基于avr單片機(jī)的自動(dòng)氣象信息采集系統(tǒng)

1、<p>　　基于AVR單片機(jī)的智能氣象信息采集系統(tǒng)</p><p>　　摘要：本文從氣象數(shù)據(jù)采集的實(shí)際出發(fā)，對(duì)氣象數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及處理過程進(jìn)行了研究。提出并設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的智能氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。分別介紹了各個(gè)模塊的電路圖，并給出了系統(tǒng)的硬件原理圖和軟件設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)以ATMEL公司推出的AVR單片機(jī)為核心，構(gòu)建了針對(duì)溫、壓、濕等基本氣象要素的采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用無線

2、方式將采集到的氣象數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，以供顯示、分析和儲(chǔ)存。數(shù)據(jù)采集端由光伏電源供電，滿足了長(zhǎng)期觀測(cè)的需要。</p><p>　　關(guān)鍵字：溫濕度測(cè)量 AVR單片機(jī) nRF401 RS232-RS485串行通信 光伏電源</p><p><b>　　一 引言:</b></p><p>　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)氣象信息的需求日

3、益加大。農(nóng)業(yè)農(nóng)情灌溉氣象環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè)、森林火險(xiǎn)氣象指標(biāo)監(jiān)測(cè)、各種突發(fā)性災(zāi)害性天氣的快速響應(yīng)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控均需要對(duì)氣象信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析。本系統(tǒng)采用DS18B20、HS1101等高精度傳感器，低功耗高性能的ATmega16單片機(jī),數(shù)字無線收發(fā)芯片NRF401；數(shù)據(jù)采集端配備光伏電源系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集、傳送與處理從而實(shí)現(xiàn)全天候檢測(cè)周遭環(huán)境的溫度、濕度、氣壓等氣象要素；工作方式靈活，可現(xiàn)場(chǎng)通過1602液晶顯示器顯示測(cè)得數(shù)據(jù)，也可采用無線通信的

4、方式將數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)。</p><p><b>　　二 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集端，數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理，光伏電源四個(gè)部分。</p><p>　　系統(tǒng)工作原理概述：上位機(jī)定時(shí)發(fā)出檢測(cè)指令，下位機(jī)通過無線數(shù)傳模塊接收到檢測(cè)指令后，開始檢測(cè)氣象數(shù)據(jù)；檢測(cè)結(jié)束后立即再通過無線數(shù)傳模塊把數(shù)據(jù)發(fā)往上位機(jī)，然后上位機(jī)軟件以

5、圖形化的界面顯示、分析并儲(chǔ)存氣象數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)顯示氣象數(shù)據(jù)時(shí)無線數(shù)傳模塊被關(guān)閉，下位機(jī)即數(shù)據(jù)采集端獨(dú)立運(yùn)行，不依賴于上位機(jī)發(fā)出的檢測(cè)指令，依次顯示采集到的氣象數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　系統(tǒng)框圖：</b></p><p>　　圖2.1下位機(jī)數(shù)據(jù)采集原理框圖</p><p>　　圖2.2 上位機(jī)數(shù)據(jù)接收原理框圖</p><

6、p><b>　　2.1 數(shù)據(jù)采集</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)完成對(duì)氣象信息的采集和轉(zhuǎn)換。以ATMEL公司的AVR單片機(jī)ATmega16為核心。</p><p>　　ATMEL 公司的AVR 單片機(jī),是增強(qiáng)型RISC 內(nèi)載Flash 的單片機(jī)芯片上的Flash 存儲(chǔ)器附在用戶的產(chǎn)品中,可隨時(shí)編程再編程,使用的產(chǎn)品設(shè)計(jì)容易,更新?lián)Q代方便AVR 單片

7、機(jī)采用增強(qiáng)的RISC 結(jié)構(gòu),使其具有高速處理能力,在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可執(zhí)行復(fù)雜的指令,每MHz 可實(shí)現(xiàn)1MIPS 的處理能力AVR 單片機(jī)工作電壓為2.7 6.0V,可以實(shí)現(xiàn)耗電最優(yōu)化AVR 的單片機(jī)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備,工業(yè)實(shí)時(shí)控制,儀器儀表,通訊設(shè)備,家用電器,宇航設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域。</p><p>　　ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)

8、鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 </p><p>　　ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。&l

9、t;/p><p>　　ATmega16 有如下特點(diǎn):16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個(gè)通用I/O 口線，32 個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程

10、增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。 </p><p>　　工作于空閑模式時(shí)CPU 停止工作，而USART、兩線接口、A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，

11、而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時(shí)終止CPU 和除了異步定時(shí)器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。</p><p>　　本芯片是以Atmel 高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)I

12、SP Flash 允許程序存儲(chǔ)器通過ISP 串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)(ApplicationFlash Memory)。在更新應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了RWW 操作。 通過將8 位RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)，

13、ATmega16 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C 語言 編譯器、宏匯編、 程序調(diào)試器/ 軟件仿真器、仿真器及評(píng)估板。</p><p>　　ATmega16產(chǎn)品特性</p><p>　　? 高性能、低功耗的 8 位AVR® 微處理器</p><p>　　?

