在氣象監(jiān)測(cè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事控制等領(lǐng)域，大氣壓力和溫度是非常重要的物理參數(shù)。文中提出一種基于ST89C52 單片機(jī)和 BMP180 傳感器的高精度大氣壓力和溫度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用 STC89C52 單片機(jī)作為核心控制元件，發(fā)射端通過(guò) BMP180 大氣壓力傳感器采集實(shí)時(shí)的壓力與溫度數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò) nRF2401 射頻模塊發(fā)射數(shù)據(jù)，接收端通過(guò)nRF2401射頻模塊實(shí)時(shí)接收發(fā)射端發(fā)射的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò) STC89C52單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后在 LCD1602液晶上實(shí)時(shí)顯示。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)能對(duì)大氣壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和報(bào)警，最大無(wú)線傳輸距離達(dá)到 10 m，壓力測(cè)試相對(duì)精度為±0.01 kPa，平均相對(duì)誤差在 0.008% 左右。
0 引 言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大氣壓力和溫度測(cè)量在天氣預(yù)報(bào)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)及日常生活等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，人們對(duì)大氣壓力和溫度的測(cè)量要求也隨之越來(lái)越高。針對(duì)現(xiàn)在大氣壓力和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度不高、生產(chǎn)環(huán)境惡劣、不能長(zhǎng)時(shí)間停留在現(xiàn)場(chǎng)等情況[1⁃4]，本文提出了一種高精度的無(wú)線大氣壓力和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)以 STC89C52 單片機(jī)作為核心控制元件，BMP180 傳感器采集大氣壓力和溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)射頻模塊傳輸信息到顯示器上，并在特殊情況下進(jìn)行報(bào)警。
1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體硬件組成為數(shù)據(jù)采集模塊、按鍵控制模塊、監(jiān)控顯示模塊、射頻傳輸模塊和報(bào)警模塊。
1）數(shù)據(jù)采集模塊：采集溫度傳感器、壓力傳感器中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊 BMP180 負(fù)責(zé)環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)到該環(huán)境因子的狀態(tài)時(shí)，通過(guò)射頻通信發(fā)到監(jiān)控顯示模塊。
2）按鍵控制模塊：是一個(gè)普通按鍵開(kāi)關(guān)器件，由于與地相連，當(dāng)按鍵被按下時(shí)，通過(guò)軟件消抖程序，它能正確地進(jìn)行接地操作，實(shí)時(shí)把低電平信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力和溫度閾值的設(shè)置操作。
3）監(jiān)控顯示模塊：專(zhuān)門(mén)顯示傳感器采集的數(shù)據(jù)。
4）射頻傳輸模塊：通過(guò)無(wú)線傳輸，把發(fā)射端發(fā)射的數(shù)據(jù)傳遞到接收端。
5）報(bào)警模塊：采用兩種顏色不同的 LED 燈泡作為報(bào)警設(shè)備，BMP180 傳感器采集的壓力或者溫度數(shù)據(jù)通過(guò)處理后經(jīng)過(guò)射頻模塊發(fā)射，接收端成功接收后單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)壓力和溫度數(shù)據(jù)不滿足閾值的要求時(shí)，LED 燈就會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的閃爍。
1.2 主要硬件選型
1.2.1 核心處理芯片的選擇
目前具備低成本并且編程簡(jiǎn)單的單片機(jī)有兩種，分別是 ATC51 系列和 STC52 系列。由于 ST89C52 單片機(jī)在性能方面優(yōu)于 AT89C51 單片機(jī)，并且成本更低，所以本設(shè)計(jì)采用 STC89C52單片機(jī)。
1.2.2 數(shù)據(jù)采集傳感器和通信
模塊芯片的選擇由于 BMP180傳感器使用方便，在 3.3 V 和 5 V 電壓下都可以工作，并且比 MPX 壓力傳感器性?xún)r(jià)比高，所以本設(shè)計(jì)采用 BMP180傳感器[5⁃6]。
