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摘要：本文介紹了一種基于PTR2000的無(wú)線(xiàn)氣象信息采集系統的硬件和軟件設計，該系統可以實(shí)現溫度、濕度、氣壓等氣象數據的采集和傳輸。氣象數據采集系統由單片機ATmega16、溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器HS1101和氣壓傳感器MPX4105構成，實(shí)現溫度、濕度、氣壓等基本氣象參數的測量。采集的氣象數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊PTR2000上傳給上位機進(jìn)行存儲和相應處理。數據采集端由太陽(yáng)能電源系統供電，可以滿(mǎn)足長(cháng)期測量需要。 引言 隨著(zhù)經(jīng)濟社會(huì )的發(fā)展，工農業(yè)生產(chǎn)對氣象信息的需求日益加大。農業(yè)農情灌溉氣象環(huán)境指標監測、森林火險氣象指標監測、各種突發(fā)性災害性天氣的快速響應和現場(chǎng)監控均需要對氣象信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析。本系統采用DS18B20、HS1101等高精度傳感器，低功耗單片機ATmega16，數字無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片NRF401;數據采集端配備光伏電源系統供電。通過(guò)數據采集、傳送與處理實(shí)現周?chē)h(huán)境溫度、濕度、氣壓等氣象要素的全天候監測;系統工作方式靈活，通過(guò)128×64液晶顯示器可實(shí)現現場(chǎng)所測數據的顯示，也可以采用無(wú)線(xiàn)通信的方式將數據傳送至計算機進(jìn)行存儲和處理。 1 系統工作原理[1-3] 氣象信息監測系統由下位機數據采集和上位機數據管理兩部分構成。下位機數據采集系統主要由三部分構成，如圖1所示。其中，數據采集模塊由傳感器DS18B20、HS1101、 MPX4105和單片機ATmega16組成，PTR2000數據收發(fā)模塊由數字無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片NRF401構成，電源系統采用光伏電源系統構成。上位機數據管理系統如圖2所示，其中，PTR2000數據收發(fā)模塊由數字無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片NRF401構成，經(jīng)MAX232電平轉換直接與計算機相連，計算機實(shí)現數據的接收和處理。 上位機定時(shí)發(fā)出檢測指令，下位機通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊接收到檢測指令后，開(kāi)始檢測氣象數據。檢測結束后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊把采集的數據發(fā)給上位機。上位機實(shí)現采集數據的儲存、圖形化。下位機數據采集系統可以實(shí)現現場(chǎng)氣象數據的顯示�，F場(chǎng)顯示時(shí)，無(wú)線(xiàn)數傳模塊被關(guān)閉，下位機數據采集端獨立運行，不依賴(lài)于上位機發(fā)出的檢測指令，依次顯示采集到的氣象數據。 2 信息采集系統硬件電路設計 數據采集模塊以ATmega16為核心，完成氣象信息的采集、轉換和傳輸。系統中主要利用ATmega16的片內ADC、定時(shí)/計數器、I/O口輸入輸出控制、可編程串行USART等資源實(shí)現數據采集。 2.1 溫度測量電路 利用數字溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度采集，溫度測量電路如圖3所示。 DS18B20的數據總線(xiàn)接ATmega16的P0.0口。ATmega16不支持單總線(xiàn)協(xié)議，采用軟件方法模擬單總線(xiàn)協(xié)議，完成對DSl8B20芯片的訪(fǎng)問(wèn)。 2.2 濕度測量電路[2] 濕度測量采用HS1101傳感器，測量電路如圖4所示。該電路把電容參數的變化轉換為與之成反比的電壓頻率的變化，振蕩電路輸出方波信號的頻率為如式(1)所示。f=1/Cx*(R1+2*R2 )*ln2 (1) 2.3 氣壓測量電路[3-4] 系統選用MPX4105作為氣壓傳感器。MPX4105可產(chǎn)生與氣壓呈線(xiàn)性關(guān)系的模擬輸出電壓，氣壓測量電路如圖5所示。輸出電壓Vout和大氣壓P的關(guān)系如式(2)所示。Vout=Vcc*(0.01P-0.09) (2) 2.4 液晶顯示電路 選用LCD128×64液晶顯示器顯示溫度、氣壓和濕度氣象信息，顯示電路如圖6所示。通過(guò)按鍵設置現場(chǎng)顯示氣象數據或是通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸數據到上位機。 