基于藍(lán)牙技術(shù)的智能氣象站系統(tǒng)設(shè)計(jì)（終稿

1、泉 州 師 范 學(xué) 院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目 基于藍(lán)牙技術(shù)的智能氣象站系統(tǒng)設(shè)計(jì) The Design of Intelligent Weather Station System based on Blootooch Technology 物理與信息工程 學(xué) 院 電子信息科學(xué)與技術(shù)專 業(yè) 07級(jí) 1 班學(xué)生姓名 陳泉勇 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 仲偉博 職 稱 副教授 完成日期 2011年4月 15 日 教務(wù)處 制基于藍(lán)牙技術(shù)的智能氣象站系統(tǒng)設(shè)計(jì)物理與信息工程學(xué)院 07級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù) 陳泉勇指導(dǎo)教師 仲偉博 副教授【摘 要】一種基于HC-06藍(lán)牙模塊的智能氣象站系統(tǒng)，系統(tǒng)采用STC系列單片機(jī)控制，

2、以DHT21溫濕度傳感器和根據(jù)時(shí)差法原理的超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的溫濕度和風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行采集，并通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸?shù)浇邮漳K將溫濕度和風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)顯示在LCD1602上。DHT21數(shù)字溫濕度傳感器數(shù)據(jù)線為單總線；超聲波測(cè)風(fēng)模塊通過(guò)單片機(jī)發(fā)射40kHz的脈沖信號(hào)，應(yīng)用CD4052選通發(fā)射與接收回路。【關(guān)鍵詞】STC89C52 HC-06藍(lán)牙模塊 DHT21 超聲波傳感器 智能氣象站 目錄第一章 引言41.1 本設(shè)計(jì)的背景41.2 本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案41.2.1 系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)41.2.2 系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)4第二章 氣象站系統(tǒng)的組成框圖42.1 氣象站發(fā)送模塊框圖52.2 氣象站接收模塊框圖5第三章 氣象

3、站系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)53.1 發(fā)送與接收模塊的單片機(jī)最小系統(tǒng)53.2 發(fā)送與接收模塊的無(wú)線通信模塊HC-06藍(lán)牙模塊63.2.1 藍(lán)牙技術(shù)簡(jiǎn)介63.2.2 HC-06藍(lán)牙模塊部分電路63.3 DHT21數(shù)字溫濕度傳感器73.3.1 DHT21簡(jiǎn)介73.4超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其電路部分93.4.1超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器原理93.4.2超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器電路組成原理113.4.3超聲波測(cè)風(fēng)方案設(shè)計(jì)論證143.5氣象站系統(tǒng)的報(bào)警模塊143.6氣象站系統(tǒng)的電源部分153.7發(fā)送與接收模塊的MAX232串口電路153.8接收模塊顯示電路16第四章 氣象站系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)164.1氣象站系統(tǒng)的主程序流程164.

4、2系統(tǒng)子程序流程圖174.2.1發(fā)送模塊DHT21溫濕度子程序流程圖174.2.2發(fā)送模塊超聲波測(cè)風(fēng)子程序184.2.3接收模塊LCD1602顯示程序194.2.4報(bào)警子程序20第五章 氣象站系統(tǒng)調(diào)試20第六章 總結(jié)21致謝22參考文獻(xiàn)22附錄23附錄1 發(fā)送模塊原理圖23附錄2 接收模塊原理圖24附錄3 發(fā)送模塊PCB圖24附錄4接收模塊PCB圖25附錄5 系統(tǒng)程序25第一章 引言1.1 本設(shè)計(jì)的背景溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象條件與生產(chǎn)生活密切相關(guān)，如果采用人工進(jìn)行定時(shí)監(jiān)測(cè)，不僅浪費(fèi)大量的人力，而且不能做到實(shí)時(shí)監(jiān)控；如果采用有線測(cè)控系統(tǒng)則需要鋪設(shè)光纜或電纜，這樣不但增加了成本，而且降低了系

5、統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，還具有線路多、布線復(fù)雜、維護(hù)困難等缺點(diǎn)，使用區(qū)域也有一定的局限性。針對(duì)上述的問(wèn)題，提出了采用傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)相結(jié)合的智能氣象站系統(tǒng)對(duì)環(huán)境氣象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。與多種無(wú)線通信技術(shù)1相比，藍(lán)牙技術(shù)具有應(yīng)用廣泛性，傳輸速率高，穿透性強(qiáng)，低功耗及準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械式風(fēng)向風(fēng)速傳感器因其易損壞、精度不高等缺點(diǎn)，而逐漸被更優(yōu)良的傳感器所代替，其中基于時(shí)差法的超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器就是其中之一。1.2 本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案1.2.1 系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)通過(guò)溫濕度及風(fēng)速風(fēng)向傳感器采集環(huán)境的溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向信號(hào)，將信號(hào)處理然后通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)骄嚯x十多米的地方進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境的

