基于单片机的智能模拟气象站的设计

邯郸学院毕业论文（设计）开题报告书论文（设计）题目基于单片机的智能模拟气象站的设计学生姓名学号指导教师年级专业年月日说明1.本表需在指导教师和有关领导审查批准的情况下，要求学生认真填写。2.课题来源分为教师提供选题或学生自拟课题；教师的科研任务；社会有关单位委托的课题；其他来源。3.若课题因故变动时，应向指导教师提出申请，提交题目变动论证报告。题目来源教师提供选题主要研究内容１．基本内容设计主要研究基于ATS8952单片机的实时大气环境各个参数的监测，主要研究大气环境的温度、湿度变化情况、模拟风速变化情况。将三组数据从单片机用NRF无线传输的方式发送到主单片机上处理，最后通过LCD显示。２．具体要求1）利用温湿度传感器DHT11监测三点温度和湿度，通过NRF无线模块将数据传输给主机。对于监测出来的温湿度，要使得精确度维持在一定的范围内。2）利用霍尔元件模拟监测一点的风速，通过检测齿轮所转圈数，由程序进行相应的计算从而得知齿轮转速，通过数学计算转换得到风速。其中齿轮的转动是模拟风力的作用。3）主机将三组温湿度数据求平均值后，与风速的数据一起通过LCD显示。开题依据（包括相关研究现状、此项研究的理论意义、学术价值、应用前景等）１．相关研究现状1）国内气象观测站大多使用集中式结构，系统落后且封闭。不同厂家不同型号的气象观测站，在采集相同的数据时，采用不同型号的传感器，没有统一的标准，这对气象站后期的维修升级造成了很大的不便。这与我国早就提出的“综合气象观测系统工程”的战略发展要求产生了冲突。2）国外的传感器稳定性极强、精度高，而且功能丰富，不仅能实现基本的气象六要素观测，还能够实现对能见度、土壤含水量、土壤中水的温度等要素的观测，而且产品已经很成熟。但是经过国内多年实践检验来看，并不能够完全适应我国的实际使用情况。因为国外的设计人员并没有根据国内各地的实际需求去改进相关部件，所以导致了很多情况下先进的气象站并没有精确表现出其应有的功能。２．此项研究的理论意义我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一，气候灾害造成的损失越来越大，因此气象观测的地位就显得尤为重要。电子气象站可实时性、准确、可靠、全天候采集气象数据。本课题采用温度传感器、湿度传感器及风速传感器实现温度、湿度、风速的采集，并将相关信号输入主单片机，最后通过单片机将数据及时处理后在液晶屏上显示，提供可靠的气象数据，帮助人们合理的采取措施应对恶劣天气。３．学术价值随着社会经济的发展，科学技术的进步，进一步推动自动气象站技术向多功能、智能化、高可靠性方向发展，将为社会各部门提供更准确、更详细的气象信息奠定基础。基于单片机的模拟气象站可以加深相关知识的了解和应用，可以将课堂上学到的单片机和传感器的理论知识与实际应用结合起来。能够对电子电路、电子元器件、印制电路板等实际制作方面的知识有更系统的认识，同时在软件编程、调试、焊接技术、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。４．应用前景基于单片机的模拟气象站系统具有安装简便、工作稳定、使用方便、抗干扰性强等优点；产品适用于多种场合如：学校、家庭住宅、农业生产和偏远地区等。在学校，可以通过气象站采集的数据合理改善学习环境，提高学生学习效率；在家庭生活中，温度湿度的数据可以帮助人们设计出行穿着，并为要进行的活动进行环境考察，使人们避免遭遇恶劣天气；在偏远地区由于气象站稀少，不能准确测量一定范围内的气象数据时，可以通过该系统自行测量。对气象数据的精确测量可以减少对人们生产生活造成的不利影响，市场的需求量会越来越大，因此它的市场前景十分广阔。起止时间和进度安排（包括外出调研）2016年12月10日----2017年03月01日查阅相关资料、文献综述；2017年03月02日----2017年03月10日准备开题报告；2017年03月11日----2017年03月11日开题答辩；2017年03月12日----2017年03月31日设计硬件电路与软件程序设计；2017年04月01日----2017年04月25日制作实物电路，调试系统；2017年04月26日----2017年05月10日检查并完善设计；2017年05月10日----2017年05月19日撰写毕业论文初稿；2017年05月11日----2017年05月19日修改完善论文并提交论文定稿；2017年05月20日----2017年05月20日参加毕业论文答辩。预期结果及成果形式１．预期结果按照时间规划和目标进度完成基于单片机的智能模拟气象站系统的电路设计、程序设计、程序调试、软硬结合调试并达到对气象数据的实时采集并反馈的设计要求。２．成果形式1）完成相应的硬件电路，并能采集学校气象数据；2）撰写一篇不少于8000字的毕业论文；3）关键步骤和阶段的照片和视频。可行性分析（已具备的条件和待解决的问题；拟采取的研究方法、技术路线、实验方案等）１．已具备的条件1）图书馆提供的相关纸质和电子版书籍；2）有专业的相关教师对毕业设计进行指导；3）网络数据库提供了大量的相关资料；4）电脑上已经安装了keil4、Proteus等所需的软件，已具备基础的编程语言素养。２．待解决的问题1）如何设置采集数据周期才能使测量数据更具代表性；2）仿真图元器件选择和参数设定；3）焊接导线的选择和硬件焊接布局；4）风速传感器价格昂贵，需要一种替代的器件。３．拟采取的研究方法1）文献研究法知网数据库和纸质文献提供了大量关于设计思路的的参考资料，并介绍了PC机、DHT11温度传感器、风速传感器、NRF无线通信模块以及单片机ATS8952等硬件的性能及用法，为我的设计提供了借鉴素材。