目前市面上通信芯片有許多，其中在過(guò)去比較流行的有紅外通信，以及現(xiàn)在通用的無(wú)線射頻通信，由于nRF2401 射頻模塊相比于紅外通信模塊傳輸距離更遠(yuǎn)，并且穩(wěn)定性比紅外通信模塊更好，所以本設(shè)計(jì)采用nRF2401射頻模塊。
1.3 硬件設(shè)計(jì)模塊
1.3.1 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊核心是 BMP180 壓力傳感器模塊，模塊采集到數(shù)據(jù)之后通過(guò) STC89C52 單片機(jī)進(jìn)行處理，然后交給射頻模塊去發(fā)射。BMP 傳感器與 MCU 連接圖如圖 2所示[7⁃10]。
圖 2 BMP 傳感器與 MCU 連接圖
1.3.2 射頻通信模塊
模塊通過(guò) SPI 端口總線可以輕松調(diào)整發(fā)射功率和工作頻率，由于工作電流低，所以能耗小。在-5 dBm 的工作功率時(shí)僅為 10.5 mA，處在接收模式時(shí)僅為 18 mA。這樣讓節(jié)能設(shè)計(jì)更便利，能夠使得 nRF2401在同一根天線下同時(shí)獲得兩個(gè)差異頻道的數(shù)據(jù)。射頻模塊與 MCU連接圖如圖 3所示。
圖 3 射頻模塊與 MCU 連接圖
1.3.3 按鍵控制模塊
按鍵開(kāi)關(guān)，在軟件程序消抖之下，單片機(jī)能準(zhǔn)確地判斷按鍵是否被按下，從而實(shí)現(xiàn)修改壓力閾值和溫度閾值的功能。按鍵控制電路如圖 4所示。
圖 4 按鍵控制電路圖
2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
2.1 發(fā)送模塊程序
發(fā)送模塊的程序相對(duì)簡(jiǎn)單，發(fā)送端只需通過(guò) I2C 總線讀取 BMP180 傳感器的數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)射頻模塊發(fā)送出去。
2.2 接收模塊程序
接收端射頻模塊接收到數(shù)據(jù)之后，在射頻模塊緩沖區(qū)內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了兩次操作，因?yàn)閴毫?shù)據(jù) pressure 是long 類(lèi)型的，所以對(duì)其一拆為二，一個(gè)取整一個(gè)取余，分兩次發(fā)送，附加上溫度的數(shù)據(jù)，總共數(shù)據(jù)發(fā)送端有三組數(shù)據(jù)。接收端程序流程圖如圖 6所示。
3 結(jié)果分析
3.1 實(shí)物測(cè)試數(shù)據(jù)分析
1）nRF2401傳輸距離測(cè)試發(fā)射端發(fā)射不同的數(shù)據(jù)，每一組發(fā)射數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一組不同的傳輸距離，看接收端是否接收成功，距離測(cè)試結(jié)果如表 1所示。結(jié)果表明有效傳輸距離為 10 m，分析之后發(fā)現(xiàn)與供電電源有一定關(guān)系，另外墻體阻擋，也會(huì)導(dǎo)致相對(duì)傳輸距離不太遠(yuǎn)。
表 1 nRF2401傳輸距離測(cè)試
2）BMP180氣壓數(shù)據(jù)測(cè)試
湖北荊州標(biāo)準(zhǔn)海拔高度是 32.6 m，也就是在計(jì)算過(guò)程中使用此高度作為測(cè)試的最低高度，海拔高度隨測(cè)試地點(diǎn)的變化進(jìn)行變換。通過(guò) 5 組數(shù)據(jù)，海拔高度變化32.6 m，36.6 m，40.6 m，44.6 m，48.6 m 來(lái)計(jì)算，經(jīng)測(cè)試，海拔高度越高，氣壓會(huì)隨之下降，具體測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差、海拔高度因素對(duì)壓力的影響函數(shù)圖分別如表 2 和圖 7所示。
圖 7 海拔高度與壓力函數(shù)關(guān)系圖
3）壓力與溫度對(duì)比測(cè)試
由于在實(shí)際過(guò)程中高度變化不會(huì)太大，因此溫度改變并不多，可以在海拔高度一定的情況下，測(cè)試不同地點(diǎn)的大氣壓數(shù)據(jù)。在測(cè)試過(guò)程中氣壓并不完全隨溫度增加而增加，但通過(guò)函數(shù)圖像分析，大致可以表明溫度會(huì)對(duì)氣壓造成影響。壓力與溫度數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系表如表 3所示，對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系圖如圖 8所示。
圖 8 海拔高度 40.6 m 下壓力與溫度函數(shù)關(guān)系圖
3.2 異常壓力報(bào)警情況
LCD1602顯示PH大氣壓力最大報(bào)警閾值是98 kPa，但是實(shí)測(cè)氣壓值是 102.17 kPa，明顯超過(guò)了最大閾值，所以此時(shí)藍(lán)色 LED 燈泡閃爍。
圖 9 異常壓力報(bào)警情況
4 結(jié) 論
