基于蓝牙技术的智能气象站系统设计.docx
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基于蓝牙技术的智能气象站系统设计
泉州师范学院
毕业论文（设计）
题目基于蓝牙技术的智能气象站系统设计
TheDesignofIntelligentWeatherStationSystembasedonBlootoochTechnology
物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业07级1班
学生姓名陈泉勇学号070303037
指导教师仲伟博职称副教授
完成日期2011年4月15日
教务处制
基于蓝牙技术的智能气象站系统设计
物理与信息工程学院07级电子信息科学与技术070303037陈泉勇
指导教师仲伟博副教授
【摘要】一种基于HC-06蓝牙模块的智能气象站系统，系统采用STC系列单片机控制，以DHT21温湿度传感器和根据时差法原理的超声波传感器实现对环境的温湿度和风速风向进行采集，并通过蓝牙无线传输到接收模块将温湿度和风向风速数据显示在LCD1602上。
DHT21数字温湿度传感器数据线为单总线；超声波测风模块通过单片机发射40kHz的脉冲信号，应用CD4052选通发射与接收回路。
【关键词】STC89C52HC-06蓝牙模块DHT21超声波传感器智能气象站
第一章引言
1.1本设计的背景
温度、湿度、风速、风向等气象条件与生产生活密切相关，如果采用人工进行定时监测，不仅浪费大量的人力，而且不能做到实时监控；如果采用有线测控系统则需要铺设光缆或电缆，这样不但增加了成本，而且降低了系统的灵活性和可扩展性，还具有线路多、布线复杂、维护困难等缺点，使用区域也有一定的局限性。
针对上述的问题，提出了采用传感器技术、自动控制技术和无线蓝牙技术相结合的智能气象站系统对环境气象进行实时监测。
与多种无线通信技术[1]相比，蓝牙技术具有应用广泛性，传输速率高，穿透性强，低功耗及准确性等优点。
机械式风向风速传感器因其易损坏、精度不高等缺点，而逐渐被更优良的传感器所代替，其中基于时差法的超声波风速风向传感器就是其中之一。
1.2本设计的系统方案
1.2.1系统的功能实现
通过温湿度及风速风向传感器采集环境的温湿度、风速风向信号，将信号处理然后通过无线传输到距离十多米的地方进行显示，实现实时监测环境的温度、湿度、风向和风速，给人们生产生活提供环境气象参数，从而合理的安排生产生活。
1.2.2系统的技术实现
1.DHT21数字温湿度传感器，内部包含一个电容式感湿元件和NTC测温元件，还有A/D转换模块，实现温湿度数字信号输出。
同时DHT21又是单总线形式，与单片机相连减少了I/O口的使用。
2.超声波测风模块，根据时差法原理，在一定距离下分别测量超声波的逆风和顺风传输时间，然后通过公式求解风速的大小。
然后分别测得两个垂直方向的风速，再通过公式计算出此时的风向。
理论上风速测量范围可以通过调整传感器的距离而改变。
3.采用STC89C52单片机控制单元[2]，产品较为普遍，价格便宜，易于控制。
对STC89C52用C语言编写程序，可读性较好。
4.无线通信采用全球广泛使用的蓝牙技术，本设计采用HC-06蓝牙模块，该模块可实现十米的无线数据传输。
5.LCD1602液晶显示器为工业字符型液晶，能够显示32个字符，可实现对数据进行简单显示。
第二章气象站系统的组成框图
气象站系统分为发送和接收两个模块：
发送模块主要由温湿度采集模块、风速风向采集模块、单片机控制模块、蓝牙发送模块、报警模块和电源模块等组成；接收模块主要由蓝牙接收模块、单片机控制模块、液晶显示模块、电源模块和报警模块等组成。
具体框图如下：
2.1气象站发送模块框图
信号采集发送过程[3]为DHT21、超声波测风模块[4]将信号传给STC89C52单片机，单片机将信号处理，并进行超温湿度、风速报警。
处理后的信号经串口发送给HC-06蓝牙发射模块发射出去，采用2.4GHZ全球免费波段。
2.2气象站接收模块框图
信号接收过程为HC-06蓝牙接收模块接收信号，将信号通过串口传输给STC89C52单片机处理，如果超过温湿度、风速上限，将控制报警器报警。
处理后的信号通过LCD1602液晶显示。
第三章气象站系统硬件设计
3.1发送与接收模块的单片机最小系统
本系统采用MCS-51系列STC89C52单片机芯片[5]作为发送与接收模块的控制单元，芯片具有如下特点：
（1）抗干扰性强；
（2）低价格；
（3）低功耗：
掉电模式耗电低于0.1uA，正常工作模式为4mA～7mA，掉电模式可由外部中断唤醒，适用于电池供电系统；
（4）处理速度快，最高主频为90MHZ；
（5）通过MAX232电平转换芯片即可进行下载，编程方式灵活，可用C语言进行编写，可读性强，8KB的内部ROM增强编程方便性。
发送与接收模块的控制单元电路原理图如图3.1：
图3.1STC89C52单片机最小系统
图3.1中间部分为STC89C52芯片，该芯片采用40脚双列直插DIP封装，第40脚接+5V电源，第20脚接地，左上部分为复位电路，接单片机的第9脚，但按下键时即对系统进行复位。
左下为晶振电路，采用11.0592MHZ的晶振。
第31脚接高电平。
3.2发送与接收模块的无线通信模块——HC-06蓝牙模块
3.2.1蓝牙技术简介
蓝牙技术[6]是一种近距离地保证可靠接收和信息安全的无线通信技术。
于1998年5月由爱立信、英特尔、诺基亚、东芝和IBM等五大公司组成的SIG（SpecialInternetGroup）联合制定的标准。
蓝牙技术工作在全球通用的2.4GHzISM频段，数据传输速率为1Mbps。
蓝牙技术特点[7]：
（1）完好的替代功能：
蓝牙所用的无线通道像有线电缆一样准确无误地发送和接收数据；