14、 先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu)</p><p>　　– 131 條指令 – 大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期</p><p>　　– 32個(gè)8 位通用工作寄存器</p><p><b>　　– 全靜態(tài)工作</b></p><p>　　– 工作于16 MHz 時(shí)性能高達(dá)16 MIPS</p><p>　　–

15、 只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器</p><p>　　? 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器</p><p>　　– 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash</p><p>　　擦寫壽命: 10,000 次</p><p>　　– 具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot 代碼區(qū)</p><p>　　通過片上Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程<

16、/p><p><b>　　真正的同時(shí)讀寫操作</b></p><p>　　– 512 字節(jié)的EEPROM</p><p>　　擦寫壽命: 100,000 次</p><p>　　– 1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM</p><p>　　– 可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密</p><

17、p>　　? JTAG 接口( 與IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容)</p><p>　　– 符合JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能</p><p>　　– 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能</p><p>　　– 通過JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程</p><p><b>　　? 外設(shè)特點(diǎn)</b>

18、;</p><p>　　– 兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器</p><p>　　– 一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器</p><p>　　– 具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC</p><p><b>　　– 四通道PWM</b></p><p&g

19、t;　　– 8路10 位ADC</p><p><b>　　8 個(gè)單端通道</b></p><p>　　TQFP 封裝的7 個(gè)差分通道</p><p>　　2 個(gè)具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道</p><p>　　– 面向字節(jié)的兩線接口</p><p>　　– 兩個(gè)可編程

20、的串行USART</p><p>　　– 可工作于主機(jī)/ 從機(jī)模式的SPI 串行接口</p><p>　　– 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器</p><p><b>　　– 片內(nèi)模擬比較器</b></p><p>　　? 特殊的處理器特點(diǎn)</p><p>　　– 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢

21、測(cè)</p><p>　　– 片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC 振蕩器</p><p>　　– 片內(nèi)/ 片外中斷源</p><p>　　– 6種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及</p><p>　　擴(kuò)展的Standby 模式</p><p><b>　　? I/O 和封

22、裝</b></p><p>　　– 32 個(gè)可編程的I/O 口</p><p>　　– 40引腳PDIP 封裝, 44 引腳TQFP 封裝, 與44 引腳MLF 封裝</p><p><b>　　? 工作電壓:</b></p><p>　　– ATmega16L：2.7 - 5.5V</p>&

23、lt;p>　　– ATmega16：4.5 - 5.5V</p><p><b>　　? 速度等級(jí)</b></p><p>　　– 0 - 8 MHz ATmega16L</p><p>　　– 0 - 16 MHz ATmega16</p><p>　　? ATmega16L 在1 MHz, 3V, 25

24、6;C 時(shí)的功耗</p><p>　　– 正常模式: 1.1 mA</p><p>　　– 空閑模式: 0.35 mA</p><p>　　– 掉電模式: < 1 μA</p><p>　　本設(shè)計(jì)中主要用到ATmega16的片內(nèi)ADC、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、I/O口輸入輸出控制、可編程串行USART等。</p><p>

25、<b>　　2.1.1溫度測(cè)量</b></p><p>　　溫度信號(hào)采集采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20芯片。DSl8B20是一線數(shù)字溫度傳感器，每片DS18B20都有全球惟一的識(shí)別號(hào)，可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。測(cè)量溫度范圍為-55°C~+125°C，支持3V~5.5V的電壓范圍，可以程序設(shè)定9~12位的分

26、辨率。DS18B20芯片的管腳簡(jiǎn)單，它無需任何外圍硬件即可方便地進(jìn)行溫度測(cè)量，與單片機(jī)交換信息僅需要一根I/O口線,如圖2.3</p><p><b>　　圖 2.3</b></p><p>　　控制器對(duì)DS18B20操作流程： </p><p>　　1， 復(fù)位：首先我們必須對(duì)DS18B20芯片進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位就是由控制器（單片機(jī)）給DS18B2

27、0單總線至少480uS的低電平信號(hào)。當(dāng)DS18B20接到此復(fù)位信號(hào)后則會(huì)在15~60uS后回發(fā)一個(gè)芯片的存在脈沖。 </p><p>　　2， 存在脈沖：在復(fù)位電平結(jié)束之后，控制器應(yīng)該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在15~60uS后接收存在脈沖，存在脈沖為一個(gè)60~240uS的低電平信號(hào)。至此，通信雙方已經(jīng)達(dá)成了基本的協(xié)議，接下來將會(huì)是控制器與DS18B20間的數(shù)據(jù)通信。如果復(fù)位低電平的時(shí)間不足或是單總線的電路斷路都不

