一种高精度大气压力和温度无线监测系统

一种高精度大气压力和温度无线监测系统
陈希湘; 朱嵘涛; 高璐; 李永全
【期刊名称】《《现代电子技术》》
【年(卷),期】2019(042)022
【总页数】5页(P35-38,43)
【关键词】无线监测; 数据采集; 数据处理; 大气压力监测; 温度监测; 实物测试
【作者】陈希湘; 朱嵘涛; 高璐; 李永全
【作者单位】长江大学工程技术学院湖北荆州 434020; 长江大学电信学院湖北荆州 434023
【正文语种】中文
【中图分类】TN931+.3-34; TP301.6
0 引言
随着科学技术的发展，大气压力和温度测量在天气预报、农业生产、工业现场及日常生活等领域的应用越来越广泛，人们对大气压力和温度的测量要求也随之越来越高。

针对现在大气压力和温度监测系统测量精度不高、生产环境恶劣、不能长时间停留在现场等情况[1-4]，本文提出了一种高精度的无线大气压力和温度监测系统。

本系统以STC89C52 单片机作为核心控制元件，BMP180 传感器采集大气压力和温度数据，通过射频模块传输信息到显示器上，并在特殊情况下进行报警。

1 系统的硬件设计
1.1 系统的整体设计
监测系统的整体硬件组成为数据采集模块、按键控制模块、监控显示模块、射频传输模块和报警模块。

系统模块工作流程框图如图1所示。

图1 系统模块工作流程框图Fig.1 Workflow of system module
1）数据采集模块：采集温度传感器、压力传感器中的数据。

数据采集模块
BMP180 负责环境因子进行监控，当检测到该环境因子的状态时，通过射频通信发到监控显示模块。

2）按键控制模块：是一个普通按键开关器件，由于与地相连，当按键被按下时，通过软件消抖程序，它能正确地进行接地操作，实时把低电平信号传输到单片机，从而实现对压力和温度阈值的设置操作。

3）监控显示模块：专门显示传感器采集的数据。

4）射频传输模块：通过无线传输，把发射端发射的数据传递到接收端。

5）报警模块：采用两种颜色不同的LED 灯泡作为报警设备，BMP180 传感器采集的压力或者温度数据通过处理后经过射频模块发射，接收端成功接收后单片机对数据进行处理，当压力和温度数据不满足阈值的要求时，LED 灯就会进行相应的闪烁。

1.2 主要硬件选型
1.2.1 核心处理芯片的选择
目前具备低成本并且编程简单的单片机有两种，分别是ATC51 系列和STC52 系列。

由于ST89C52 单片机在性能方面优于AT89C51 单片机，并且成本更低，所以本设计采用STC89C52 单片机。

1.2.2 数据采集传感器和通信模块芯片的选择
由于BMP180 传感器使用方便，在3.3 V 和5 V 电压下都可以工作，并且比MPX 压力传感器性价比高，所以本设计采用BMP180 传感器[5-6]。

目前市面上通信芯片有许多，其中在过去比较流行的有红外通信，以及现在通用的无线射频通信，由于nRF2401 射频模块相比于红外通信模块传输距离更远，并且稳定性比红外通信模块更好，所以本设计采用nRF2401 射频模块。

1.3 硬件设计模块
1.3.1 数据采集模块
数据采集模块核心是BMP180 压力传感器模块，模块采集到数据之后通过
STC89C52 单片机进行处理，然后交给射频模块去发射。

BMP 传感器与MCU 连接图如图2所示[7-10]。

图2 BMP 传感器与MCU 连接图Fig.2 Connection between BMP sensor and MCU
1.3.2 射频通信模块
模块通过SPI 端口总线可以轻松调整发射功率和工作频率，由于工作电流低，所
以能耗小。

在-5 dBm 的工作功率时仅为10.5 mA，处在接收模式时仅为18 mA。

这样让节能设计更便利，能够使得nRF2401 在同一根天线下同时获得两个差异频道的数据。

射频模块与MCU连接图如图3所示。

图3 射频模块与MCU 连接图Fig.3 Connection diagram of RF module and MCU
1.3.3 按键控制模块
按键开关，在软件程序消抖之下，单片机能准确地判断按键是否被按下，从而实现修改压力阈值和温度阈值的功能。

按键控制电路如图4所示。

图4 按键控制电路图Fig.4 Circuit of key control
2 系统的软件设计
2.1 发送模块程序
发送模块的程序相对简单，发送端只需通过I2C 总线读取BMP180 传感器的数据，
然后再通过射频模块发送出去。

发射端程序流程图如图5所示。

图5 发射端程序流程图Fig.5 Program flow of transmitting end
2.2 接收模块程序
接收端射频模块接收到数据之后，在射频模块缓冲区内对数据进行了两次操作，因为压力数据pressure 是long 类型的，所以对其一拆为二，一个取整一个取余，分两次发送，附加上温度的数据，总共数据发送端有三组数据。

接收端程序流程图如图6所示。

图6 接收端程序流程图Fig.6 Program flow of receiving end
3 结果分析
3.1 实物测试数据分析
1）nRF2401 传输距离测试
发射端发射不同的数据，每一组发射数据对应一组不同的传输距离，看接收端是否接收成功，距离测试结果如表1所示。