（2）信息安全性高：
蓝牙技术采用跳频技术能很好的保证信息的安全性；
（3）承载能力强：
同时连接多个设备，支持不同类型（如声音和数据）的信息的发送与接收；
（4）超低功耗：
设备可用电池供电；
（5）致密性高：
蓝牙芯片内部结构复杂但体积小；
（6）全球通用。
3.2.2HC-06蓝牙模块部分电路
HC-06蓝牙模块[8,9,10]主要性能参数：
（1）频率：
2.4GHzISMband
（2）调制方式：
GFSK
（3）发射功率等级：
class2
（4）灵敏度：
≦-80dBm
（5）通信速率：
2Mbps
（6）供电电源：
3.3V
（7）工作温度：
-20~+55℃
HC-06蓝牙模块部分电路图如图3.2.1：
图3.2.1HC-06蓝牙模块部分电路
图3.2左边部分为蓝牙芯片，其TX与RX引脚分别接STC89C52的RXD（P3.0）和TXD（P3.1），PIO1接LED灯，当LED常亮时表示蓝牙数据开始传输。
右上部分为电源+5V转为+3.3V电路。
HC-06蓝牙模块实物如图3.2.2：
图3.2.2HC-06蓝牙模块
3.3DHT21数字温湿度传感器
3.3.1DHT21简介
DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包含一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能的8位单片机相连。
因此该传感器响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点。
单总线串行接口，使系统变得简单快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上。
传感器为4针单排引脚封装。
其性能指标如表3.3.1。
测量范围
精度
分辨力
湿度
（0—100）%
±3%
0.1%
温度
（-20—60）℃
±1℃
0.1℃
表3.3.1性能指标
DHT21引脚图如图3.3.1。
本设计将1脚接电源+5V，2接STC89C52的I/O口P1.0，3脚接地。
图3.3.1
DHT21为单总线数据输出口，如图3.3.1,1脚接电源+5V，2脚接数据线，3脚接地，4脚置空。
DATA用于与单片机进行通信和同步，数据格式为：
40bit数据=16bit湿度数据+16bit温度数据+8bit校验和，湿度高8位+湿度低8位+温度高8为+温度低8位=校验和，当温度低于0℃时，温度数据的最高位置1。
DHT21与单片机数据传送过程如图3.3.2。
图3.3.2
空闲时总线为高电平，通信开始时单片机拉低总线500μs后释放总线，延时2040μs后单片机开始检测DHT21的响应信号；从机的响应信号时一个80μs左右的低电平，随后主机再拉高总线80μs左右代表即将进入数据传送状态，如图3.3.3。
图3.3.3
高电平后就是数据位，每1bit数据都是由一个低电平时隙和一个高电平组成，低电平表示数据的起始，其后的高电平表示数据位。
数字1信号表示方法如图3.3.4。
图3.3.4
数字0信号表示方法如图3.3.5。
图3.3.5
一次传送共40bit数据，当传送完最后一位数据后，DHT21拉低总线50μs左右，随后释放总线，由上拉电阻拉高总线。
DHT21实物如图3.3.6。
图3.3.6DHT21数字温湿度传感器
3.4超声波风速风向传感器及其电路部分
3.4.1超声波风速风向传感器原理
超声波在空气中传播时，顺风与逆风条件下存在速度差。
当传播距离固定时，此速度差反映为时间差[11]。
如图3.4.1，选定一对超声波收发传感器，在无风条件下超声波的风速为，假设风速为，
图3.4.1
则超声波在顺风下速度=+，逆风则为=-。
设超声波顺风传播时间为，逆风传播时间为，超声波收发距离为。
得：
求解方程得：
（1）
由此求得一维的风速，当在垂直方向再放置一对超声波收发传感器时，可测得二维的风速，如图3.4.2所示，假设1、2方向所测的风速为，3、4方向所测的风速为，则风速
图3.4.2
，即
（2）
假设与之间的夹角为，又，所以
=（3）
随着风从0º~360º的变化，
=（4）
所以只要测得、、、的值便可求出风速、风向的大小。
3.4.2超声波风速风向传感器电路组成原理
超声波风速风向传感器电路组成原理框图如图3.4.3，图中的双向四通道选通开关即为
CD4052模拟开关。
CD4052是一个差分4通道数字控制模拟开关，其引脚图如图3.4.4。
图3.4.4
引脚功能如表3.4.1。
CD4052引脚功能说明
引脚号
符号
功能
1245
IN/OUT
Y通道输入/输出端
11121415
IN/OUT
X通道输入/输出端
910
AB
地址端
3
OUT/IN
Y公共输出/输入端
13
OUT/IN
X公共输出/输入端
6
INH
禁止端
7
VEE
模拟信号接地端
8
Vss
数字信号接地端
16
VDD
电源+
表3.4.1
当INH脚位“1”时，所以通道截止，CD4052的真值表如表3.4.2。
本设计将CD4052的A、B引脚与
CD4052真值表
输入状态
“开”通道
INH
B
A
CD4052
0
0
0
X0,Y0
0
0
1
X1,Y1
0
1
0
X2,Y2
0
1
1
X3,Y3
1
*
*
NONE
表3.4.2
STC89C52的I/O口P3.4、P3.5相连，X脚接P3.3；X0、X1、X2、X3引脚分别接超声波传感器S0、S1、S2、S3的发射回路，则Y0接S1的接收回路，Y1接S0的接收回路，Y2接S3的接收回路，Y3接S2的接收回路。
Y脚
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