基于PTR2000的無(wú)線(xiàn)氣象信息采集系統設計

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/C_x^*(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。

V_out=V_cc*(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。