2）模拟法使用Proteus仿真软件能够较准确的测量出该气象系统的模拟电路各部分的参数值，也能够模拟程序在实际硬件系统中的的运行状态。通过单步运行调试，能够观察各个寄存器和标志位的状态变化，及时修正程序中的错误，使气象数据采集、显示数据、单片机系统间数据传输等功能正常实现。3）实验法由于不同的元器件参数、功耗、使用方式和价格不同，在选定元器件时我查阅单片机相关资料，决定选用DHT11温湿度传感器、LCD液晶显示屏和单片机。设计完成功能模块后，分别将各个模块在万用板上焊接，检查电路，进行实物调试。首先检测LCD显示功能是否正常，其次检测各传感器工作是否正常，最后记录传感器读取数据与实际误差值，根据实验现象不断完善该设计。４．技术路线该系统设计主要由单片机AT89S52单片机、DHT11温湿度传感器、液晶显示LCD1602等组成。硬件设计方案框图如图1、图2所示。AT89S52单片机（采集和传输）晶振电路复位电路电源电路温度湿度采集模块NRF无线发送图1数据采集模块框图AT89S52单片机（采集和传输）晶振电路复位电路电源电路从机一从机一从机一LCD数据显示电路图2数据处理、显示模块系统软件设计流程图,如图3、图4所示。初始化设置显示坐标查忙输出显示内容返回开始显示结束图3LCD显示流程图初始化启动传输发送测温命令复位连接发送测湿命令通信是否中断？通信是否中断？NNNNYYYY显示温湿度图4测温湿度流程图单片机通过传感器对气象数据进行采集，然后通过PC机采用合理计算方法进行数据处理，然后通过LCD显示重要的气象数据。５．实验方案1）文献学习首先查阅电子版和纸质版相关资料，参考了中国知网多篇论文和纸质图书资料后，我决定采用老师建议的整体设计方案的部分内容：用DHT11温湿度传感器采集三点温湿度信息，在信息采集之后存储温度数据，并通过无线传输模块传给主机，由与单片机相连的LCD液晶显示屏进行温度显示。2）电路仿真在Proteus软件上完成除部分电路的模拟设计，先编写C程序，然后采用单片机、DHT11温湿度传感器、风向传感器、LCD显示屏等设计系统仿真电路，将C语言调试完成后生成的hex代码下载到仿真单片机系统，然后对C程序进行调试仿真，通过串口调试助手软件测试C程序的运行效果，完善设计方案。3）实物制作先检测实际器件是否能正常工作，尤其是传感器、串口的连接。然后用万用表测试焊接是否合格，再向单片机系统下载已调试好的程序，最后在包括示波器、万用表等仪器的监测下进行数据测试，需要达到通信波特率稳定、传输数据准确，温度显示及判断误差较小和系统整体功率稳定等要求。主要参考文献[1]李金龙，王黎，高晓蓉.多点温湿度远程无线监控系统设计[J].微计算机信息，2009，25(6-1):31-32[2]徐明，朱庆春.风向风速测量仪设计[J]。气象水文海洋仪器，2008，(04):5-10[3]韩有君，王晓蕾，施健康，慕新仓.一种小量程风速风向传感器的设计[J].气象水文海洋仪器，2009，(01):1-4[4]何云武.风向风速传感器的原理及其检测[J].四川气象，2004，（01）:40-42[5]王东峰等.单片机C语言应用100例[M].电子工业出版社，2009.[6]张君汉.基于单片机的温度显示系统设计及实现[J].2012.8.[7]李广弟等.单片机基础[M].北京：北京航空航天出版社，2001.[8]邓兴成.单片机原理与实践指导[M].北京：机械工业出版社，2010.[9]张洪润，张亚凡.单片机原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2005.[10]潘笑，徐辛西.基于单总线数字传感器的温度采集器[J].中国仪器仪表，2005，（06）：120-123.[11]王淑珍.单片机原理与接口技术[M].北京:科学出版社,2008:200-276.[12]高峰.单片微型计算机原理与接口技术[M].北京:科学出版社,2005.6:20-120.[13]AnalogDevice.Inc.Loop-Powered4—20mvDAC.DataSheet[J].1996.[14]ThomasC.Bartee.ComputerArchitectureandLogicDesign[J].McGraw-HillInc.1991.[15]NelsonJGetal.TourismandSustainableDevelopment:Monitoring,planning,Managing.UniversityofWaterloo,1993.[16]MeehanJoanne,MuirLindsey.SCMinMerseysideSMEs:Benefitsandbarriers[J].TQMJournal.2008.11(27):18-30.[17]HuntDilly.TheDesignofMoistureandtemperatureTesterBasedonSCM[J].StrumentsandExperimentalTechniques,2009.48(5):232-246.[18]TheodoreWildi.Electricalmachine,andpowersystem[M].2002.指导教师审查意见该生选题与老师进行了充分讨论，符合专业毕业论文要求。参考了许多文献，具有一定使用价值。本选题是学生做学专业知识的延续，符合学生专业发展方向。研究方法几班合理，难度合适，学生能够在预定时间内完成该论文的设计，同意开题。指导教师（签名）：2017年03月11日教研室论证意见同意开题。教研室主任（签名）：2017年03月11日二级学院院长审查意见二级学院院长（签名）：年月日