2.5 無(wú)線(xiàn)數據傳輸電路[5-7] 系統采用無(wú)線(xiàn)傳輸模塊PTR2000傳輸氣象數據。本模塊工作頻率為國際通用的數傳頻段，設置CS可以選擇模塊兩個(gè)頻道中的一個(gè)作為通信頻道。PTR2000模塊直接與單片機的串口連接，通過(guò)MAX232進(jìn)行電平轉換與計算機相連，構成無(wú)線(xiàn)通信系統，完成氣象數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。與ATmega16連接的數據發(fā)送端電路如圖7所示。 2.6 太陽(yáng)能供電系統電路 下位機采用太陽(yáng)能供電系統供電，供電系統主要由太陽(yáng)能電池板、充電控制電路和蓄電池三個(gè)部分，太陽(yáng)能電池供電控制電路如圖8所示。 2.6.1 系統功耗測算 系統工作在現場(chǎng)模式時(shí)，PTR2000模塊不工作，LCD處于工作狀態(tài)，背光打開(kāi)，系統工作電壓為4.98V，電流為164mA，LCD處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，電流為18mA。系統工作在無(wú)線(xiàn)模式時(shí)，PTR2000模塊工作，LCD關(guān)閉。PTR2000模塊的工作電壓為2.7V～5.25V，發(fā)射時(shí)工作電流為20mA～30mA，接收時(shí)工作電流為10mA[8]。PTR2000主要工作在發(fā)射狀態(tài)，工作電壓約為5V，工作電流取30mA，因此，PTR2000消耗的功率約為0.15W。系統長(cháng)期工作在無(wú)線(xiàn)模式，為節約能源，LCD處于關(guān)閉狀態(tài)。根據以上分析，數據采集系統的總系統工作電流約為48mA，按I=50mA，功率為0.25W。 2.6.2 蓄電池選用 根據系統的工作情況、太陽(yáng)能供電子系統的特點(diǎn)，選用電壓為12V的鉛酸蓄電池。數據采集系統全天候工作，考慮天氣因素影響，最長(cháng)陰雨天數設為5天，蓄電池能為采集系統提供5天的電量，電池的放電深度取75%。根據系統功耗和系統的工作狀況，蓄電池的容量計算如式(3)所示。 Q=A*I*D*W*Tp/dd (3) 式中：A為安全系數，取1.1～1.4之間，取1.1;I=50mA為系統工作電流;D=24h為全天工作方式;W為最長(cháng)連續陰雨天數，取W=5天;Tp為溫度修正系數，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2，取Tp=1.1;dd為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75。根據式(3)，計算容量為9680mAh，選擇容量為10Ah的蓄電池，電池尺寸為151×98×95。2.6.3 太陽(yáng)能電池板選用[9] 蓄電池電壓為12V，鉛酸蓄電池充電終了時(shí)的標志一般是單體電壓為2.7 V，蓄電池的最大充電電壓為16.2V(2.7V×6)，考慮充電控制電路線(xiàn)路壓降，應選用18V的太陽(yáng)能電池板。蓄電池的容量為10Ah，充電電流一般選用1A(10×0.1)。根據以上分析，太陽(yáng)能電池板的功率為18W(18V×1A)。實(shí)際選用的是單晶硅太陽(yáng)能電池板，功率為20W，峰值電壓為17.2V，峰值電流為1.16A，電池板尺寸為485*350。 2.6.4 太陽(yáng)能電池充電控制 充電控制電路控制蓄電池充電，同時(shí)保護蓄電池，避免過(guò)充。SUN_V與ATmega16的內置模數轉換器ADC0相連，檢測光電池的電壓，BAT_V與ADC1相連，檢測蓄電池的電壓，判斷蓄電池是否已經(jīng)達到過(guò)充點(diǎn)或過(guò)放點(diǎn)。SUN_CTR和BAT_CTR與ATmega16的I/O口相連，根據檢測結果發(fā)出充電、停充指令。當蓄電池電壓高于16.2V，停止充電;當太陽(yáng)能電池板電壓低于蓄電池電壓時(shí)，停止充電;蓄電池電壓低于16.2V，并且太陽(yáng)能電池電壓高于蓄電池電壓1.3V時(shí)，進(jìn)行充電。 蓄電池的輸出電壓經(jīng)過(guò)DC-DC變換為5V后為信息采集端電路供電。 3 信息采集系統軟件設計 采用C語(yǔ)言設計了溫度、濕度和氣壓測量程序，無(wú)線(xiàn)數據傳輸程序、太陽(yáng)能充放電控制程序。 3.1 溫度測量程序設計 Read_Temperature(void) 是DSl8B20溫度采集程序，程序清單如下： Read_Temperature(void) { Init_DS18B20() ;//DS18B20初始化 WriteOneChar(0xCC) ; // 跳過(guò)讀序號列號的操作 WriteOneChar(0x44) ; // 啟動(dòng)溫度轉換 Init_DS18B20() ; WriteOneChar(0xCC) ; //跳過(guò)讀序號列號的操作 WriteOneChar(0xBE) ; //讀取溫度寄存器 tel = ReadOneChar() ; //溫度低8位 teh = ReadOneChar() ; //溫度高8位 } Init_DS18B20()是DSl8B20初始化程序，根據DSl8B20的1-WIRE協(xié)議，控制器先向DQ發(fā)出低電平復位脈沖，寬度在480μs~ 960μs之間，然后恢復DQ的高電平，在200μs之內，等待由DSl8B20發(fā)出的應答脈沖。