【正文】 能遙測(cè)微型氣象站，可以方便地應(yīng)用于一般用戶，例如智能小區(qū)、數(shù)字家庭，也可以是酒店、旅館等服務(wù)場(chǎng)所等，這將為拓寬氣象業(yè)務(wù)的發(fā)展做出一份貢獻(xiàn)，從而更好的推動(dòng)氣象事業(yè)的發(fā)展，使其最大限度地為大眾服務(wù)。順應(yīng)市場(chǎng)的需求，國(guó)內(nèi)外在自動(dòng)氣象站的研制方面也取得了非常迅猛的發(fā)展。這些廠家己先后研制出用于多個(gè)不同行業(yè)的自動(dòng)氣象站。目前，美國(guó)基于路面環(huán)境的地面氣象觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)正在蓬勃發(fā)展，在許多地區(qū)根據(jù)當(dāng)?shù)氐男枰⒘说孛姝h(huán)境自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。該觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)采集的信息直接輸入到公路天氣信息系統(tǒng)(RWIS)中，經(jīng)過處理后分發(fā)給自動(dòng)預(yù)警中心、交通管理部門、緊急處理中心以及公路維護(hù)單位。而超聲波測(cè)量雪深這一技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)暫無人使用，國(guó)外也很少見，只有芬蘭等個(gè)別國(guó)家將其使用在自動(dòng)氣象站上。因此，本文首先介紹了AT89C51單片機(jī)的應(yīng)用原理、傳感器原理及應(yīng)用，并闡明它們的優(yōu)點(diǎn)。然后以系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)為內(nèi)容介紹系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。第一章：簡(jiǎn)要敘述了本文設(shè)計(jì)背景，綜合論述了本文研究工作的目的和意義以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對(duì)本文各章節(jié)內(nèi)容做了概述。第三章：進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思考、系統(tǒng)測(cè)量電路的硬件設(shè)計(jì)和通信接口的電路設(shè)計(jì)。第五章：對(duì)本文的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)。介紹基于雙單片機(jī)的微型遙測(cè)氣象站的背景、目的、意義、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)內(nèi)容介紹系統(tǒng)功能說明、介紹單片機(jī)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、傳感器及超聲波的功能和應(yīng)用系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)思、系統(tǒng)測(cè)量電路的硬件設(shè)計(jì)和通信接口的硬件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)測(cè)量、通信接口及兩片單片機(jī)各功能的軟件設(shè)計(jì)針對(duì)本設(shè)計(jì)所學(xué)到的知識(shí)和總結(jié) 設(shè)計(jì)內(nèi)容構(gòu)架2　系統(tǒng)原理介紹　系統(tǒng)組成及功能介紹本系統(tǒng)由2部AT89C51單片機(jī)、MAX232接口芯片、瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的具有I2C總線接口的SHT11相對(duì)濕度和溫度傳感器、太原儀表公司的GDJ5壓電激勵(lì)諧振筒式壓力傳感器、長(zhǎng)春氣象研究所的風(fēng)向格雷碼傳感器和三杯式風(fēng)杯組件、以及測(cè)量雪深使用的型號(hào)為TCT4016T/R的壓電式超聲波換能器組成?！纹瑱C(jī)簡(jiǎn)介及應(yīng)用自從1971年微型計(jì)算機(jī)問世以來，微型機(jī)主要向兩個(gè)方向發(fā)展：一個(gè)向高速度，高性能的高檔微型計(jì)算機(jī)方向發(fā)展。所謂的單片機(jī)，就是把中央處理器CPU、只讀存儲(chǔ)器ROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器以及I/O接口電路等集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)由于將CPU、內(nèi)存和一些必要的接口集成到一個(gè)芯片上，并且面向控制功能將結(jié)構(gòu)作了一定的優(yōu)化，所以它具有一般芯片不具有的特點(diǎn)：、重量輕；、功耗低；、價(jià)格低；，布線短、合理；、運(yùn)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高I2C總線是目前應(yīng)用廣泛的串行外圍擴(kuò)展總線，是一種集成電路芯片間的總線。在Philips新一代80C51系列單片機(jī)以廣泛引入了I2C總線技術(shù)，Motorola公司也將I2C總線接口集成在M68HC05系列的一些單片機(jī)中，韓國(guó)三星公司和日本三菱公司等也研制成功了帶有I2C總線接口的單片機(jī)系列產(chǎn)品。利用8051串行口可以建立兩片MCS51單片機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)異步通信的模型，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)單片機(jī)間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)異步通信。利用TTL電平直接通信是指將兩臺(tái)MCS51的TXD、RXD和GND的同名端直接通過電纜或雙絞線連接起來進(jìn)行的通信，必要時(shí)也可外加驅(qū)動(dòng)器。目前，單片機(jī)被廣泛的應(yīng)用于測(cè)控系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、智能儀表、集成智能傳感器、機(jī)電一體化產(chǎn)品、家用電器領(lǐng)域、辦公自動(dòng)化領(lǐng)域、汽車電子與航空航天器電子系統(tǒng)以及單片機(jī)的多機(jī)系統(tǒng)等領(lǐng)域。