6、溫度、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速，給人們生產(chǎn)生活提供環(huán)境氣象參數(shù)，從而合理的安排生產(chǎn)生活。1.2.2 系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)1.DHT21數(shù)字溫濕度傳感器，內(nèi)部包含一個(gè)電容式感濕元件和NTC測(cè)溫元件，還有A/D轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)字信號(hào)輸出。同時(shí)DHT21又是單總線形式，與單片機(jī)相連減少了I/O口的使用。2.超聲波測(cè)風(fēng)模塊，根據(jù)時(shí)差法原理，在一定距離下分別測(cè)量超聲波的逆風(fēng)和順風(fēng)傳輸時(shí)間，然后通過(guò)公式求解風(fēng)速的大小。然后分別測(cè)得兩個(gè)垂直方向的風(fēng)速，再通過(guò)公式計(jì)算出此時(shí)的風(fēng)向。理論上風(fēng)速測(cè)量范圍可以通過(guò)調(diào)整傳感器的距離而改變。3.采用STC89C52單片機(jī)控制單元2，產(chǎn)品較為普遍，價(jià)格便宜，易于控制。對(duì)STC89

7、C52用C語(yǔ)言編寫程序，可讀性較好。4.無(wú)線通信采用全球廣泛使用的藍(lán)牙技術(shù)，本設(shè)計(jì)采用HC-06藍(lán)牙模塊，該模塊可實(shí)現(xiàn)十米的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。5.LCD1602液晶顯示器為工業(yè)字符型液晶，能夠顯示32個(gè)字符，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單顯示。第二章 氣象站系統(tǒng)的組成框圖氣象站系統(tǒng)分為發(fā)送和接收兩個(gè)模塊：發(fā)送模塊主要由溫濕度采集模塊、風(fēng)速風(fēng)向采集模塊、單片機(jī)控制模塊、藍(lán)牙發(fā)送模塊、報(bào)警模塊和電源模塊等組成；接收模塊主要由藍(lán)牙接收模塊、單片機(jī)控制模塊、液晶顯示模塊、電源模塊和報(bào)警模塊等組成。具體框圖如下：2.1 氣象站發(fā)送模塊框圖 DHT21報(bào)警器STC89C52單片機(jī)超聲波測(cè)風(fēng)HC-06藍(lán)牙模塊天線圖2.1

8、 發(fā)送模塊信號(hào)采集發(fā)送過(guò)程3為DHT21、超聲波測(cè)風(fēng)模塊4將信號(hào)傳給STC89C52單片機(jī)，單片機(jī)將信號(hào)處理，并進(jìn)行超溫濕度、風(fēng)速報(bào)警。處理后的信號(hào)經(jīng)串口發(fā)送給HC-06藍(lán)牙發(fā)射模塊發(fā)射出去，采用2.4GHZ全球免費(fèi)波段。2.2 氣象站接收模塊框圖天線HC-06藍(lán)牙模塊報(bào)警器LCD顯示STC89C52單片機(jī)圖2.2 接收模塊信號(hào)接收過(guò)程為HC-06藍(lán)牙接收模塊接收信號(hào)，將信號(hào)通過(guò)串口傳輸給STC89C52單片機(jī)處理，如果超過(guò)溫濕度、風(fēng)速上限，將控制報(bào)警器報(bào)警。處理后的信號(hào)通過(guò)LCD1602液晶顯示。第三章 氣象站系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 發(fā)送與接收模塊的單片機(jī)最小系統(tǒng)本系統(tǒng)采用MCS-51系列STC

9、89C52單片機(jī)芯片5作為發(fā)送與接收模塊的控制單元，芯片具有如下特點(diǎn)：（1） 抗干擾性強(qiáng)；（2） 低價(jià)格；（3） 低功耗：掉電模式耗電低于0.1uA，正常工作模式為4mA7mA，掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于電池供電系統(tǒng)；（4） 處理速度快，最高主頻為90MHZ；（5） 通過(guò)MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片即可進(jìn)行下載，編程方式靈活，可用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，可讀性強(qiáng)，8KB的內(nèi)部ROM增強(qiáng)編程方便性。發(fā)送與接收模塊的控制單元電路原理圖如圖3.1：圖3.1 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)圖3.1中間部分為STC89C52芯片，該芯片采用40腳雙列直插DIP封裝，第40腳接+5V電源，第20腳接地，左上部分

10、為復(fù)位電路，接單片機(jī)的第9腳，但按下鍵時(shí)即對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。左下為晶振電路，采用11.0592MHZ的晶振。第31腳接高電平。3.2 發(fā)送與接收模塊的無(wú)線通信模塊HC-06藍(lán)牙模塊3.2.1 藍(lán)牙技術(shù)簡(jiǎn)介藍(lán)牙技術(shù)6是一種近距離地保證可靠接收和信息安全的無(wú)線通信技術(shù)。于1998年5月由愛立信、英特爾、諾基亞、東芝和IBM等五大公司組成的SIG（Special Internet Group）聯(lián)合制定的標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙技術(shù)工作在全球通用的2.4GHzISM頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbps。藍(lán)牙技術(shù)特點(diǎn)7：（1） 完好的替代功能：藍(lán)牙所用的無(wú)線通道像有線電纜一樣準(zhǔn)確無(wú)誤地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；（2） 信息安全性高：藍(lán)

