基于STC單片機的氣象監測系統的設計與應用

葉成彬，郭志雄，陳賢鈺

（華南理工大學廣州學院 電氣工程學院，廣州510800）

氣象監測站大多利用電子設備或計算機控制傳感器對氣象要素進行監測，在氣象、海洋、機場、農業環境等方面有著廣泛應用[1]。然而，市場上的大型的氣象監測系統價格普遍昂貴，各類小型氣象系統所檢測的空氣要素相對單一。在此設計的小型氣象監測系統，更適合于需要監測多項氣象要素的用戶。該系統通過多種傳感模塊可對CO2，PM 2.5，風速、風向模塊、溫度及濕度等六類氣象要素做到實時在線監測、顯示，采用光伏離網系統供電[2]，便于隨時調整監測位置， 能夠顯著降低用戶的使用成本。經多次測試結果表明，該氣象監測系統能夠有效監測多個氣象要素信息，具有穩定性良好、實時性高、監測精度高等特點[3-4]。

1 氣象監測系統系統方案設計

氣象監測系統以STC15W 單片機作為核心處理器，在線實時讀取空氣質量傳感器模組、風速風向傳感器以及溫濕度傳感器監測數據，以原廠提供的數據轉換公式及濾波算法換算出相應的氣象數要素數據，并在液晶屏進行實時刷新顯示。系統方案設計如圖1所示。

圖1 系統方案設計Fig.1 System design

2 系統硬件設計

2.1 空氣質量傳感器模組

空氣質量傳感器模組內置激光顆粒傳感器、紅外非分光二氧化碳傳感器及電化學與半導體原理相結合的甲醛/TVOC 傳感器。這些傳感器分別用于獲取顆粒物濃度、CO2和甲醛/總揮發性有機化合物TVOC（total volatile organic compounds）濃度，以串口通信方式對外輸出由多個參數數據組成的有效數據包。該模組通過優化內部結構，使得空氣在模組內部的路徑與各傳感器的取樣接口更好地結合，從而保障各傳感器的靈敏度[5]。空氣質量傳感器模組硬件系統如圖2所示。

圖2 空氣質量傳感器模組硬件系統Fig.2 Air quality sensor module hardware system

空氣質量傳感器模組串口TTL 通信波特率為115200 b/s，18 個字節數據包，數據傳輸周期1 s。數據包格式如圖3所示。空氣質量傳感器模組與單片機串口通信接口電路如圖4所示。

圖3 數據包格式Fig.3 Packet format

圖4 空氣質量傳感器模組接口電路Fig.4 Air quality sensor module interface circuit

2.2 風速風向傳感器

風速風向傳感器為分體式設計，互為獨立。其中， 風速傳感器采用傳統的三風杯風速傳感器結構，內置的信號處理單元能根據用戶需求輸出相應的風速信號[6]。風向傳感器內置精密角度傳感器，選用低慣性輕金屬風向標，響應風向快，具有量程大、線性好、精度高的特點[7]。風速風向傳感器均采用0～5 V 電壓輸出模式，風速計算公式為

式中：W 為風速示值，m/s；V 為電壓信號，V，V=0～5 V。風速風向傳感器與單片機模數轉換（A/D）接口電路如圖5所示。

圖5 風速風向傳感器接口電路Fig.5 Wind speed and direction sensor interface circuit

2.3 光伏離網戶用供電系統的設計

光伏離網戶用供電系統由太陽電池組件、控制器、蓄電池構成。太陽能電池板組件采用輸出電壓為12 V，峰值產50 W，工作電流性能穩定，理論轉換效率為18%的單晶硅太陽電池板； 蓄電池采用12 V，38 A·h 的光合硅能蓄電池；光合太陽能控制器起到控制光伏離網戶用系統的充電、放電、變壓輸出的作用。光伏離網戶用系統框架如圖6所示。

圖6 光伏離網戶用供電系統框架Fig.6 Frame of photovoltaic off-grid household power supply system

該氣象檢測系統控制器，其總功耗通過數字功率監測儀測量，為1.85 W；其連續工作時間為24 h。系統工作電壓為12 V；損耗系數取值為0.7，安全系數取值為2；峰值日照時間按5 h 計算，連續工作陰雨天數為15 d。

太陽電池功率為

式中：P 為太陽能電池功率；PL為用電功率；t 為用電時間；T 為峰值日照時數；Cz為損耗系數（修正系數），主要為衰減、組合、灰塵、充電效率等損失，一般取Cz=0.7。根據該式可計算出系統所需太陽電池的功率約為12.68 W。