28、會(huì)接到存在脈沖，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意意外情況的處理。 </p><p>　　3， 控制器發(fā)送ROM指令：雙方打完了招呼之后最要將進(jìn)行交流了，ROM指令共有5條，每一個(gè)工作周期只能發(fā)一條，ROM指令分別是讀ROM數(shù)據(jù)、指定匹配芯片、跳躍ROM、芯片搜索、報(bào)警芯片搜索。ROM指令為8位長(zhǎng)度，功能是對(duì)片內(nèi)的64位光刻ROM進(jìn)行操作。其主要目的是為了分辨一條總線上掛接的多個(gè)器件并作處理。誠(chéng)然，單總線上可以同時(shí)掛接多個(gè)器件，并通

29、過每個(gè)器件上所獨(dú)有的ID號(hào)來區(qū)別，一般只掛接單個(gè)DS18B20芯片時(shí)可以跳過ROM指令（注意：此處指的跳過ROM指令并非不發(fā)送ROM指令，而是用特有的一條“跳過指令”）。ROM指令在下文有詳細(xì)的介紹。 </p><p>　　4， 控制器發(fā)送存儲(chǔ)器操作指令：在ROM指令發(fā)送給DS18B20之后，緊接著（不間斷）就是發(fā)送存儲(chǔ)器操作指令了。操作指令同樣為8位，共6條，存儲(chǔ)器操作指令分別是寫RAM數(shù)據(jù)、讀RAM數(shù)據(jù)、將R

30、AM數(shù)據(jù)復(fù)制到EEPROM、溫度轉(zhuǎn)換、將EEPROM中的報(bào)警值復(fù)制到RAM、工作方式切換。存儲(chǔ)器操作指令的功能是命令DS18B20作什么樣的工作，是芯片控制的關(guān)鍵。 </p><p>　　5， 執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫：一個(gè)存儲(chǔ)器操作指令結(jié)束后則將進(jìn)行指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫，這個(gè)操作要視存儲(chǔ)器操作指令而定。如執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換指令則控制器（單片機(jī)）必須等待DS18B20執(zhí)行其指令，一般轉(zhuǎn)換時(shí)間為500uS。如執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫指令則需要

31、嚴(yán)格遵循DS18B20的讀寫時(shí)序來操作。數(shù)據(jù)的讀寫方法將有下文有詳細(xì)介紹。 </p><p>　　若要讀出當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)我們需要執(zhí)行兩次工作周期，第一個(gè)周期為復(fù)位、跳過ROM指令、執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器操作指令、等待500uS溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間。緊接著執(zhí)行第二個(gè)周期為復(fù)位、跳過ROM指令、執(zhí)行讀RAM的存儲(chǔ)器操作指令、讀數(shù)據(jù)（最多為9個(gè)字節(jié)，中途可停止，只讀簡(jiǎn)單溫度值則讀前2個(gè)字節(jié)即可）。其它的操作流程也大同小異，在此不多

32、介紹。</p><p>　　DSl8820的程序設(shè)計(jì)</p><p>　　DSl8B20在使用時(shí)，硬件連接非常簡(jiǎn)單。只需將DSl8B20信號(hào)線與處理器l位I／O線相連。但對(duì)ATmega16來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來完成對(duì)DSl8B20芯片的訪問。</p><p>　　1、DSl8B20初始化程序</p>

33、;<p>　　根據(jù)DSl8B20的1-WIRE協(xié)議，處理器首先向DQ發(fā)出低電平復(fù)位脈沖，寬度在480us到960us之間，然后恢復(fù)DQ的高電平，在200 us之內(nèi)，等待由DSl8B20發(fā)出的應(yīng)答脈沖。如果DQ被下拉為低電平，則DSl8B20初始化成功，設(shè)備就位。</p><p>　　2、DSl8B20寫入程序</p><p>　　對(duì)DSl8B20的寫入是在DQ為1的情況下置位

34、O，延時(shí)1us以上，隨后寫入數(shù)據(jù)位，延時(shí)60 us，DQ再置為l，各位逐位寫入。</p><p>　　3、DSl8B20讀出程序</p><p>　　同DSl8B20的寫入相似，先下拉DQ為0，延時(shí)1us以上，隨后從DQ上讀入數(shù)據(jù)位，延時(shí)60us，DQ再置為l，完成一位數(shù)據(jù)的讀取。</p><p>　　4、DSl8B20溫度采集程序</p><p

35、>　　程序開始先進(jìn)行DSl8B20復(fù)位，不成功則返回錯(cuò)誤代碼0xFFFFFFFF，然后向DSl8B20寫入跳出ROM命令CCH和溫度轉(zhuǎn)換命令44H，經(jīng)延時(shí)750us等待DSl8B20充分完成溫度轉(zhuǎn)換。再進(jìn)行一次復(fù)位后，通過對(duì)其發(fā)送溫度讀取命令BEH，即可調(diào)用數(shù)據(jù)讀取子程序得到剛剛轉(zhuǎn)換的溫度數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　ICC代碼示例</b></p><p>

36、;　　Read_Temperature(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Init_DS18B20() ;//DS18B20初始化</p><p>　　WriteOneChar(0xCC) ; // 跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作</p><p>　　WriteOneChar(0x4

