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一種高精度大氣壓力和溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)

      在氣象監(jiān)測、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線監(jiān)測系統(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 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 nRF2401 射頻模塊發(fā)射數(shù)據(jù)，接收端通過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 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)測試，該系統(tǒng)能對大氣壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測和報(bào)警，最大無線傳輸距離達(dá)到 10 m，壓力測試相對精度為±0.01 kPa，平均相對誤差在 0.008% 左右。

0 引 言

      隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大氣壓力和溫度測量在天氣預(yù)報(bào)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)現(xiàn)場及日常生活等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，人們對大氣壓力和溫度的測量要求也隨之越來越高。針對現(xiàn)在大氣壓力和溫度監(jiān)測系統(tǒng)測量精度不高、生產(chǎn)環(huán)境惡劣、不能長時(shí)間停留在現(xiàn)場等情況[1⁃4]，本文提出了一種高精度的無線大氣壓力和溫度監(jiān)測系統(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)檢測到該環(huán)境因子的狀態(tài)時(shí)，通過射頻通信發(fā)到監(jiān)控顯示模塊。
2）按鍵控制模塊：是一個(gè)普通按鍵開關(guān)器件，由于與地相連，當(dāng)按鍵被按下時(shí)，通過軟件消抖程序，它能正確地進(jìn)行接地操作，實(shí)時(shí)把低電平信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對壓力和溫度閾值的設(shè)置操作。
3）監(jiān)控顯示模塊：專門顯示傳感器采集的數(shù)據(jù)。
4）射頻傳輸模塊：通過無線傳輸，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)通過處理后經(jīng)過射頻模塊發(fā)射，接收端成功接收后單片機(jī)對數(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 壓力傳感器性價(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，其中在過去比較流行的有紅外通信，以及現(xiàn)在通用的無線射頻通信，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 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]。

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圖 2 BMP 傳感器與 MCU 連接圖
1.3.2 射頻通信模塊
      模塊通過 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。

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圖 3 射頻模塊與 MCU 連接圖

1.3.3 按鍵控制模塊      

      按鍵開關(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。

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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)送模塊的程序相對簡單，發(fā)送端只需通過 I2C 總線讀取 BMP180 傳感器的數(shù)據(jù)，然后再通過射頻模塊發(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)對數(shù)據(jù)進(jìn)行了兩次操作，因?yàn)閴毫?shù)據(jù) pressure 是long 類型的，所以對其一拆為二，一個(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)物測試數(shù)據(jù)分析
1）nRF2401傳輸距離測試發(fā)射端發(fā)射不同的數(shù)據(jù)，每一組發(fā)射數(shù)據(jù)對應(yīng)一組不同的傳輸距離，看接收端是否接收成功，距離測試結(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，也會導(dǎo)致相對傳輸距離不太遠(yuǎn)。

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表 1 nRF2401傳輸距離測試

2）BMP180氣壓數(shù)據(jù)測試
湖北荊州標(biāo)準(zhǔn)海拔高度是 32.6 m，也就是在計(jì)算過程中使用此高度作為測試的最低高度，海拔高度隨測試地點(diǎn)的變化進(jìn)行變換。通過 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 來計(jì)算，經(jīng)測試，海拔高度越高，氣壓會隨之下降，具體測量數(shù)據(jù)及誤差、海拔高度因素對壓力的影響函數(shù)圖分別如表 2 和圖 7所示。

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圖 7 海拔高度與壓力函數(shù)關(guān)系圖

3）壓力與溫度對比測試
由于在實(shí)際過程中高度變化不會太大，因此溫度改變并不多，可以在海拔高度一定的情況下，測試不同地點(diǎn)的大氣壓數(shù)據(jù)。在測試過程中氣壓并不完全隨溫度增加而增加，但通過函數(shù)圖像分析，大致可以表明溫度會對氣壓造成影響。壓力與溫度數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系表如表 3所示，對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系圖如圖 8所示。

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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)測氣壓值是 102.17 kPa，明顯超過了最大閾值，所以此時(shí)藍(lán)色 LED 燈泡閃爍。

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圖 9 異常壓力報(bào)警情況

4 結(jié) 論
本系統(tǒng)能對大氣壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)無線監(jiān)測和報(bào)警，最大無線傳輸距離達(dá)到 10 m，大氣壓力測試相對精度為±0.01 kPa，平均相對誤差在 0.008% 左右。在實(shí)際大氣壓力、溫度超過設(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，溫度因素也會影響大氣壓力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有測量精度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

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