便攜式小型氣象站的工作原理和系統構成

1 系統概述
     目前，應用于工業、農業、漁業、氣象等方面的便攜式溫度、氣壓、濕度數據采集系統基本上是采用有線式的，其便攜式性能主要體現在移動和架設的方便程度等方面，在實際使用過程中仍然需要系統布線、建立連接等，并且體積較大，攜帶不便，不能滿足便攜式設備的要求。
     便攜式小型氣象站系統主要包括采集與發送、接收與數據處理兩個部分。采集與發送部分完成自動數據采集、數據無線發射、接收指令完成相關設置等。架設方式可根據具體需要來定。接收與數據處理部分完成數據接收和顯示，并接收鍵盤指令對兩個部分進行相關的設置，根據設置的報警方式觸發報警等。由于本系統元器件不多，可以制成手持式或臺式。手持式的數據顯示方式宜采用液晶顯示模式，一方面節省能源，另一方面可大大縮小外觀體積，更適于便攜。臺式的接收與數據處理可采用數碼管顯示的方式，遠距離觀察時效果比較好。
2 系統工作組成
     本便攜式小型氣象站系統的硬件主要由單片機和存儲單元、AD 轉換單元、傳感器單元、無線傳輸單元、電源單元組成，如圖 1 所示。
2.1 單片機和存儲單元
     便攜式小型氣象站單片機采用 Atmel 的 AT89S51。S1、C3 和 R1 構成單片機復位電路，C1、C2 和 11.0592MHz 晶振組成穩定的時鐘電路，為單片機可靠工作提供保證。S51第 31 腳（/EA/VP）接高電平，使用內部程序存儲器。24C01 用來保存有關參數設置數據。
2.2 A/D 轉換單元
     AD 轉換采用常見的 8 位雙通道 AD 轉換器ADC0832，工作時鐘由 D 觸發器 74LS175 對單片機ALE 腳輸出的時鐘信號（頻率約為 1.8434MHz）8 分頻后提供，ADC0832 與單片機和傳感器的連接見圖 1。

2.3 傳感器單元
     傳感器主要包括溫度、濕度和氣壓等 3 種傳感器。溫度傳感器采用 Dallas 半導體公司的“一線總線”數字化溫度傳感器 DS18B20，其溫度測量范圍為-55~+125℃，在-10~+85℃范圍內的精度為±0.5℃。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸給單片機，能大大提高便攜式小型氣象站系統的抗干擾性，適合于惡劣環境的現場溫度測量。濕度數據的采集用 GY-HRM201 型濕敏電阻模塊作為傳感器。使用方便，外接 5VDC 電源即可輸出變化的電壓信號。氣壓傳感器選用 Freescale（Motorola）的 MPXM2202 型壓力傳感器，測量范圍為 0~200kPa，電源為 10VDC，最大為 16V。為減少整個采集系統的功率消耗，本系統對濕度和氣壓傳感器及其外圍電路采用了間歇供電模式，即在進行數據采樣前先供電，延時 50ms 后再啟動 ADC采樣，轉換完成后斷開電源。單片機程序通過其 I/O口 P2.4 進行電源管理控制。

2.4 電源單元
     儀器采用高能鋰聚電池供電，電源單元原理如圖2 所示。充電電路由開關電源和充電監測電路組成，電池充滿后自動停止。電池組由 4 節鋰聚電池組成，每節額定電壓為 3.7V，充滿空載電壓為 4.2V，4 節串聯后總電壓為 14.8V。電池組電壓輸出經放電保護電路后，由 12V 和 5V 穩壓模塊穩壓后輸出+12V 和+5V，為整個采集系統提供電源。
3 射頻傳輸
     本小型氣象站系統采用單片射頻收發器芯片 nRF403 和編解碼芯片 PT2262/2272 構成雙向數據傳輸通道，收發狀態轉換由單片機實時控制。發射調制采用透明傳輸方式，編碼信號可直接連接到發射模塊的數據輸入端，在接收機的數據輸出端即可輸出解調信號。

3.1 電路原理圖
     便攜式小型氣象站電路原理圖如圖 3 所示。空閑時單片機 P2.3 口輸出低電平，nRF403 工作在接收待機狀態。如果有無線傳輸信號時，芯片 nRF403 進入接收狀態，將接收到的數據由 DOUT 端口輸出給解碼芯片 PT2272。當PT2272 解碼正確時，它的 VT 端產生一個正脈沖，經9014 反相后送給單片機的外部中斷 INT0，產生接收中斷信號，單片機進入接收服務程序通過 P3.0 口（RXD）完成數據的接收。當定時數據發送時間到，單片機 P2.3 口輸出高電平，立即將芯片 nRF403 由接收待機狀態轉入發射狀態，由 P3.1 口輸出要發送的數據到編碼芯片 PT2262 的數據輸入口，完成編碼后直接送到芯片 nRF403 的 DIN 口，完成數據的無線發送。數據發送完成后 89S51 的 P2.3 口輸出低電平，控制芯片 nRF403 再次進入接收等待狀態。
3.2 通訊協議
    小型氣象站系統數據的發送和接收是兩個不同的通道，發送和接收不分主次。數據傳輸速率固定使用 1200 波特率，因此發送和接收兩方的單片機串口設置相同。數據的傳輸分兩種情況，一種是采集的數據，溫度、氣壓和濕度各 2 個字節，后面緊跟對應的 6 個字節的反碼，作為差錯控制使用；另一種是控制指令，完成接收端的相應控制。發送的通訊協議有兩種，一種是指令包，另一種是數據包，如表 1 所示。

Start_HEAD：傳送開始標志，目的是使接收機和發送機同步。
Start_STX：數據傳輸開始標志。
Start_TC：區別碼，區分傳送的是指令包還是數據包。
TEXT：正文部分，當傳送指令包時，只有一個字節，值為 00H，當傳送數據包時為 12 字節的溫壓濕數據（正反碼）。
Start_BCC：差錯檢測，累加和校驗碼（縱向奇/偶），對 Start_TC 和 TEXT 一起進行累加和校驗。
Start_ETX：數據傳輸結束。
Start_END：傳送終止標志，表示發送機將立即停止發送動作。
Start_TC 字段控制含義：高 4 位為特征碼，低 4位是控制指令的具體參數。在發送數據包時，特征碼是 1111B，低 4 位為 0000H。發送指令包時的具體含義如下：
1100B：數據出錯，要求重新發送一次。
1101B：設置采集時間間隔。
1011B：復位 MCU。
1010B：初始化所有的采集模塊。
其他：備用。
4 結束語
     本文通過設計一種便攜式小型氣象站，使溫度、氣壓、濕度測量及數據傳輸更方便，硬件連接更簡單，使用自定義的數據傳輸協議方法比較簡單，雙層差錯控制可以在很大程度上提高數據傳輸的準確率。

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