37、4) ; // 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換</p><p>　　Init_DS18B20() ;</p><p>　　WriteOneChar(0xCC) ; //跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作</p><p>　　WriteOneChar(0xBE) ; //讀取溫度寄存器</p><p>　　tel = ReadOneChar() ;

38、//溫度低8位</p><p>　　teh = ReadOneChar() ; //溫度高8位 </p><p><b>　　}</b></p><p>　　DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換方法</p><p>　　讀取到的溫度值高八位如果大于0X07則溫度值為負(fù)，應(yīng)取反加一后乘以0.625。溫度值高八位如果小于0X07

39、則溫度值為正，直接乘以0.625 即可。</p><p>　　圖2.4 典型溫度值的二進(jìn)制，十六進(jìn)制數(shù)據(jù)對(duì)照表</p><p>　　2.2.2 濕度測(cè)量</p><p>　　濕度測(cè)量采用HS1101。濕度傳感器HS1101是法國(guó)Humirel生產(chǎn)的電容式濕度傳感器。HS1101是一種在高分子薄膜上形成的電容。高分子薄膜上的電極是很薄的金屬微孔蒸發(fā)膜，水分子可通過兩

40、端的電極被高分子薄膜吸附或釋放，隨著這種水分子的吸附或釋放，高分子的介電系數(shù)將發(fā)生相應(yīng)的變化。由于介電系數(shù)隨空氣的相對(duì)濕度變化而變化，所以只要測(cè)定電容C值就可得相對(duì)濕度。</p><p>　　HS1101 是基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，在電路中等效于一個(gè)電容器Cx，其電容隨所測(cè)空氣的相對(duì)濕度增大而增大。具有極好的線性輸出，在相對(duì)濕度為(0--100)%RH的范圍內(nèi)，電容的容量由163pF變化到202pF，其

41、誤差不大于±2%RH;濕度量程為(1~99)%RH，工作溫度范圍為-40℃~100℃;濕 度輸出受溫度影響極小(溫度系數(shù)僅為0.04pF/C );常溫使用無需溫度補(bǔ)償，無需校準(zhǔn);相對(duì)濕度在(33--75)%RH之間，電容與相對(duì)濕度的變化為0.34 pF/%R H，相對(duì)濕度為55% R H時(shí)的典型電容值約182pF;高可靠性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性，年漂移量0.5%RH/年;響應(yīng)時(shí)間小于5s.</p><p>　　采

42、用電容/頻率轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行濕度檢測(cè)，將濕敏電容Cx置于振蕩電路之中，電路如圖2.5所示。將濕度的變化轉(zhuǎn)換為方波振蕩頻率變化，該頻率信號(hào)可以直接被微處理器采集。</p><p>　　圖2.5 HS1101典型應(yīng)用電路</p><p>　　上圖中輸出的方波信號(hào)可直接被ATmega16采集，連續(xù)測(cè)量一定數(shù)量周期所經(jīng)歷的時(shí)間，進(jìn)而可計(jì)算出頻率值。</p><p>　　典型濕度

43、-頻率值對(duì)照表：</p><p>　　2.2.3 氣壓測(cè)量</p><p>　　本設(shè)計(jì)要測(cè)量的是絕對(duì)氣壓值，為了簡(jiǎn)化電路，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，要求使用具有溫度補(bǔ)償能力的氣壓傳感器。經(jīng)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用美國(guó)摩托羅拉公司的集成壓力傳感芯片MPX4105作為氣壓傳感器。MPX4105可產(chǎn)生于所加氣壓呈線性關(guān)系的高精度模擬輸出電壓，它具有以下特點(diǎn)：</p><p>　

44、　·供電范圍：4.85~5.35V，典型值為5.1V。</p><p>　　·測(cè)量范圍：15~105kPa。</p><p>　　·工作溫度范圍：0~85℃。</p><p>　　·溫度補(bǔ)償范圍：-40~+125℃。</p><p>　　·測(cè)量精度為±1.7%VFSS </p&

45、gt;<p>　　·最低氣壓對(duì)應(yīng)的輸出電壓VOFF為0.184~0.428V，典型值為0.306V；最高氣壓對(duì)應(yīng)的輸出電壓VOFF為4.804~4.988V，典型值為4.896V；滿刻度輸出電壓間距VFSS的典型值為4.590V。</p><p>　　·理想的微處理器接口。</p><p>　　被測(cè)氣壓經(jīng)過氣壓傳感器MPX4105轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓V

46、out和大氣壓P有如下關(guān)系：</p><p>　　Vout=Vcc*(0.01P-0.09)</p><p>　　輸出的模擬電壓可輸入ATmega16的片內(nèi)ADC轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電壓，再根據(jù)以上轉(zhuǎn)換關(guān)系即可得出要測(cè)的氣壓值。</p><p>　　圖2.6 MPX4105與AVR單片機(jī)的連接方式</p><p><b>　　ICC代碼示例：

47、</b></p><p>　　adc(void)//單次AD轉(zhuǎn)換 10位精度 </p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned char adcl,adch;</p><p>　　float adc=0;</p><p>　　ADMUX|=0X40;/