11、牙技術(shù)采用跳頻技術(shù)能很好的保證信息的安全性；（3） 承載能力強(qiáng)：同時(shí)連接多個(gè)設(shè)備，支持不同類型（如聲音和數(shù)據(jù)）的信息的發(fā)送與接收；（4） 超低功耗：設(shè)備可用電池供電；（5） 致密性高：藍(lán)牙芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜但體積?。唬?） 全球通用。3.2.2 HC-06藍(lán)牙模塊部分電路HC-06藍(lán)牙模塊8,9,10主要性能參數(shù)：（1） 頻率：2.4GHz ISM band（2） 調(diào)制方式：GFSK（3） 發(fā)射功率等級(jí)：class2（4） 靈敏度：-80dBm（5） 通信速率：2Mbps（6） 供電電源：3.3V（7） 工作溫度：-20 +55HC-06藍(lán)牙模塊部分電路圖如圖3.2.1：圖3.2.1 HC-06

12、藍(lán)牙模塊部分電路圖3.2左邊部分為藍(lán)牙芯片，其TX與RX引腳分別接STC89C52的RXD(P3.0)和TXD（P3.1），PIO1接LED燈，當(dāng)LED常亮?xí)r表示藍(lán)牙數(shù)據(jù)開始傳輸。右上部分為電源+5V轉(zhuǎn)為+3.3V電路。HC-06藍(lán)牙模塊實(shí)物如圖3.2.2： 圖3.2.2 HC-06藍(lán)牙模塊3.3 DHT21數(shù)字溫濕度傳感器3.3.1 DHT21簡(jiǎn)介 DHT21數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包含一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能的8位單片機(jī)相連。

13、因此該傳感器響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。單總線串行接口，使系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上。傳感器為4針單排引腳封裝。其性能指標(biāo)如表3.3.1。測(cè)量范圍精度分辨力濕度（0100）%3%0.1%溫度（-2060）10.1表3.3.1 性能指標(biāo) DHT21引腳圖如圖3.3.1。本設(shè)計(jì)將1腳接電源+5V，2接STC89C52的I/O口P1.0，3腳接地。 圖3.3.1DHT21為單總線數(shù)據(jù)輸出口，如圖3.3.1,1腳接電源+5V，2腳接數(shù)據(jù)線，3腳接地，4腳置空。DATA用于與單片機(jī)進(jìn)行通信和同步，數(shù)據(jù)格式為：40bit數(shù)據(jù)=16bit濕度數(shù)據(jù)+16bi

14、t溫度數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和，濕度高8位+濕度低8位+溫度高8為+溫度低8位=校驗(yàn)和，當(dāng)溫度低于0時(shí)，溫度數(shù)據(jù)的最高位置1。DHT21與單片機(jī)數(shù)據(jù)傳送過(guò)程如圖3.3.2。圖3.3.2空閑時(shí)總線為高電平，通信開始時(shí)單片機(jī)拉低總線500s后釋放總線，延時(shí)2040s后單片機(jī)開始檢測(cè)DHT21的響應(yīng)信號(hào)；從機(jī)的響應(yīng)信號(hào)時(shí)一個(gè)80s左右的低電平，隨后主機(jī)再拉高總線80s左右代表即將進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)，如圖3.3.3。圖3.3.3高電平后就是數(shù)據(jù)位，每1bit數(shù)據(jù)都是由一個(gè)低電平時(shí)隙和一個(gè)高電平組成，低電平表示數(shù)據(jù)的起始，其后的高電平表示數(shù)據(jù)位。 數(shù)字1信號(hào)表示方法如圖3.3.4。圖3.3.4 數(shù)字0信號(hào)表示

15、方法如圖3.3.5。圖3.3.5一次傳送共40bit數(shù)據(jù)，當(dāng)傳送完最后一位數(shù)據(jù)后，DHT21拉低總線50s左右，隨后釋放總線，由上拉電阻拉高總線。DHT21實(shí)物如圖3.3.6。圖3.3.6 DHT21數(shù)字溫濕度傳感器3.4超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其電路部分3.4.1超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器原理超聲波在空氣中傳播時(shí)，順風(fēng)與逆風(fēng)條件下存在速度差。當(dāng)傳播距離固定時(shí)，此速度差反映為時(shí)間差11。如圖3.4.1，選定一對(duì)超聲波收發(fā)傳感器，在無(wú)風(fēng)條件下超聲波的風(fēng)速為，假設(shè)風(fēng)速為， 圖3.4.1則超聲波在順風(fēng)下速度=+，逆風(fēng)則為=-。設(shè)超聲波順風(fēng)傳播時(shí)間為，逆風(fēng)傳播時(shí)間為，超聲波收發(fā)距離為。得：求解方程得： （1）