蓄電池容量為

式中：Bc為蓄電池容量；PL為用電功率；t 為用電時間；U 為系統工作電壓；NL為連續工作陰雨天數；k為安全系數，通常取k=1.1～1.4。根據該式可計算出系統能連續工作的蓄電池容量約為77.7 A·h。

用戶可根據不同地區峰值日照時數、所需連續工作陰雨天數等情況的不同，參照式（1）（2）選用不同規格的蓄電池及太陽能電池[8-9]。

3 系統軟件設計

系統軟件設計采用模塊化設計思路，分別設計了系統主程序、 空氣質量傳感器模組數據采集程序、溫濕度傳感器數據采集程序、風速風向傳感器數據采集程序、電子時鐘數據讀/寫程序、液晶屏顯示數據程序、按鍵掃描程序等[10]。

3.1 系統主程序設計

在多次實物模型調試過程中發現，控制器每次重新上電，空氣質量傳感器模組回傳的氣象要素數據更新較慢，導致用戶體驗不佳，歸其原因有：

1）空氣質量傳感器模組與控制器核心芯片工作頻率不一，從而芯片上電初始化速度不同步；

2）空氣質量傳感器模組初始化后，以主動式間隔1 s 通過串口向控制器發送數據包，然而此時控制器芯片尚未完成初始化或尚未使能串口接收數據，導致第一次未能接收到完整的數據包，則液晶屏不會刷新空氣質量傳感器模數回傳的氣象要素數據。

為解決上述問題，采取控制器上電后液晶屏先顯示項目設計LOGO，同時采集、計算和判別各類氣象要素數據，2.5 s后液晶屏初始化顯示界面及刷新氣象要輸數據。

氣象監測站主控板主程序總體設計思路如下：系統上電后單片機內部進行復位， 接著配置所有I/O為普通輸入輸出工作模式； 配置單片機第2 和第3個串口通信波特率為115200 b/s， 無校驗，1 位停止位工作模式；刷新液晶屏顯示界面，配置定時器T0和T4 分別為50，2 ms 的中斷觸發模式。然后，程序進入死循環數據采集、 運算及顯示刷新數據模式，即接收到完整的空氣質量傳感器模組回傳數據包，則對相關氣象要素數據進行運算，并判斷數據發生變化時刷新液晶屏顯示數據。

同理，可處理風速風向傳感器、溫濕度傳感器、電子時鐘模塊等數據的運算及刷新顯示。系統主程序設計流程如圖7所示。

圖7 系統主程序設計流程Fig.7 System main program design flow chart

3.2 空氣質量傳感器模組數據采集程序設計

空氣質量傳感器模組通過串口主動式間隔1 s對外發送包頭為0x01，0x03，0x0c 的18 個字節數據包，串口工作模式位通信波特率115200 b/s、無校驗、1 位停止位， 因此系統使用單片機串行口3 接收空氣質量傳感器模組數據。考慮到實際應用中，單片機與空氣質量傳感器模組通信可能受到外部環境干擾，偶爾出現通信數據異常，從而導致接收到的數據包不真實、亂碼等情況，因而需對數據包頭進行識別，以及接收到完整數據包后進行CRC 校驗計算，以確保數據的真實性。

控制器單片機串口3 接收空氣質量傳感器模組數據過程中，包頭數據僅用于識別，不做存儲。

4 樣機調試及結果分析

使用鋁合金方管制作樣機整體支架，根據三維模型設計的尺寸形狀進行搭建，將氣象監測系統控制器硬件電路整合到一塊電路板，預留相應功能模塊的專用接口。氣象監測系統控制器液晶顯示界面、氣象監測系統樣機分別如圖8、圖9所示。

圖8 氣象監測系統控制器液晶顯示界面Fig.8 Meteorological monitoring system controller LCD interface

5 結語

所設計的基于STC15W 單片機的氣象監測系統， 通過光伏離網戶用系統供電達到節能減排效果，空氣質量傳感器模組、AM2302 溫濕度傳感器和風速風向傳感器能提供準確氣象要素數據，氣象監測控制板核心芯片能實時采集和刷新液晶屏顯示的相關氣象要素數據，用戶可直觀了解氣象相關要素信息。雖然氣象監測系統樣機已完成且實現需要的功能， 但要將該樣機大規模推廣到實際應用中，還需要結合不同用戶的需求進行優化改進。

圖9 氣象監測系統樣機Fig.9 Prototype of meteorological monitoring system