48、/參考電壓 AVCC 轉(zhuǎn)換結(jié)果右對(duì)齊 輸入端ADC0</p><p>　　ADCSRA|=((1<<ADEN)|(1<<ADPS2));//使能AD轉(zhuǎn)換 ADC 16預(yù)分頻 </p><p>　　ADCSRA|=1<<ADSC;//啟動(dòng)單次轉(zhuǎn)換</p><p>　　while(~(0XEF|ADCSRA));//等待轉(zhuǎn)換完成&

49、lt;/p><p>　　adcl=ADCL;adch=ADCH;//讀取轉(zhuǎn)換值</p><p>　　adc=5000/1024*(adch*256+adcl);//10位精度 參考電壓5000mV</p><p>　　return adc；</p><p><b>　　}</b></p><p>　　

50、2.2.4 1602液晶現(xiàn)場(chǎng)顯示</p><p>　　1602屬于工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16*02即32個(gè)字符。（16列2行）。</p><p>　　引腳說明：1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線。VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣。詳細(xì)說明如下</p><p>&l

51、t;b>　　寄存器選擇控制表</b></p><p><b>　　字符集</b></p><p>　　1602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)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯

52、示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。</p><p>　　因?yàn)?602識(shí)別的是ASCII碼，試驗(yàn)可以用ASCII碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如'A’。</p><p><b>　　顯示地址</b></p><p>　　寫顯示位置時(shí)要求數(shù)據(jù)最高位D7恒為高電平，例如，要在第一行

53、第二列顯示一字符，此位置地址為01H，則應(yīng)先寫入數(shù)據(jù)81H，再寫入字符數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　基本操作時(shí)序</b></p><p>　　1.讀狀態(tài)：輸入：RS=L,RW=H,E=H 輸出：D0~D7=狀態(tài)字</p><p>　　2.寫指令：輸入：RS=L,RW=L,D0~D7=指令碼，E=上升沿 </p>&l

54、t;p>　　3.讀數(shù)據(jù)：輸入：RS=H,RW=H,E=H 輸出：D0~D7=數(shù)據(jù)</p><p>　　4.寫數(shù)據(jù)：輸入：RS=H,RW=L,D0~D7=數(shù)據(jù)，E=上升沿 </p><p>　?。看螌?duì)控制器進(jìn)行讀寫操作之前，都必須進(jìn)行讀寫忙檢測(cè)，確保STA7即D7為0）</p><p><b>　　初始化過程（復(fù)位）</b><

55、;/p><p>　　1.寫指令38H：顯示模式設(shè)置</p><p><b>　　2.延時(shí)5ms</b></p><p>　　3.寫指令0Fh:開顯示，有光標(biāo)且光標(biāo)閃爍</p><p><b>　　4.延時(shí)5ms</b></p><p>　　5.寫指令06H：設(shè)置為光標(biāo)右移，文字不

56、動(dòng)</p><p><b>　　6.延時(shí)5ms</b></p><p>　　7.寫指令01H:清除顯示</p><p><b>　　8. 延時(shí)5ms</b></p><p>　　可通過按鍵設(shè)置為1602現(xiàn)場(chǎng)顯示氣象數(shù)據(jù)或是設(shè)置為無線傳輸數(shù)據(jù)至上位機(jī)，兩種方式選擇一種則另一種被關(guān)閉以減省功耗。<

57、/p><p><b>　　2.3數(shù)據(jù)傳輸</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)中采用無線方式傳輸數(shù)據(jù)，選用的無線傳輸模塊為PTR2000,它是一種超小型、低功耗、高速率的無線收發(fā)數(shù)據(jù)傳輸模塊，使用的是挪威Nordic公司推出的nRF401 無線通信芯片。該芯片使用了433MHz IGM頻段，是真正的單片UHF無線收發(fā)一體芯片。采用抗干擾能力較強(qiáng)的FSK調(diào)制/解調(diào)方式，其工作

58、頻率穩(wěn)定可靠、外圍元件少、功耗極低且便于設(shè)計(jì)生產(chǎn)，這些優(yōu)異特性使得PTR200非常適合于便攜及手持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。另外，由于它采用了低發(fā)射功率、高靈敏度設(shè)計(jì)，因而可滿足無線管制的要求且無需使用許可證，是目前低功率無線數(shù)傳的理想選擇。</p><p>　　PTR2000的主要特征如下：</p><p>　　該器件將接收和發(fā)射合接為一體；</p><p>　　工作頻率為國(guó)際

59、通用的數(shù)傳頻段433MHZ；</p><p>　　采用FSK調(diào)制/解調(diào)，可直接進(jìn)入數(shù)據(jù)輸入/輸出，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合；</p><p>　　采用DDS（直接數(shù)據(jù)合成）+PLL頻率合成技術(shù)，因而頻率穩(wěn)定性極好；</p><p>　　靈敏度高達(dá)—105bBm;</p><p>　　工作電壓低（最低2.7V），功耗小，接受待機(jī)狀態(tài)電