16、由此求得一維的風(fēng)速，當(dāng)在垂直方向再放置一對(duì)超聲波收發(fā)傳感器時(shí)，可測(cè)得二維的風(fēng)速，如圖3.4.2所示，假設(shè)1、2方向所測(cè)的風(fēng)速為，3、4方向所測(cè)的風(fēng)速為，則風(fēng)速圖3.4.2，即 （2）假設(shè)與之間的夾角為q，又，所以q= （3）隨著風(fēng)從0360的變化，q= （4）所以只要測(cè)得、的值便可求出風(fēng)速、風(fēng)向的大小。3.4.2超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器電路組成原理 超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器電路組成原理框圖如圖3.4.3，圖中的雙向四通道選通開關(guān)即為STC89C52單片機(jī)雙向四通道選通開關(guān)Cx20106A發(fā)送40kHz脈沖接收發(fā)射回路接收回路通道控制圖3.4.3 原理框圖CD4052模擬開關(guān)。CD4052是一個(gè)差分4通

17、道數(shù)字控制模擬開關(guān)，其引腳圖如圖3.4.4。圖3.4.4引腳功能如表3.4.1。CD4052引腳功能說(shuō)明引腳號(hào)符號(hào)功能1 2 4 5IN/OUTY 通道輸入/輸出端11 12 14 15IN/OUTX通道輸入/輸出端9 10A B地址端3OUT/INY 公共輸出/輸入端13OUT/INX 公共輸出/輸入端6INH禁止端7VEE模擬信號(hào)接地端8Vss數(shù)字信號(hào)接地端16VDD電源+表3.4.1當(dāng)INH腳位“1”時(shí)，所以通道截止，CD4052的真值表如表3.4.2。本設(shè)計(jì)將CD4052的A、B引腳與CD4052真值表輸入狀態(tài)“開”通道INHBACD4052000X0,Y0001X1,Y1010X2,

18、Y2011X3,Y31*NONE 表3.4.2STC89C52的I/O口P3.4、P3.5相連，X腳接P3.3；X0、X1、X2、X3引腳分別接超聲波傳感器S0、S1、S2、S3的發(fā)射回路，則Y0接S1的接收回路，Y1接S0的接收回路，Y2接S3的接收回路，Y3接S2的接收回路。Y腳接CX20106A的1腳， CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與超聲波傳感器頻率40KHz較為接近，所以把它用于超聲波檢測(cè)接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波，具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力，其電路圖如圖3.4.5，第7腳

19、為接收信號(hào)輸出端，將其與STC89C52的I/O口P3.2（外部中斷0）相連，當(dāng)有接收信號(hào)時(shí)則響應(yīng)單片機(jī)外部中斷0。 圖3.4.5 超聲波測(cè)風(fēng)模塊電路原理圖如圖3.4.6，其發(fā)射回路為40kHz脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管放大，再經(jīng)過(guò)脈沖變壓器，將脈沖電壓達(dá)到100Vpp左右，從而驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射40kHz的超聲波信號(hào)。接收通過(guò)1N4148開關(guān)二極管與發(fā)射回路隔離，經(jīng)0.1F的電容送到接收回路中。STC89C52通過(guò)控制I/O口P3.4、P3.5選通相應(yīng)的發(fā)射與接收回路，從P3.3發(fā)射40kHz的脈沖信號(hào)并同時(shí)打開定時(shí)器0，當(dāng)P3.2接收到負(fù)脈沖信號(hào)就表示接收信號(hào)，同時(shí)關(guān)閉定時(shí)器0，從而測(cè)得超聲波的

20、一路傳播時(shí)間，以此類推測(cè)得四路傳播時(shí)間，最后算出風(fēng)速、風(fēng)向大小。風(fēng)向以正北方向?yàn)?，正南為180，正東為90，正西為270。測(cè)試時(shí)將傳感器支架固定，選定S0為北，S1為南，S2為西，S3為東。圖3.4.6 超聲波測(cè)風(fēng)電路原理圖3.4.3超聲波測(cè)風(fēng)方案設(shè)計(jì)論證 超聲波在空氣中25的速度為v=346m/s,本設(shè)計(jì)中兩對(duì)超聲波傳感器的固定距離為d=0.217m,可求得在無(wú)風(fēng)條件下超聲波傳播時(shí)間為t=d/v=0.217/3460.63ms=630ms。假設(shè)風(fēng)速是50m/s,那么此時(shí)的超聲波順風(fēng)速度v=346+50=396m/s，則超聲波順風(fēng)傳播時(shí)間為t1=d/v=0.217/3960.55ms=550

21、ms；此時(shí)的超聲波逆風(fēng)速度為v=346-50=296m/s,則超聲波逆風(fēng)傳播時(shí)間為t2=d/v=0.217/2960.73ms=730ms。假設(shè)風(fēng)速是3m/s,此時(shí)的超聲波順風(fēng)速度為v=346+3=349m/s,則超聲波順風(fēng)傳播時(shí)間為t1=d/v=0.217/3490.62ms=620ms;此時(shí)的逆風(fēng)速度為343m/s,則逆風(fēng)傳播時(shí)間為t2=0.217/343632ms。在本系統(tǒng)中的超聲波傳輸時(shí)間主要通過(guò)外部中斷0響應(yīng)定時(shí)器0工作方式1計(jì)時(shí)，其中外部中斷的響應(yīng)時(shí)間為100ns200ns，這可以忽略不計(jì)。定時(shí)器0計(jì)數(shù)值從065535，單片機(jī)主頻為11.0592MHz,則定時(shí)器0一個(gè)計(jì)數(shù)值所對(duì)應(yīng)的