所以在各氣象要素采集中分別介紹個(gè)傳感器的應(yīng)用。既可用它組成單路溫度測(cè)量裝置，也可用它組成多路溫度測(cè)量裝置。用單總線溫度傳感器和單片機(jī)構(gòu)成的測(cè)溫裝置具有推廣價(jià)值。DS18B20型單線智能溫度傳感器，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器,可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測(cè)量和控制儀器、測(cè)控系統(tǒng)及大型設(shè)備中。DS18B20具有以下性能特點(diǎn)：（1）采用單總線專用技術(shù)，既可通過串行口線，也可通過其它I/O口線與微機(jī)接口，無須經(jīng)過其它變換電路，直接輸出被測(cè)溫度值（二進(jìn)制數(shù)，9位，含符號(hào)位）；（2）測(cè)溫范圍為55℃～＋125℃之間，℃；（3）內(nèi)含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲(chǔ)器ROM；（4）適配各種單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī)；（5）用戶可分別設(shè)定各路溫度的上下限；（6）內(nèi)含寄生電源。單片機(jī)和SHT11數(shù)據(jù)采集部分采用I2C接口。該傳感器是利用振動(dòng)筒的固有振動(dòng)頻率來測(cè)量壓力的。當(dāng)大氣壓力為零時(shí),激振線圈使振動(dòng)筒以最低固有頻率振動(dòng)；當(dāng)大氣進(jìn)入振動(dòng)筒內(nèi)部時(shí)，引起筒的應(yīng)力和剛度變化,筒的固有頻率增加。風(fēng)向傳感器：采用長(zhǎng)春氣象研究所的風(fēng)向格雷碼傳感器。風(fēng)向標(biāo)通過轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)格雷碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，完成風(fēng)向到格雷碼的轉(zhuǎn)換。由于外圈是128等分，故風(fēng)向的分辨率為：3600/128=176。通過讀入格雷碼，通過查表可以得到當(dāng)前的風(fēng)向。在水平風(fēng)力的驅(qū)動(dòng)下，風(fēng)杯組件旋轉(zhuǎn)，通過軸帶動(dòng)磁棒盤旋轉(zhuǎn)，其上的數(shù)十只小磁體形成若干個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在霍爾磁敏元件中感應(yīng)出脈沖信號(hào)，其頻率隨風(fēng)速的增大而線性增加，輸出的頻率范圍0～1221Hz。所以，按照上述要求，計(jì)數(shù)應(yīng)該精確到5Hz,，滿足每分鐘采集60次的要求?！?shù)模轉(zhuǎn)換器技術(shù)及應(yīng)用隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，A/D轉(zhuǎn)換器的新設(shè)計(jì)思想和制造技術(shù)層出不窮。盡管A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，但目前應(yīng)用較廣泛的主要有三種類型：逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器和V/F變換式A/D轉(zhuǎn)換器。其AD574的CE、12/CS、RS和A0對(duì)其工作狀態(tài)的控制過程為：在CE=CS=0同時(shí)滿足時(shí)，AD574才會(huì)正常工作，在AD574處于工作狀態(tài)時(shí)，當(dāng)R/C=0時(shí)A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)RC=1是進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出。A0=0時(shí)，啟動(dòng)的是按完整12位數(shù)據(jù)方式進(jìn)行的。當(dāng)R/C=1，也即當(dāng)AD574處于數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，A0和12/8控制數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)的格式。而當(dāng)A0=0時(shí)，輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高8位，A0=1時(shí)輸出A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的低4位，這四位占一個(gè)字節(jié)的高半字節(jié)，低半字節(jié)補(bǔ)零。當(dāng)R/C=0時(shí)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)25us后STS=1，表明A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)將置1，即可從數(shù)據(jù)端讀取數(shù)據(jù)。AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出也通過P0數(shù)據(jù)總線連至8051，由于我們只使用了8位數(shù)據(jù)口，12位數(shù)據(jù)分兩次讀進(jìn)8051，所以R/C接地。這里不管AD574是處在啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換或者輸出結(jié)果狀態(tài)，使能端CE都必須為1，因此將8051的寫控制線WR和讀控制線RD通過與非門74LS00與AD574的使能端CE相連?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電器方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。他們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思考由于單片機(jī)管腳個(gè)數(shù)的限制，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)與各傳感器的接口如下（1）；（2）；（3）～；（4）；（5）?！賹毫鞲衅鹘拥紸D574上。考慮到多項(xiàng)傳感器采集得到的數(shù)據(jù)量大，一片單片機(jī)的工作效率會(huì)受到一定影響的情況，所以本設(shè)計(jì)采用雙單片機(jī)的形式。