60、流僅為8μA；</p><p>　　具有兩個(gè)頻道，可滿足需要多信道工作的場(chǎng)合；</p><p>　　工作數(shù)率最高達(dá)20kbit/s(也可在較抵速率下工作，如9600bps);</p><p>　　超小體積，約40×27×5mm3;</p><p>　　可直接與單片機(jī)串口進(jìn)行連接，也可以用RS232與計(jì)算機(jī)接口，軟件編程非常

61、方便；</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)的DIR引腳間距更適合于嵌入式設(shè)備；</p><p>　　由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏的設(shè)計(jì)，因此使用時(shí)無需申請(qǐng)?jiān)S可證，開闊地時(shí)的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000米。</p><p>　　PTR2000引腳排列及功能</p><p>　　PTR2000模板的引腳排列如圖1所示。各引腳的功能說明如下；</p&g

62、t;<p>　　VCC（1腳）；下輸入端，電壓范圍為2.7~5.25V；</p><p>　　CS（2腳）：頻道選擇端。CS=0時(shí)，選擇工作頻道1，即433.92MHz頻道；CS=1,芯片工作于頻道二，即434.33MHz.</p><p>　　DO（3腳）：數(shù)據(jù)輸出端；</p><p>　　DI（4腳）：數(shù)據(jù)輸入端</p><p&

63、gt;　　GND（5腳）：電源地</p><p>　　PWR（6腳）：低功耗控制端。當(dāng)PWR=1時(shí)，模塊處于正常工作狀態(tài)，PWR=0時(shí)，模塊處于待機(jī)微功耗狀態(tài)；</p><p>　　TXTN（7腳）：發(fā)射/接收控制端。當(dāng)TXTN=1時(shí)，模塊為發(fā)射狀態(tài)；當(dāng)TXTN=0時(shí)，模塊被設(shè)置為接受狀態(tài)。</p><p>　　PTR2000可與所有單片機(jī)配合使用，可直接接單片機(jī)的

64、串口或I/O口，也可與計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行通訊，此時(shí)需要在中間簡(jiǎn)單地接在一個(gè)RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，如MAX232等。</p><p>　　圖2.7 PTR2000與計(jì)算機(jī)串口的典型連接方式</p><p>　　ATmega16串行通信</p><p>　　ATmega16的通用同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器(USART) 是一個(gè)高度靈活的串行通訊設(shè)備。主要特點(diǎn)為：<

65、/p><p>　　? 全雙工操作( 獨(dú)立的串行接收和發(fā)送寄存器)</p><p><b>　　? 異步或同步操作</b></p><p>　　? 主機(jī)或從機(jī)提供時(shí)鐘的同步操作</p><p>　　? 高精度的波特率發(fā)生器</p><p>　　? 支持5, 6, 7, 8, 或9 個(gè)數(shù)據(jù)位和1 個(gè)或2

66、個(gè)停止位</p><p>　　? 硬件支持的奇偶校驗(yàn)操作</p><p><b>　　? 數(shù)據(jù)過速檢測(cè)</b></p><p><b>　　? 幀錯(cuò)誤檢測(cè)</b></p><p>　　? 噪聲濾波，包括錯(cuò)誤的起始位檢測(cè)，以及數(shù)字低通濾波器</p><p>　　? 三個(gè)獨(dú)立的中

67、斷：發(fā)送結(jié)束中斷, 發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空中斷，以及接收結(jié)束中斷</p><p>　　? 多處理器通訊模式</p><p>　　? 倍速異步通訊模式</p><p><b>　　ICC代碼示例</b></p><p>　　void uart_init(unsigned int baud)//串行通信初始化</p>

68、<p><b>　　{</b></p><p>　　UCSRB=0x00; //UART收發(fā)允許 中斷允許</p><p>　　UCSRA=0x02;//收發(fā)完成，錯(cuò)誤 狀態(tài)寄存器清零 </p><p>　　//設(shè)為雙倍速 減小波特率設(shè)置誤差</p><p>　　UCSRC=(1<<URSEL)|

69、(0<<UPM0)|(3<<UCSZ0);//通信模式設(shè)置寄存器 選擇UCSRC，異步模式，禁止校驗(yàn)，1位停止位，8位數(shù)據(jù)位</p><p>　　baud=mclk/8/baud-1;</p><p>　　UBRRL=baud%256;</p><p>　　UBRRH=baud/256;//設(shè)置波特率</p><p>

70、　　UCSRB=(1<<TXEN)|(1<<RXEN)|(1<<RXCIE); //接收、發(fā)送使能，接收中斷使能</p><p>　　SREG=BIT(7);//全局中斷開放</p><p>　　DDRD|=0X02;//配置TX為輸出</p><p><b>　　}</b></p><p

71、><b>　　RS232</b></p><p><b>　　VB串口通信</b></p><p>　　VB中可利用MSComm控件實(shí)現(xiàn)串行通信, VB的MSComm控件提供了兩種處理通信的方式：一種為事件驅(qū)動(dòng)方式，該方式相當(dāng)于一般程序設(shè)計(jì)中的中斷方式。當(dāng)串口發(fā)生事件或錯(cuò)誤時(shí)，MSComm控件會(huì)產(chǎn)生OnComm事件，用戶程序可以捕獲該事件進(jìn)