22、時(shí)間為1.09ms,當(dāng)超聲波開始發(fā)射時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)接收時(shí)單片機(jī)外部中斷響應(yīng)關(guān)閉定時(shí)器0，從理論上分析風(fēng)速?gòu)?m/s346m/s超聲波的傳播時(shí)間單片機(jī)定時(shí)器是可以測(cè)得的。假如超聲波傳感器在電聲、聲電轉(zhuǎn)化過(guò)程中存在一定時(shí)延，這是測(cè)風(fēng)精度的關(guān)鍵，當(dāng)超聲波電聲、聲電轉(zhuǎn)化時(shí)延大于或接近超聲波傳播時(shí)間時(shí)，則無(wú)法測(cè)得風(fēng)速的大小，所以超聲波傳感器的精度在這里很關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)采用的EFR40RS超聲波傳感器其電聲、聲電轉(zhuǎn)換時(shí)間為1ms,顯然大于超聲波在空氣中距離為d=0.217m的傳播時(shí)間，但是可以通過(guò)增大超聲波傳感器的固定距離d來(lái)增大傳播時(shí)間,其精度為3m/s,最小靈敏度為-65dB,其帶寬為3kHz。所

23、以方案論證結(jié)果為，只要超聲波傳感器選擇精度較高的，而且傳感器之間的距離也不能太小，一般的51單片機(jī)能夠測(cè)得其傳播時(shí)間，從而算出風(fēng)速大小。3.5氣象站系統(tǒng)的報(bào)警模塊系統(tǒng)報(bào)警主要是當(dāng)所測(cè)得的溫濕度、風(fēng)速超過(guò)設(shè)定的值時(shí)，由蜂鳴器和LED產(chǎn)生報(bào)警。其原理圖如圖3.5.1和3.5.2。LED報(bào)警狀態(tài)為閃爍狀態(tài)。發(fā)射模塊的蜂鳴器接P2.1，LED燈接P2.7；接收模塊的蜂鳴器接P2.0，LED燈接P2.1。 圖3.5.1 蜂鳴器報(bào)警 圖3.5.2 LED報(bào)警3.6氣象站系統(tǒng)的電源部分 發(fā)射與接收模塊的電源均用+9V的干電池經(jīng)7805穩(wěn)壓輸出+5V的電源，其電路原理圖如圖3.6。圖中J3的2腳位+9V，1腳

24、為地；S4為撥動(dòng)開關(guān)，電容C11、C12、C13、C14均為7805輸入輸出端的濾波電容；D17為發(fā)光二極管，即電源指示燈；D19為1N4007保護(hù)二極管，當(dāng)輸入端短路時(shí)，給輸出電容C14一個(gè)放電回路，防止7805被擊穿損壞。 圖3.6 電源部分3.7發(fā)送與接收模塊的MAX232串口電路MAX232串口電路主要用于STC89C52單片機(jī)程序的燒寫以及用于擴(kuò)展與上位機(jī)的通信。計(jì)算機(jī)串口采用的是RS232C負(fù)邏輯電平，“1”表示-12V，“0”表示+12V，與單片機(jī)的的TTL電平不同，因此通過(guò)MAX232串口電路實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。其電路圖如圖3.7，圖中的5個(gè)電容均為0.1F的瓷片電容，起到降

25、低芯片的噪聲干擾。MAX232的11腳接STC89C52單片機(jī)的TXD（P3.1），12腳接單片機(jī)的RXD（P3.0）；右下為串口母頭，用于與計(jì)算機(jī)的通信，第3腳（計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)輸出端）為從計(jì)算機(jī)輸出至單片機(jī)端口，第2腳（計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)輸入端）為從單片機(jī)輸入至計(jì)算機(jī)，5腳為地線，其余引腳在此不用。圖3.7 MAX232串口電路3.8接收模塊顯示電路接收模塊顯示電路采用LCD1602液晶顯示。LCD1602能顯示16個(gè)字符2行，即32個(gè)字符。LCD液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM）已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的字符，這些字符有阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用符號(hào)和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的

26、ASCII代碼。其引腳說(shuō)明如表3.8。編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1GND電源地9DB2數(shù)據(jù)2VCC電源正極10DB3數(shù)據(jù)3VEE液晶顯示偏壓11DB4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12DB5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13DB6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)14DB7數(shù)據(jù)7DB0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8DB1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極表3.8 LCD1602引腳說(shuō)明LCD1602在本設(shè)計(jì)中的電路連接圖如圖3.8,1腳和3腳接地，2腳接電源+5V，4腳接STC89C52圖3.8 LCD1602電路連接圖單片機(jī)的P2.5,5腳接P2.6,6腳接P2.7,714腳接P0口，15腳串接一個(gè)10K的電阻然后接到電源+5V。

