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便携式小型气象站的工作原理和系统构成

来源:  类别:技术文章  更新时间:2012-10-15  阅读

1 系统概述
     目前,应用于工业、农业、渔业、气象等方面的便携式温度、气压、湿度数据采集系统基本上是采用有线式的,其便携式性能主要体现在移动和架设的方便程度等方面,在实际使用过程中仍然需要系统布线、建立连接等,并且体积较大,携带不便,不能满足便携式设备的要求。
     便携式小型气象站系统主要包括采集与发送、接收与数据处理两个部分。采集与发送部分完成自动数据采集、数据无线发射、接收指令完成相关设置等。架设方式可根据具体需要来定。接收与数据处理部分完成数据接收和显示,并接收键盘指令对两个部分进行相关的设置,根据设置的报警方式触发报警等。由于本系统元器件不多,可以制成手持式或台式。手持式的数据显示方式宜采用液晶显示模式,一方面节省能源,另一方面可大大缩小外观体积,更适于便携。台式的接收与数据处理可采用数码管显示的方式,远距离观察时效果比较好。
2 系统工作组成
     本便携式小型气象站系统的硬件主要由单片机和存储单元、AD 转换单元、传感器单元、无线传输单元、电源单元组成,如图 1 所示。
2.1 单片机和存储单元
     便携式小型气象站单片机采用 Atmel 的 AT89S51。S1、C3 和 R1 构成单片机复位电路,C1、C2 和 11.0592MHz 晶振组成稳定的时钟电路,为单片机可靠工作提供保证。S51第 31 脚(/EA/VP)接高电平,使用内部程序存储器。24C01 用来保存有关参数设置数据。
2.2 A/D 转换单元
     AD 转换采用常见的 8 位双通道 AD 转换器ADC0832,工作时钟由 D 触发器 74LS175 对单片机ALE 脚输出的时钟信号(频率约为 1.8434MHz)8 分频后提供,ADC0832 与单片机和传感器的连接见图 1。

图1 便携式小型气象站结构原理图
2.3 传感器单元
     传感器主要包括温度、湿度和气压等 3 种传感器。温度传感器采用 Dallas 半导体企业的“一线总线”数字化温度传感器 DS18B20,其温度测量范围为-55~+125℃,在-10~+85℃范围内的精度为±0.5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输给单片机,能大大提高便携式小型气象站系统的抗干扰性,适合于恶劣环境的现场温度测量。湿度数据的采集用 GY-HRM201 型湿敏电阻模块作为传感器。使用方便,外接 5VDC 电源即可输出变化的电压信号。气压传感器选用 Freescale(Motorola)的 MPXM2202 型压力传感器,测量范围为 0~200kPa,电源为 10VDC,最大为 16V。为减少整个采集系统的功率消耗,本系统对湿度和气压传感器及其外围电路采用了间歇供电模式,即在进行数据采样前先供电,延时 50ms 后再启动 ADC采样,转换完成后断开电源。单片机程序通过其 I/O口 P2.4 进行电源管理控制。

图2 便携式小型气象站
2.4 电源单元
     仪器采用高能锂聚电池供电,电源单元原理如图2 所示。充电电路由开关电源和充电监测电路组成,电池充满后自动停止。电池组由 4 节锂聚电池组成,每节额定电压为 3.7V,充满空载电压为 4.2V,4 节串联后总电压为 14.8V。电池组电压输出经放电保护电路后,由 12V 和 5V 稳压模块稳压后输出+12V 和+5V,为整个采集系统提供电源。
3 射频传输
     本小型气象站系统采用单片射频收发器芯片 nRF403 和编解码芯片 PT2262/2272 构成双向数据传输通道,收发状态转换由单片机实时控制。发射调制采用透明传输方式,编码信号可直接连接到发射模块的数据输入端,在接收机的数据输出端即可输出解调信号。

图3 便携式小型气象站电路原理图
3.1 电路原理图
     便携式小型气象站电路原理图如图 3 所示。空闲时单片机 P2.3 口输出低电平,nRF403 工作在接收待机状态。如果有无线传输信号时,芯片 nRF403 进入接收状态,将接收到的数据由 DOUT 端口输出给解码芯片 PT2272。当PT2272 解码正确时,它的 VT 端产生一个正脉冲,经9014 反相后送给单片机的外部中断 INT0,产生接收中断信号,单片机进入接收服务程序通过 P3.0 口(RXD)完成数据的接收。当定时数据发送时间到,单片机 P2.3 口输出高电平,马上将芯片 nRF403 由接收待机状态转入发射状态,由 P3.1 口输出要发送的数据到编码芯片 PT2262 的数据输入口,完成编码后直接送到芯片 nRF403 的 DIN 口,完成数据的无线发送。数据发送完成后 89S51 的 P2.3 口输出低电平,控制芯片 nRF403 再次进入接收等待状态。
3.2 通讯协议
    小型气象站系统数据的发送和接收是两个不同的通道,发送和接收不分主次。数据传输速率固定使用 1200 波特率,因此发送和接收两方的单片机串口设置相同。数据的传输分两种情况,一种是采集的数据,温度、气压和湿度各 2 个字节,后面紧跟对应的 6 个字节的反码,作为差错控制使用;另一种是控制指令,完成接收端的相应控制。发送的通讯协议有两种,一种是指令包,另一种是数据包,如表 1 所示。

表1 便携式小型气象站系统数据包
Start_HEAD:传送开始标志,目的是使接收机和发送机同步。
Start_STX:数据传输开始标志。
Start_TC:区别码,区分传送的是指令包还是数据包。
TEXT:正文部分,当传送指令包时,只有一个字节,值为 00H,当传送数据包时为 12 字节的温压湿数据(正反码)。
Start_BCC:差错检测,累加和校验码(纵向奇/偶),对 Start_TC 和 TEXT 一起进行累加和校验。
Start_ETX:数据传输结束。
Start_END:传送终止标志,表示发送机将马上停止发送动作。
Start_TC 字段控制含义:高 4 位为特征码,低 4位是控制指令的具体参数。在发送数据包时,特征码是 1111B,低 4 位为 0000H。发送指令包时的具体含义如下:
1100B:数据出错,要求重新发送一次。
1101B:设置采集时间间隔。
1011B:复位 MCU。
1010B:初始化所有的采集模块。

其他:备用。
4 结束语
     本文通过设计一种便携式小型气象站,使温度、气压、湿度测量及数据传输更方便,硬件连接更简单,使用自定义的数据传输协议方法比较简单,双层差错控制可以在很大程度上提高数据传输的准确率。

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