933954799.284798.89054798.397724797.6044796.98444798.310295004764.334763.651434762.97534762.2884761.861684761.317534760.4994759.885214759.196554504727.0954726.384854725.679064724.9534724.502454723.933344723.0854722.423064721.705063.2.4风向本模块采用长春气象研究所的风向格雷码传感器。其结构是一个具有9管脚的芯片，在连接时管脚39分别通过一个电阻和一个74HC14与单片机的管脚P2.2P2.7连接；将风向的7位格雷码通过RC滤波后经史密特整形后接到预处理电路中，把每位格雷码和对应的风向做成表格，通过查表法实现风向测量。表3.3方位与对应伏数关系表方位04590135180225270315360伏数（V）00.310.310.931.241.551.862.172.48图3.3风向接口电路图3.2.5风速本模块采用长春气象研究所的三杯式风杯组件，其连接电路如图3.4。风速传感器管脚2功过一个电阻和74HC14与单片机管脚P3.2连接；风速信号为一个脉冲信号，其频率与风速成正比。前面分析过，可以通过计数的方法实现。将风速信号通过RC滤波和整形后接到定时计数器0的外部输入端T0，通过单位时间内（由定时计数器1完成准确定时1S）计数器的值，即可完成风速测量。定时计数器0工作在16位计数方式。定时计数器1作为波特率发生器。风速单位时间的计数的值，每分钟采集60次，去掉最大和最小值后多次求平均值，然后用公式V=0.1F计算得到。 图3.4风速接口电路图3.2.6雪深雪深是指积雪表面到地面的垂直深度，雪深的遥测常用超声波传感器，测量超声波探头至地面的垂直距离，从而获得雪深数据。试验证明超声波在空气中传输的最佳使用频率为40KHz，故本系统采用型号为TCT40-16T/R压电式超声波换能器，并实现AT89C51对TCT40-16T/R的控制。单片机通过P1.3引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物（即雪深）之间的距离。图3.5 超声波发送电路图3.6 超声波收电路3.3通信接口的电路设计AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128KB的随机存取数据存储器（RAM）。由于AT89C51单片机具有性能稳定、工作可靠、价格低廉等特点，因此其应用相当广泛。由于AT89C51单片机具有性能稳定、工作可靠、价格低廉等特点，因此其应用相当广泛。一个AT89C51的单片机内部包含有RAM、FLASHROM、两个或者三个16位的定时器计数器、一个通用异步串行通信控制器（UART）等多种资源。但即便如此，在一些相对复杂的单片机应用系统中，仅仅一个单片机资源还是不够的，因此而常常需要扩充I/O接口、定时器计数器、串行通信接口、RAM、ROM等。如果系统要求扩充的资源是对外连接的串口，或对相互之间的数据传送有一定的速度要求，则单片机的串口就不能用作系统内两单片机的通信接口了。单片机的并行端口也能相互连接来进行数据通信。根据单片机端口内部结构的特点，这些端口的端口线可以直接相连，从而使两单片机之间并行通信接口的实现不用另外的硬件电路设备。基于这种情况，设计时，可根据不同的使用要求，采用不同的并行连接方法。图3.7主从机的管脚连接图4系统软件设计4.1主从单片机的工作流程本系统选用两片单片机，所以，每片单片机都需要有不同的工作开始初始化读取中断？读取温度数据读取湿度数据读取气压数据读取风向数据读取风速数据读取超声波数据发送给另一片单片机返回图4.10 从机工作流程开始初始化接收到从机的信号？接收数据保存结束NY图4.11 主机工作流程4.2数据测量的软件设计4.2.1温度测量的软件设计根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令