27、第四章 氣象站系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)氣象站系統(tǒng)軟件部分分發(fā)送和接收兩個(gè)模塊12,13，在此僅分析主程序與各子程序的流程。涉及的子程序?yàn)镈HT21溫濕度子程序，超聲波風(fēng)向風(fēng)速子程序，報(bào)警子程序，LCD1602液晶顯示子程序。軟件編程所使用的編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言，編程軟件為偉福6000，此軟件程序編譯測(cè)試后產(chǎn)生的HEX文件通過(guò)STC-ISP V391軟件并通過(guò)MAX232串口電路下載進(jìn)STC89C52單片機(jī)。詳細(xì)程序請(qǐng)見附錄54.1氣象站系統(tǒng)的主程序流程 發(fā)送模塊DHT21采集溫濕度超聲波傳感器采集風(fēng)向風(fēng)速單片機(jī)處理溫濕度風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)溫濕度風(fēng)速？報(bào)警Y藍(lán)牙發(fā)射藍(lán)牙接收單片機(jī)處理溫濕度風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)超出預(yù)

28、設(shè)溫濕度風(fēng)速？報(bào)警Y液晶顯示接收模塊圖4.1 系統(tǒng)軟件主程序流程圖4.2系統(tǒng)子程序流程圖4.2.1發(fā)送模塊DHT21溫濕度子程序流程圖 DHT21為單總線數(shù)字信號(hào)輸出，其數(shù)據(jù)線接單片機(jī)的P1.0，其程序流程圖如圖4.2，首先由單片機(jī)拉低總線至少500ms的低電平作為開始信號(hào)，當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完之后，由從機(jī)拉低50ms的低電平后單片機(jī)再拉高總線，表示總線進(jìn)入空閑狀態(tài)。拉高延時(shí)2040s從機(jī)拉低80s低電平響應(yīng)信號(hào)？從機(jī)拉高80s高電平及是否結(jié)束？N結(jié)束從機(jī)拉低80s低電平是否結(jié)束？NYY數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，40bit最后一位結(jié)束？NY從機(jī)拉低50s后，單片機(jī)拉高總線進(jìn)入空閑狀態(tài)數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確否？Y接收數(shù)據(jù)單片

29、機(jī)發(fā)開始信號(hào)，拉低至少500s圖4.2.1 DHT21溫濕度子程序流程圖4.2.2發(fā)送模塊超聲波測(cè)風(fēng)子程序 通過(guò)定時(shí)器1工作方式2定時(shí)發(fā)送四路40kHz的脈沖信號(hào)，CD4052的A、B腳選通發(fā)射與接收回路，定時(shí)器0工作方式1計(jì)算超聲波的傳播時(shí)間t，分別測(cè)得四路時(shí)間值，最后求出風(fēng)速、風(fēng)向大小。外部中斷0，定時(shí)器0，定時(shí)器1初始化打開定時(shí)器1定時(shí)發(fā)送40kHz的脈沖打開定時(shí)器0和外部中斷0四路通道發(fā)射與接收選擇是否產(chǎn)生外部中斷？關(guān)閉定時(shí)器0Y讀取時(shí)間是否有四路時(shí)間？NY計(jì)算風(fēng)速、風(fēng)向的大小圖4.2.2 超聲波測(cè)風(fēng)程序流程圖4.2.3接收模塊LCD1602顯示程序 1602液晶需要設(shè)置許多指令以及初

30、始化等，這些都要通過(guò)寫命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。送入數(shù)據(jù)時(shí)要通過(guò)寫入并口即P0口數(shù)據(jù)，之前先確定寫入的RAM地址，再送入數(shù)據(jù)進(jìn)行特定位置的顯示。要特別注意的是，液晶顯示是以ASCII碼顯示的，比如要顯示“0”，其對(duì)應(yīng)的ASCII碼實(shí)際上是“0x30”，也就是“0+0x30”才是表示“0”或者用0即加單引號(hào)也可以表示。第一行后顯示濕度和溫度值“RH:xx .x% T:xx.x”，第二行后顯示風(fēng)速和風(fēng)向值“S：xxm/s D:xx”。由于LCD1602不能顯示字符“”和“”，故只顯示數(shù)值大小，默認(rèn)溫度其程序14流程圖如圖4.2.3。初始化送第一行地址和數(shù)據(jù)送第二號(hào)地址和數(shù)據(jù)顯示相應(yīng)的溫濕度和風(fēng)向風(fēng)速大小圖4.2