本系統(tǒng)中采用主從并行通信接口的方式來實(shí)現(xiàn)雙單片機(jī)之間的通信。單片機(jī)A是主機(jī)，單片機(jī)B是從機(jī)。本模塊利用主從機(jī)的主機(jī)接收從機(jī)發(fā)送的工作方式。89C51是整個(gè)裝置的控制核心，用戶程序存放在這里。系統(tǒng)的工作是在程序控制下，完成對(duì)傳感器的讀寫。電源部分，外接電源為5～18V的直流電源，經(jīng)過LM7805穩(wěn)壓后輸出5V的電壓供系統(tǒng)；單片機(jī)和SHT11數(shù)據(jù)采集部分，兩者采I2C接口，由于AT89C51沒有I2C接口，所以通過軟件模擬實(shí)現(xiàn)I2C通信，同時(shí)。由圖3可看出，SHT11的輸出特性呈一定的非線性，為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性，可按如下公式修正濕度值：RHlinear＝C1＋C2SORH＋C3SORH2式中，SORH為傳感器相對(duì)濕度測(cè)量值，系數(shù)取值如下：12位：SORH：C1＝－4，C2＝，C3＝－10－68位：SORH：C1＝－4，C2＝，C3＝－10－4 SHT11與AT89C51的連接　氣壓本模塊傳感器采用太原儀表公司提供的GDJ5壓電激勵(lì)諧振筒式壓力傳感器。在傳感器出廠前，廠家對(duì)該傳感器進(jìn)行了標(biāo)定?！DJ5壓力傳感器二維實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)（周期）30℃20℃10℃0℃10℃20℃30℃40℃50℃10701000950900850800750700650600550500450　GDJ5壓力傳感器二維實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)（頻率）30℃20℃10℃0℃10℃ 20℃30℃40℃ 50℃10701000950900850800750700 650 600550500450　風(fēng)向本模塊采用長(zhǎng)春氣象研究所的風(fēng)向格雷碼傳感器。方位0176。90176。180176。270176。360176。；風(fēng)速信號(hào)為一個(gè)脈沖信號(hào)，其頻率與風(fēng)速成正比。將風(fēng)速信號(hào)通過RC濾波和整形后接到定時(shí)計(jì)數(shù)器0的外部輸入端T0，通過單位時(shí)間內(nèi)（由定時(shí)計(jì)數(shù)器1完成準(zhǔn)確定時(shí)1S）計(jì)數(shù)器的值，即可完成風(fēng)速測(cè)量。定時(shí)計(jì)數(shù)器1作為波特率發(fā)生器。 　雪深雪深是指積雪表面到地面的垂直深度，雪深的遙測(cè)常用超聲波傳感器，測(cè)量超聲波探頭至地面的垂直距離，從而獲得雪深數(shù)據(jù)。然后單片機(jī)不停的檢測(cè)INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。 超聲波發(fā)送電路 超聲波收電路　通信接口的電路設(shè)計(jì)AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128KB的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。由于AT89C51單片機(jī)具有性能穩(wěn)定、工作可靠、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，因此其應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但即便如此，在一些相對(duì)復(fù)雜的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，僅僅一個(gè)單片機(jī)資源還是不夠的，因此而常常需要擴(kuò)充I/O接口、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、串行通信接口、RAM、ROM等。單片機(jī)的并行端口也能相互連接來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?；谶@種情況，設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)不同的使用要求，采用不同的并行連接方法。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，當(dāng)DS18B20收到信號(hào)后等待16～60微秒左右，后發(fā)出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。uchar b=0。float tt。WriteOneChar(0xCC)。 // 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換Init_DS18B20()。 //跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作WriteOneChar(0xBE)。b=ReadOneChar()。t=8。tt=t*。}　濕度測(cè)量的軟件設(shè)計(jì)初始化傳輸時(shí)，應(yīng)首先發(fā)出“傳輸開始”命令，該命令可在SKC為高時(shí)使DATA由高電平變?yōu)榈碗娖?，并在下一個(gè)SKC為高時(shí)將DATA升高。當(dāng)發(fā)出了濕度測(cè)量命令后，控制器就要等到測(cè)量完成?？刂破鞅仨毻ㄟ^使DATA為低來確認(rèn)每一個(gè)字節(jié)，所有的量均從右算，MSB列于第一位。如果沒有用CRC8校驗(yàn)和，則控制器就會(huì)在測(cè)量數(shù)據(jù)LSB后保持ACK為高來停止通訊，SHT11在測(cè)量和通訊完成后會(huì)自動(dòng)返回睡眠模式。Unsigned int I。 Switch(mode){CaseTemp:error+=s_write_byte(measure_temp)。CaseHumi:error+=s_write_byte(measure_humi)。Default:break}For(i=0。i++) if(data＝＝0)break。*(p_value)=s_read_byte(ack)。*p_checksum=s_read_byte(noACK) Return error。 開始初始化啟動(dòng)AD574讀取數(shù)據(jù)結(jié)束位判斷結(jié)束N AD574的使用流程AD574轉(zhuǎn)換程序pragm