如果DQ被下拉為低電平，則DSl8B20初始化成功。 WriteOneChar()是DSl8B20寫(xiě)入程序，控制器先下拉DQ為0，延時(shí)1μs以上，隨后寫(xiě)入數據位，延時(shí)60μs，再置DQ為1，各位逐位寫(xiě)入。 ReadOneChar()是DSl8B20讀出程序，控制器先下拉DQ為0，延時(shí)1μs以上，隨后從DQ上讀入數據位，延時(shí)60μs，再置DQ為1，完成一位數據的讀取，各位逐位讀出。 采集溫度時(shí)，先進(jìn)行DSl8B20復位，然后向DSl8B20寫(xiě)入跳出ROM命令CCH和溫度轉換命令44H，經(jīng)延時(shí)750μs等待DSl8B20充分完成溫度轉換。再進(jìn)行一次復位后，通過(guò)發(fā)送溫度讀取命令BEH，即可調用數據讀取子程序得到轉換的溫度數據。 溫度計算時(shí)，讀取的溫度值高八位如果大于0×07則溫度值為負，應取反加一后乘以0.625，溫度值高八位如果小于0×07則溫度值為正，直接乘以0.625即可。 3.2 濕度測量程序設計[2] 濕度測量電路輸出的方波信號輸入ATmega16的計數器T0，定時(shí)器T1進(jìn)行計時(shí)。定時(shí)時(shí)間到，產(chǎn)生中斷，根據計數器的數值和定時(shí)時(shí)間計算出頻率值。 本電路典型的濕度-頻率關(guān)系如表1所示。利用Matlab中的polyfit()命令線(xiàn)性擬合出相對濕度與頻率的關(guān)系式，如式(4)所示。把ATmega16測算出的頻率(Frequency)代入式(4)就可計算出相對濕度RH。 RH=-0.0767*Frequency+565.0967 (4)3.3 氣壓測量程序設計 MPX4105輸出的模擬電壓經(jīng)ATmega16的片內ADC轉換成相應數字量，再根據電壓和氣壓轉換關(guān)系即可計算出要測的氣壓值。 氣壓測量程序adc(void)如下所示。 adc(void)//單次AD轉換 10位精度 unsigned char adcl，adch; float adc=0; ADMUX|=0X07;//參考電壓AVCC轉換結果右對齊輸入端ADC7 ADCSRA|=((1 while(~(0XEF|ADCSRA));//等待轉換完成 adcl=ADCL;adch=ADCH;//讀取轉換值 adc=5000/1024*(adch*256+adcl);//10位精度參考電壓5000mV return adc; } 3.4 無(wú)線(xiàn)數據傳輸程序設計 ATmega16串行通信初始化程序void uart_init(unsigned int baud)如下所示。 void uart_init(unsigned int baud)//串行通信初始化 { UCSRB=0x00; //UART收發(fā)允許中斷允許 UCSRA=0x02;//收發(fā)完成，錯誤狀態(tài)寄存器清零 //設為雙倍速減小波特率設置誤差 UCSRC=(1 SREG=BIT(7);//全局中斷開(kāi)放 DDRD|=0X02;//配置TX為輸出 } 4 結束語(yǔ) 經(jīng)測試，系統可以實(shí)現-55℃~125℃范圍的溫度測量，溫度測量分辨率為0.5℃，系統工作在-20℃~70℃溫度范圍內時(shí)不需采取保溫措施;濕度測量范圍為1% RH ~99%RH，平均靈敏度為0.34pF/%RH;氣壓測量范圍為15kPa~105kPa，采集的氣象信息可實(shí)時(shí)顯示，也可通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸給上位機進(jìn)行顯示、存儲;太陽(yáng)能供電系統能夠為系統提供穩定可靠的能量。晴天時(shí)，蓄電池充電耗時(shí)約1.5天，蓄電池充滿(mǎn)時(shí)能連續為采集系統提供約8天的電能。為提高太陽(yáng)能充電效率，縮短充電時(shí)間，可以對太陽(yáng)能電池板加裝單軸步進(jìn)逐日系統。為提高單日充電時(shí)間，降低太陽(yáng)能供電系統成本，可以選用薄膜太陽(yáng)能電池板。通過(guò)軟件設置，本系統可以與上位機構成含兩站點(diǎn)的氣象信息采集系統，完成氣象信息的采集、存儲和處理。 參考文獻： [1] Atmel Corporation.ATmega16-16LData Sheet. 2004 [2] Relative Humidity Sensor HS 1100/HS 1101. 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