31、.34.2.4報(bào)警子程序 如果所測(cè)得的溫濕度風(fēng)速值大小大于預(yù)設(shè)的值，則置相應(yīng)的I/O口為低電平，蜂鳴器將發(fā)出斷斷續(xù)續(xù)的鳴叫和LED燈將一閃一閃。其程序流程圖如圖4.2.4。預(yù)設(shè)溫濕度和風(fēng)速報(bào)警值超過(guò)設(shè)定值？報(bào)警YN第五章 氣象站系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)主要由發(fā)送模塊和接收模塊組成。用萬(wàn)用表分別檢測(cè)無(wú)短路或斷路情況，測(cè)得電源部分7805輸出端+5V，電源指示燈亮，單片機(jī)芯片、CD4052芯片、MAX232芯片、CX20106A芯片、三極管等管腳芯片電壓正常。藍(lán)牙模塊接上電源LED指示燈正常點(diǎn)亮。先對(duì)溫濕度采集電路進(jìn)行調(diào)試，通過(guò)偉福6000編寫C語(yǔ)言程序，再用STC-ISP V391下載軟件將HEX文件燒寫進(jìn)

32、入單片機(jī)，發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙能夠正常傳輸數(shù)據(jù)，測(cè)得環(huán)境的溫濕度能在接收模塊的LCD1602液晶顯示器上正常顯示，溫度精確到0.1，濕度精確到0.1，溫度的測(cè)量范圍為-20.0+60.0，濕度測(cè)量范圍為0.0%99.9%，并在超過(guò)預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)產(chǎn)生報(bào)警，報(bào)警狀態(tài)為L(zhǎng)ED燈隔一秒的時(shí)間一亮一滅和蜂鳴器隔一秒叫一次，即燈亮蜂鳴器也叫，燈滅蜂鳴器則停止鳴叫，從而實(shí)現(xiàn)警示的作用。其次對(duì)風(fēng)向風(fēng)速采集電路進(jìn)行調(diào)試，發(fā)射電路外加一個(gè)直流電壓+12V，通過(guò)偉福6000編寫C語(yǔ)言程序，再用STC-ISP V391下載軟件將HEX文件燒寫進(jìn)入單片機(jī)，發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙能夠正常傳輸數(shù)據(jù)，接收模塊顯示一個(gè)固定的風(fēng)速風(fēng)向值，無(wú)論外界風(fēng)速大小如

33、何變化，其值仍不變。采用數(shù)字示波器測(cè)得單片機(jī)P3.3輸出有40kHz的脈沖信號(hào)，在超聲波中周的輸入級(jí)也可測(cè)得12Vpp的40kHz的脈沖信號(hào)，但是在中周的輸出級(jí)測(cè)得的信號(hào)微弱，不能達(dá)到超聲波傳感器要求驅(qū)動(dòng)電壓100Vpp左右的電壓。也就是超聲波中周不能產(chǎn)生所要求的變壓效果，從而導(dǎo)致信號(hào)微弱，導(dǎo)致所測(cè)得信號(hào)單片機(jī)無(wú)法區(qū)分，固其測(cè)得的值一成不變。還有個(gè)原因就是超聲波傳感器的精度不高，而且四個(gè)超聲波傳感器的固定距離又偏小。第六章 總結(jié) 基于藍(lán)牙技術(shù)的智能氣象站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以其低成本、低功耗、便攜式、高精度的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的溫濕度、風(fēng)向風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，讓人們的生產(chǎn)生活安排的更加合理有序。藍(lán)牙技術(shù)是

34、全球廣泛使用的無(wú)線通信技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)短距離快速傳輸大容量的數(shù)據(jù)，是短距離數(shù)據(jù)通信的首選技術(shù)，其不斷成熟的技術(shù)，更是給無(wú)線通信領(lǐng)域帶來(lái)光明的前景，氣象站系統(tǒng)運(yùn)用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)室外采集數(shù)據(jù)，室內(nèi)觀測(cè)的目的。HC-06藍(lán)牙模塊，可傳輸十米左右的距離，分為主從模塊，主機(jī)作為發(fā)送數(shù)據(jù)，從機(jī)作為接收數(shù)據(jù)。DHT21溫濕度數(shù)字傳感器能實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍為溫度-2060，濕度0%99.9%，精度溫度為1，濕度為3%，分辨力溫度為0.1，濕度為0.1%，其應(yīng)用于氣象站系統(tǒng)是再合適不過(guò)的。超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器也是能實(shí)現(xiàn)高精度、高量程的測(cè)風(fēng)效果，只不過(guò)本設(shè)計(jì)在器件的選用、電路的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)有一些不合理的地方導(dǎo)致不能測(cè)得

35、結(jié)果。致謝本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在仲偉博老師的精心指導(dǎo)下完成的，不論是在論文的選題或者方案的選擇，還是論文的修改，仲老師都給了我寶貴的意見和建議。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到的問(wèn)題，仲老師都極力的幫助我開拓思路，循序漸進(jìn)。仲老師以其豐富的經(jīng)驗(yàn)和扎實(shí)的作風(fēng)深深地感染了我，使我由衷的敬佩！在此謹(jǐn)向仲老師致以崇高的敬意和最誠(chéng)摯的謝意！ 此外，向所有的老師同學(xué)說(shuō)聲謝謝！感謝老師四年的精心培育！感謝同學(xué)四年的相濡以沫！參考文獻(xiàn)1門少杰. 基于nRF905的溫室環(huán)境無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)研究J.電子質(zhì)量, 2010,(8):1-3,12.2郭堅(jiān). 基于STC89C52單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.裝備制造,2010,(4):2

