便携式气象数据采集系统的研究与实现 - 图文

便携式气象数据采集系统的研究与实现 第二章 便携式气象数据采集系统硬件设计

定位信息。

GPRS模块电路的设计，完成对监测信息的远程传输，上传到网络中心，以便更好的管理与分析。

功能扩展模块，可以扩展CAN收发器接口以及其他气象采集传感器，以便系统的更新与升级。

硬件电路为自己设计并制作，整体效果如图2- 2所示，本章第二节将对各个模块的实现要点进行详细介绍，扩展辅助模块如晶振、复位电路等也将在各个模块的介绍中一并讲述。

图2- 2 气象采集系统硬件整体效果图

2.2 单片机及外围电路设计 2.2.1 电源模块

系统只有正常的供电才能稳定的工作，所以电源模块的设计尤为重要。由于各个单元电路供电电压不完全相同，其中单片机模块、温湿传感器模块、GPS、GPRS以及LCD显示模块的供电电压为5V，而GPRS发送模块以及气压传感器模块供电电压为3.3V，故电源电路的设计要兼顾各个部分的要求。

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图2- 3 电源电路图

图2- 3为气象采集终端电源电路图，外部供电电压为5伏。电路给出了两种不同的供电方法：USB接口供电法和5伏电源插头供电法，以便更好的适应不同的工作场合。5伏到3.3伏的电平转换采用的是美国ADMOS公司生产的AMS1117稳压器[4]。AMS1117系列稳压器具有功耗低、体积小、压差小等特点，符合本系统的设计思想，因此硬件设计时用它来进行电平转换。

2.2.2 单片机模块

由于数据采集终端的数据量并不是很大，也并不需要内嵌操作系统，所以可以尽量选用价格低廉，性能优越的单片机作为采集终端的控制核心。而宏晶科技生产的STC89C5XRC/RD+系列单片机[5]，是高速、低耗、超强抗扰的新一代51系列单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快于普通8051单片机。其工作频率范围是0～40MHz，相当于普通8051的0MHz～80MHz。另外其价格低廉，工作电压也与5伏供电电压完全吻合，无需电平转换即可稳定工作，所以STC89C5XRC/RD+系列的单片机完全符合本系统的设计要求。

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图2- 4 STC89C58RD+及其外围电路连接图

如图2- 4所示，即是STC89C58RD+单片机以及包括滤波、复位、晶振在内的外围电路连接图。其中单片机两侧各连接了一排20针的插针，是为了方便调试与扩展其他功能。而8个LED灯的设计不仅能更好的反应单片机的数据接收与发送情况，也方便整个系统的调试与排错。同时为了增强系统交互功能，本系统设计了四个按键，配合LCD显示屏完成系统的操作与显示工作。另外，该单片机有一个显著特点是使用时无需专用编程器/仿真器，可以通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序。然而GPS模块与GPRS模块也同时会用到串口接收、发送数据，STC89C58RD+单片机的一个串口明显不够用，所以要采用串口扩展芯片，再扩展出两个串口。本系统采用的是成都视普科技公司生产的SP2338串口扩展芯片。关于SP2338串口芯片的功能及电路设计在下一小节中详细介绍。

2.2.3 串口扩展芯片电路设计

SP2338采用低功耗CMOS工艺设计，它可轻松将单片机原有的一个UART串行口扩展成3个全新的全双工UART串行口[6]（3个子串口的波特率最高可达9600bps，所有UART串行口可同时独立接收数据和发送数据）。与其他多串口单片机及UART扩展专用集成电路相比，SP2338不仅具有宽工作电压、低工作电流、高工作速率、输出误差小等工作特性，而且使用简单，价格低廉，开发周期短，与本系统的设计思想完全吻合，故本系统采用其作串口扩展芯片进行电路设计。

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图2- 5 SP2338电路原理图

SP2338电路原理图如图2- 5所示，其中，ADRI0、ADRI1管脚为SP2338的输入地址线，用来确定单片机向SP2338的哪个子串口发送数据，本系统将其分别连入单片机的P25、P26管脚。ADRO0、ADRO1管脚为SP2338的输出地址线，用来确定SP2338的哪个子串口向单片机发送数据。OSCI、OSCO为SP2338正常工作的时钟电路，本系统在此接入20MHz的晶振。RX0\\TX0、RX1\\TX1为SP2338的子串口，分别与GPS、GPRS模块的串口相连。RX3\\TX3为SP2338的母串口，与单片机的串口（P3.0/P3.1）相连。而RX2\\TX2也为SP2338的子串口，由于本系统并没有用到，所以将RX2与VCC相连，TX2管脚悬空。

2.3 温湿传感器模块电路设计

温湿传感器模块完成大气中温湿度信息的采集。为了使设计的温湿度采集电路精度高，误差小，同时为了加强系统的集成性，减少系统的额外开销，本系统采用瑞士Sensirion公司生产的SHT11数字温湿度传感器[7]进行大气温度与湿度的测量。每个SHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中校准过，校准系数以程序的形式存储在OTP内存中，因此，采用其设计的温湿度采集电路具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强等优点。

SHT11传感器芯片正常工作必须连接好四个管脚：VCC，GND ，SCK以及DATA管脚。VCC管脚给芯片供电，GND管脚接地，SCK管脚用于微处理器与SHT11之间的信号同步，DATA管脚用于向单片机输出采集数据。具体的设计电路如图2- 6。

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