本系統(tǒng)能對(duì)大氣壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)測(cè)和報(bào)警，最大無(wú)線傳輸距離達(dá)到 10 m，大氣壓力測(cè)試相對(duì)精度為±0.01 kPa，平均相對(duì)誤差在 0.008% 左右。在實(shí)際大氣壓力、溫度超過(guò)設(shè)置的最大閾值或者低于設(shè)置的最小閾值時(shí)能進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，經(jīng)數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除了海拔高度因素可以影響大氣壓力之外，溫度因素也會(huì)影響大氣壓力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1] 李會(huì)坤 .基于 S3C2440與 GPRS的嵌入式環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2016.LI Huikun. Design of embedded environment data acquisitionsystem based on S3C2440 and GPRS [D]. Changchun：JilinUniversity，2016.
[2] 侯小華，胡文東，張利利 . 一種大氣壓力傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19（9）：2300⁃2301.HOU Xiaohua，HU Wendong，ZHANG Lili. Design of altime⁃ter and barometer module monitor system based on CC2430 [J].Computer measurement & control，2011，19（9）：2300⁃2301.
[3] 陳永祿，張莉 . 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（2）：73⁃76.CHEN Yonglu，ZHANG Li. Design and implementation of tem⁃perature control system based on MCU [J]. Modern electronicstechnique，2015，38（2）：73⁃76.
[4] 郭洪祥，雷文龍 . 基于 MS5540C 的大氣壓力測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2012，31（7）：50⁃53.GUO Hongxiang， LEI Wenlong. The design of atmospheric pressure measurement system based on MS5540C [J]. Techniques of automation and applications，2012，31（7）：50⁃53.
[5] 云中華，蘭萍，李勇峰，等 .一種新型氣壓海拔測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].自動(dòng)化與儀表，2016（7）：62⁃65.YUN Zhonghua，LAN Ping，LI Yongfeng，et al. Design and re⁃search of a new type of atmospheric pressure and altitude mea⁃surement system [J]. Automation & instrumentation，2016（7）：62⁃65.
[6] Anon. BMP180 digital pressure sensor data sheet [EB / OL].[2017⁃06⁃24]. http：//www.boschsensortec.com.
[7] 杜圣波，毛萬(wàn)華，楊雁南 .高精度大氣壓力指示儀[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（7）：39⁃40.DU Shengbo，MAO Wanhua，YANG Yannan. High precision atmospheric pressure indicator [J]. Instrument technique and sensor，2011（7）：39⁃40.
[8] 康華光 . 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M]. 北京：高等教育出版社，2017.KANG Huaguang. Analog part of electronic technology foundation [M]. Beijing：Higher Education Press，2017.
[9] 劉卓婭 .基于 STC89C52的無(wú)線超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2017.LIU Zhuoya. Design of a wireless ultrasonic ranging system based on STC89C52 [D]. Guangzhou：South China University of Technology，2017.
[10] 周敬東，黃振 . 基與 STC89C52 單片機(jī)智能印章機(jī)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（20）：142⁃144.ZHOU Jingdong，HUANG Zhen. Design of intelligent stamper machine based on STC89C52 [J]. Modern electronics technique，2013，36（20）：142⁃144.
班寧產(chǎn)品匯總