36、34.3張發(fā)海. 基于單片機(jī)STC89C52的LED數(shù)碼管溫度顯示及報(bào)警器的實(shí)現(xiàn)J.科技信息,2009,(35):87-88.4程為. 基于單片機(jī)的風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2010,29(8):71-73.5劉寶元. 基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.應(yīng)用天地,2009,28(12):77-80,83.6馬海. 藍(lán)牙技術(shù)在自動(dòng)氣象站上的應(yīng)用J.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2010,(12):29,38.7劉釔汐. 藍(lán)牙與ZigBee的簡(jiǎn)要比較及分析J.河北理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,7(7):146-148,151.8何國(guó)泉. 基于藍(lán)牙的無(wú)線接入點(diǎn)設(shè)計(jì)J.微型機(jī)與應(yīng)用,2010,29(18):

37、58-60.9伍春. 基于藍(lán)牙的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2010,27(4):74-76,101.10付蔚. 基于藍(lán)牙芯片的無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)與開發(fā)J.微計(jì)算機(jī)信息,2009,25(102):178-179,175.11甘江英.基于SOPC技術(shù)的超聲波風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)系統(tǒng)J.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào),2009,30(4):75-79.12喻宗泉.藍(lán)牙技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版，2006.40-95.13錢志鴻. 藍(lán)牙技術(shù)原理開發(fā)與應(yīng)用M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.101-159.14戴佳. 51單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講(第2版)M.北京:電子工業(yè)出版社,2

38、009.45-99.The Design of Intelligent Weather Station System based on Blootooch TechnologyCollege of Physics and Information EngineeringElectronic information science and technology major CHEN Quan-yongZHONG Wei-bo associate professorAbstract: This paper introduces a intelligent weather system station

39、 based on HC-06 Bluetooth module.That ses STC Series MCU to control.sing DHT21 tempetature and humidity sensors and in accordance with the principle of transit-time ultrasonic sensor achieve the collection of temperature,humidity,wind speed and direction.Through Bluetooth wireless transmission to th

40、e receiver module and display the size of the data on the LCD1602.DHT21 digital temperature and humidity sensor data line is a single bs.Ultrasonic wind measurement module launched 40kHz pulse signal by MCU and apply CD4052 stobe transmit andreceive loop.Key words:STC89C52;HC-06 Bluetooth;DHT21; ult

41、rasonic sensor;Intelligent weather station附錄附錄1 發(fā)送模塊原理圖附錄2 接收模塊原理圖附錄3 發(fā)送模塊PCB圖附錄4接收模塊PCB圖附錄5 系統(tǒng)程序程序一：溫濕度程序#include #include /typedef unsigned char U8; typedef signed char S8; typedef unsigned int U16; typedef signed int S16; typedef unsigned long U32; typedef signed long S32; typedef float F32; type

42、def double F64; #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define Data_0_time 4sbit P1_0 = P10 ;sbit P2_1 = P21 ;sbit P2_7 = P27 ;U8 U8FLAG,k;U8 U8count,U8temp;U8 U8T_data_H,U8T_data_L,U8RH_data_H,U8RH_data_L,U8checkdata;U8 U8T_data_H_temp,U8T_data_L_temp,U8RH_data_H_temp,U8RH_data_L_temp,

43、U8checkdata_temp;U8 U8comdata;U8 outdata5; U8 indata5;U8 count, count_r=0;U8 str5= ;U16 U16temp1,U16temp2;SendData(U8 *a)outdata0 = a0;outdata1 = a1;outdata2 = a2;outdata3 = a3;outdata4 = a4;count = 1;SBF=outdata0; void Delay(U16 j) U8 i; for(;j0;j-) for(i=0;i27;i+); void Delay_10s(void) U8 i; i-; i

44、-; i-; i-; i-; i-; void COM(void) U8 i; for(i=0;i8;i+) U8FLAG=2; while(!P1_0)&U8FLAG+);Delay_10s(); Delay_10s();Delay_10s(); U8temp=0; if(P1_0)U8temp=1; U8FLAG=2; while(P1_0)&U8FLAG+); if(U8FLAG=1)break; U8comdata=1; U8comdata|=U8temp; void warning() U16 i; for(i=0;i0x02dc)|(U8T_data_H*256+U8T_data_

45、L)0x012c) /如果濕度大于74%或者溫度大于30則報(bào)警 warning(); Delay(20000);/elihw/ mainvoid RSINTR() interrupt 4 sing 2U8 InPut3;if(TI=1)TI=0;if(count!=5)SBF= outdatacount;count+;if(RI=1)InPut3=SBF;indatacount_r=InPut3;count_r+;RI=0;if (count_r=5)count_r=0;str0=indata0; str1=indata1; str2=indata2; str3=indata3; str4=indata4; P0=0;程序二：接收模塊液晶顯示程序#include #include