72、行相應(yīng)處理。另一種為查詢方式，在用戶程序中設(shè)計(jì)定時(shí)或不定時(shí)查詢MSComm控件的某些屬性是否發(fā)生變化，從而確定相應(yīng)處理。在程序空閑時(shí)間較多時(shí)可以采用該方式。利用MSComm控件實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)通信的關(guān)鍵是理解并正確設(shè)置MSConun控件眾多屬性和方法。以下是MSComm控件的常用屬性和方法：</p><p>　　1．Commport：設(shè)置或返回串口號(hào)。</p><p>　　2．Settings：

73、以字符串的形式設(shè)置或返回串口通信參數(shù)。</p><p>　　3．Portopen：設(shè)置或返回串口狀態(tài)。</p><p>　　4．InputMode：設(shè)置或返回接收數(shù)據(jù)的類型。</p><p>　　5．Inpuren：設(shè)置或返回一次從接收緩沖區(qū)中讀取字節(jié)數(shù)。</p><p>　　6．InBufferSize：設(shè)置或返回接收緩沖區(qū)的大小，缺省值為

74、1024字節(jié)。</p><p>　　7．InBufferCount：設(shè)置或返回接收緩沖區(qū)中等待計(jì)算機(jī)接收的字符數(shù)。</p><p>　　8．Input：從接收緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)并清空該緩沖區(qū)，該屬性設(shè)計(jì)時(shí)無效，運(yùn)行時(shí)只讀。</p><p>　　9．OutBufferSize：設(shè)置或返回發(fā)送緩沖區(qū)的大小，缺省值為512字節(jié)。</p><p>　　

75、10．OutBufferCount：設(shè)置或返回發(fā)送緩沖區(qū)中等待計(jì)算機(jī)發(fā)送的字符數(shù)。</p><p>　　11．Output：向發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)，該屬性設(shè)計(jì)時(shí)無效。運(yùn)行時(shí)只讀。</p><p>　　12．Rthreshold：該屬性為一閥值。當(dāng)接收緩沖區(qū)中字符數(shù)達(dá)到該值時(shí)，MSGomm控件設(shè)置Conunevent屬性為ComEvReceive。并產(chǎn)生OnComm事件。用戶可在OnComm事

76、件處理程序中進(jìn)行相應(yīng)處理。若Rthreshold屬性設(shè)置為0。則不產(chǎn)生OnComm事件。例如用戶希望接收緩沖區(qū)中達(dá)到一個(gè)字符就接收一個(gè)字符，可將Rthreshold設(shè)置為1。這樣接收緩沖區(qū)中接收到一個(gè)字符，就產(chǎn)生一次OnComm事件o</p><p>　　13．Sthreshold：該屬性亦為一閥值。當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)中字符數(shù)小于該值時(shí)。MSComm控件設(shè)置Commevent屬性為ComEvSend，并產(chǎn)生OnComm

77、事件。若Sthreshold屬性設(shè)置為0，則不產(chǎn)生OnComm事件。要特別注意的是僅當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)中字符數(shù)小于該值的瞬間才產(chǎn)生OnComm事件。其后就不再產(chǎn)生OnComm事件。例如Sthreshold設(shè)置為3，僅當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)中字符數(shù)從3降為2時(shí)，MSComm控件設(shè)置Commevent屬性為ComEvSend，同時(shí)產(chǎn)生OnComm事件。如發(fā)送緩沖區(qū)中字符始終為2，則不會(huì)再產(chǎn)生OnComm事件；這就避免了發(fā)送緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)未發(fā)送完就反復(fù)發(fā)生On

78、Comm事件。</p><p>　　14．CommEvent：這是一個(gè)非常重要的屬性。該屬性設(shè)計(jì)時(shí)無效，運(yùn)行時(shí)只讀。一旦串口發(fā)生通信事件或產(chǎn)生錯(cuò)誤，依據(jù)產(chǎn)生的事件和錯(cuò)誤，MSComm控件為CommEvent屬性賦于不同的代碼，同時(shí)產(chǎn)生OnComm事件。用戶程序就可在OnConun事件處理程序中針對(duì)不同的代碼，進(jìn)行相應(yīng)的處理。</p><p><b>　　2.3數(shù)據(jù)處理</b

79、></p><p>　　上位機(jī)軟件用Visual Basic語言編寫，上位機(jī)軟件接收到測(cè)得數(shù)據(jù)后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，顯示和儲(chǔ)存。</p><p>　　上位機(jī)軟件接收到采集得的數(shù)據(jù)后可顯示在軟件界面上，繪制出溫度、濕度及氣壓隨時(shí)間的變化曲線。還可根據(jù)需要在上位機(jī)中儲(chǔ)存氣象數(shù)據(jù)，以供長(zhǎng)期氣象的監(jiān)測(cè)和分析。</p><p><b>　　2.4光伏電源</b&g