结果表明有效传输距离为10 m，分析之后发现与供电电源有一定关系，另外墙体阻挡，也会导致相对传输距离不太远。

表1 nRF2401 传输距离测试Table 1 Testing results of transmission distance of nRF2401发射数据I love you 007 Fast Fast2距离/m 0 10 50 100接收端显示情况I love you 007——传输结果成功成功失败失败
2）BMP180 气压数据测试
湖北荆州标准海拔高度是32.6 m，也就是在计算过程中使用此高度作为测试的最低高度，海拔高度随测试地点的变化进行变换。

通过5 组数据，海拔高度变化32.6 m，36.6 m，40.6 m，44.6 m，48.6 m 来计算，经测试，海拔高度越高，气压会随之下降，具体测量数据及误差、海拔高度因素对压力的影响函数图分别如表2和图7所示。

表2 BMP180 大气压力数据对比Table 2 Comparison of BMP180
atmospheric pressure data海拔高度标准海拔标准海拔+4 m标准海拔+8 m标准海拔+12 m标准海拔+16 m计算高度/m 32.6 36.6公式计算气压/kPa 101.25 101.24测试气压/kPa 102.17 102.15绝对误差0.92 0.91相对误差/%0.009
0.008 40.6101.23102.110.880.008 44.6101.22102.080.860.008
48.6101.21102.040.830.008
图7 海拔高度与压力函数关系图Fig.7 Relationship between altitude and pressure function
3）压力与温度对比测试
由于在实际过程中高度变化不会太大，因此温度改变并不多，可以在海拔高度一定的情况下，测试不同地点的大气压数据。

在测试过程中气压并不完全随温度增加而增加，但通过函数图像分析，大致可以表明温度会对气压造成影响。

压力与温度数据对应关系表如表3所示，对应的函数关系图如图8所示。

表3 海拔高度40.6 m 下压力与温度对比测试表Table 3 Corresponding relationship of pressure and temperature at altitude of 40.6 m海拔高度标准海拔+8 m标准海拔+8 m标准海拔+8 m标准海拔+8 m标准海拔+8 m标准海拔+8 m标准海拔+8 m标准海拔+8 m标准海拔+8 m标准海拔+8 m计算高度/m 40.6 40.6 40.6 40.6 40.6 40.6 40.6 40.6 40.6 40.6测试压力P /kPa 103.05 103.03 103.04 103.05 103.06 103.06 103.10 103.12 103.20 103.20测试温度T /℃6.3 6.5 6.6 7.0 7.4 8.3 8.4 8.8 9.0 9.1
图8 海拔高度40.6 m 下压力与温度函数关系图Fig.8 Function relationship between pressure and temperature at altitude of 40.6 m
3.2 异常压力报警情况
LCD1602显示PH大气压力最大报警阈值是98 kPa，但是实测气压值是102.17 kPa，明显超过了最大阈值，所以此时蓝色LED 灯泡闪烁。

图9 异常压力报警情况Fig.9 Alarm at abnormal pressure
4 结论
本系统能对大气压力和温度进行实时无线监测和报警，最大无线传输距离达到10 m，大气压力测试相对精度为±0.01 kPa，平均相对误差在0.008%左右。

在实际大气压力、温度超过设置的最大阈值或者低于设置的最小阈值时能进行实时报警，经数据测试结果发现，除了海拔高度因素可以影响大气压力之外，温度因素也会影响大气压力。

实验结果表明，该系统具有测量精度高、使用方便等优点。

参考文献
【相关文献】
[1]李会坤.基于S3C2440 与GPRS 的嵌入式环境数据采集系统设计[D].长春：吉林大学，2016.LI Huikun.Design of embedded environment data acquisition system based on S3C2440 and GPRS[D].Changchun：Jilin University，2016.
[2]侯小华，胡文东，张利利.一种大气压力传感器数据采集系统的研究[J].计算机测量与控制，2011，19（9）：2300-2301.HOU Xiaohua，HU Wendong，ZHANG Lili.Design of altimeter and barometer module monitor system based on CC2430[J].Computer measurement ＆control，2011，19（9）：2300-2301.
[3]陈永禄，张莉.基于单片机的温度控制系统设计与实现[J].现代电子技术，2015，38（2）：73-76.CHEN Yonglu，ZHANG Li.Design and implementation of temperature control system based on MCU[J].Modern electronics technique，2015，38（2）：73-76.
[4]郭洪祥，雷文龙.基于MS5540C 的大气压力测量系统设计[J].自动化技术与应用，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]云中华，兰萍，李勇峰，等.一种新型气压海拔测量系统的设计与研究[J].自动化与仪表，2016（7）：62-65.YUN Zhonghua，LAN Ping，LI Yongfeng，et al.Design and research of a new type of atmospheric pressure and altitude measurement system[J].Automation ＆instrumentation，2016（7）：62-65.
[6]Anon.BMP180 digital pressure sensor data sheet[EB/OL].[2017-06-24].http：
//.
[7]杜圣波，毛万华，杨雁南.高精度大气压力指示仪[J].仪表技术与传感器，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]康华光.电子技术基础模拟部分[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]刘卓娅.基于STC89C52 的无线超声波测距系统的研究与设计[D].广州：华南理工大学，2017.LIU Zhuoya.Design of a wireless ultrasonic ranging system based on
STC89C52[D].Guangzhou：South China University of Technology，2017.
[10]周敬东，黄振.基与STC89C52 单片机智能印章机的设计[J].现代电子技术，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.。