80、t;</p><p>　　下位機(jī)采用節(jié)能環(huán)保的光伏電源供電。</p><p>　　光伏發(fā)電的基本原理就是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能。當(dāng)太陽光(或其他光)照射到太陽能電池上時(shí)，電池吸收光能，產(chǎn)生光生電子一空穴對(duì)。在電池內(nèi)建電場(chǎng)作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極，并接上負(fù)載，則負(fù)載就有“光生電流”流過。<

81、/p><p>　　太陽能電池板受環(huán)境的影響輸出電壓不穩(wěn)定，所以一般不單獨(dú)作為電源使用，要配合充放電控制器和蓄電池才能為負(fù)載提供穩(wěn)定的電源。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中光伏電源主要包括以下三個(gè)部分</p><p>　　太陽能電池板：光伏電源的核心部分，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能。</p><p>　　充放電控制器：快速、平穩(wěn)、高效地為蓄電池充電，同時(shí)

82、保護(hù)蓄電池，避免過放和過充現(xiàn)象?？刂破鞯淖钪饕墓δ芫褪峭ㄟ^檢測(cè)蓄電池的電壓或荷電狀態(tài)，判斷蓄電池是否已經(jīng)達(dá)到過充點(diǎn)或放充點(diǎn)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果發(fā)出繼續(xù)充、放電或終止充、放電的指令?？刂破鞯墓δ艹吮O(jiān)測(cè)判斷是否繼續(xù)充放電，為了保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行還要對(duì)充放電過程進(jìn)行保護(hù)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中采用MAX1641進(jìn)行充放電控制。MAXl641是一個(gè)充電效率高達(dá)95％的CMOS型、輸出電壓可調(diào)的器件。開關(guān)電流控制模式

83、的降壓型DC-DC變換器集成電路。輸入電范圍為5．5～26 V，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍是2～24 V的微處理器控制供電電池的充電電源電路。由MAXl641構(gòu)成的具有智能控制功能的快速充電電路如圖2.8所示。該電路通過對(duì)Do和D，的輸入狀態(tài)進(jìn)行智能控制，并對(duì)充電電池的充電狀態(tài)的檢測(cè)結(jié)果來隨時(shí)調(diào)整充電狀態(tài)和充電模式。圖2中電路的輸入是一個(gè)小型太陽能電池；輸出的電壓范圍為5．5～26 V，經(jīng)過一個(gè)防反沖二極管作為MAX1641的輸入電壓。因?yàn)樘柲?/p>

84、電池受光強(qiáng)的影響并非總是能提供電能，當(dāng)光強(qiáng)太弱而不能發(fā)電時(shí)，待充電電池會(huì)反向給太陽能電池供電，二極管D3就能避免反向供電。</p><p>　　圖2.8 MAX1641構(gòu)成的12V輸出降壓型電路</p><p>　　D0和D1的輸入狀態(tài)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的工作模式和輸出電流關(guān)系：</p><p>　　輸出的充電電壓與外部分壓器電阻R5和R4之間的關(guān)系可由下式給出：</

85、p><p>　　R5=R4×((Vout／V)-1) (1)</p><p>　　式中：R4的取值范圍為10～500 kQ，V=2 V。</p><p>　　該應(yīng)用電路中的D1和D0的輸入狀態(tài)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的工作模式和輸出電流關(guān)系如表所示。</p><p>　　當(dāng)然，這些參數(shù)可調(diào)整。R2=R3×((Vref／Vset)-1)，Vr

86、ef=2 V，10 kΩ<R5<300KΩ，Vset與輸出充電電流成正比。</p><p>　　蓄電池：將太陽能電池發(fā)出的直流電儲(chǔ)存起來，并根據(jù)需要向負(fù)載供電。一般選用鉛酸蓄電池。在陽光充足時(shí)太陽能電池板通過充放電控制器為數(shù)據(jù)采集端供電并為蓄電池充電，陽光不足時(shí)則由直接蓄電池向數(shù)據(jù)采集端供電。</p><p>　　光伏電源的輸出電壓經(jīng)過DC-DC變換為5V后才能為數(shù)據(jù)采集端的數(shù)

87、據(jù)采集電路和無線數(shù)傳模塊提供電源。</p><p><b>　　3．結(jié)束語</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用多種高性能低功耗的電子器件，最終能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度、濕度、氣壓這三種氣象信息的實(shí)時(shí)采集、分析和儲(chǔ)存。能夠滿足小型氣象觀測(cè)的需要。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>

88、;　　[1] Atmel Corporation.ATmega16-16L Data Sheet. 2004</p><p>　　[2]劉紅兵?；陔p單片機(jī)的智能遙測(cè)微型氣象站。南京信息工程大學(xué)：大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境.2006</p><p>　　[3]戴佳，戴衛(wèi)恒。51單片機(jī)C語言應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例精講。北京：電子工業(yè)出版社，2007</p><p>　　[4]張永和，