设计一款基于单片机的高效雨量检测系统

摘要
21世纪的今天，气候不断变化，随着现代气象要求的不断变化，传统的雨水检测技术已不能满足要求。雨量传感器正在朝着精致和便携的方向发展，摆脱其沉重的金属外壳，同时仍能实现其最初的目的。本文旨在介绍雨量自动检测系统的背景、原理及其设计方案。本文将设计一个以STM32单片机的雨量自动检测系统，可以实现实时采集和处理雨量数据，以获得准确的雨量信息，并实现雨量数据的可视化。该系统包括传感器、无线传输、数据处理和可视化系统四个部分。雨滴传感器用于实时采集和传输雨量数据，无线传输连接，数据处理系统的设计主要包括数据存储、数据处理和计算算法的实现等，可视化系统的设计包括实时显示雨量数据。

关键词：STM32；无线收发；雨量；传感器

ABSTRACT
Today in the 21st century, the climate is constantly changing. With the continuous change of modern meteorological requirements, the traditional rain detection technology can no longer meet the requirements. Rain sensors are evolving towards being more compact and portable, shedding their heavy metal casings while still fulfilling their original purpose. This article aims to introduce the background, principle and design scheme of the automatic rainfall detection system. This article will design an automatic rainfall detection system with STM32 single-chip microcomputer, which can realize real-time collection and processing of rainfall data to obtain accurate rainfall information and realize visualization of rainfall data. The system includes four parts: sensor, wireless transmission, data processing and visualization system. The raindrop sensor is used to collect and transmit rainfall data in real time, wireless transmission connection, the design of the data processing system mainly includes the realization of data storage, data processing and calculation algorithms, etc., and the design of the visualization system includes real-time display of rainfall data.

Key words:STM32; wireless receiving and receiving; rainfall; sensor
目录
第1章绪论
1.1 研究背景及现况
1.2 国内外研究现状
1.3 研究方法
第2章系统设计
2.1 系统总体方案设计
2.2 设计系统方案
2.2.1 单片机选择
2.2.2 雨滴传感器选择
2.2.3 无线收发模块选择
2.2.4 显示器选择
第3章硬件设计
3.1 微控制器电路设计
3.2 雨滴传感模块电路设计
3.3 无线收发模块电路设计
3.4 显示模块电路设计
3.5 系统电路原理图
第4章软件设计
4.1 采集端软件设计
4.1.1 雨滴传感模块软件设计
4.1.2 NRF24L01无线发送软件设计
4.2 接收端软件设计
4.2.1 NRF24L01无线接收软件设计
4.2.2 OLED显示模块软件设计
第5章系统调试
5.1 硬件测试
5.2 测试结果及分析
结论
参考文献
致谢
附录
附录A 原理图
附录B 程序

第1章绪论
1.1 研究背景及现况
我国的国土面积辽阔，大部分的地区处于季风性气候，带有季风的地区每年的春季、夏季会有较多的降水，就会导致南方地区会发生频繁的洪涝灾害，会淹没农田、冲毁道路等。为了保障人民群众的生命和财产安全，在降雨量相对集中的地区和降雨量相对集中的时段，对降水量实时检测，可以有效避免潜在的洪涝灾害。
雨量检测系统广泛的用于水资源管理方面、水文监测方面和防灾领域。雨量检测系统可以对降雨量的数据进行实时的采集和分析，帮助人们在日常生活中较为准确掌握降雨量状况，做出明智的决策[1]。
降雨探测系统可以处理气候变化造成的异常频繁的降雨，以及各种极端天气事件的增加，包括暴雨和洪水。自主降雨探测系统提供准确、实时的降雨数据，及时预警和预防灾害，并有效应对气候变化的影响。城市规划和建设需要研究和明智地应用气象数据，特别是降雨数据。可以准确收集和分析降水数据，为城市规划和建设提供科学依据，从而提高两者的水平[2]。合理利用天气资源，特别是雨水资源，是农业生产的必要条件。
本课题通过STM32单片机作为整个控制系统的核心部分，利用显示器、无线收发模块、雨量传感器获取雨量信息。成本也较低，另外体积也较为小巧，可以对过小雨、中雨和大雨的实时测量，做到一个预防效果，为我们的日常生活提供便利。
1.2 国内外研究现状
国内研究现状：雨量自动检测系统在我国的应用已经有几十年的历史，在过去几十年中，外国的新一代的技术和设备的引入和我国在该领域的不断发展，雨量检测技术得到飞快地发展。现在主要应用在气象监测、防洪和水资源管理等领域[3]。其中，气象监测为主要的应用领域，用于监测和预报降雨量和降雨的时空分布。气象检测领域的研究重点主要集中在数据质量控制、数据处理和数据分析等方面。
国外研究现状：降雨量的自动检测在国际上受到了很多关注，特别是在一些工业化程度较高国家。他们的应用和研究已经是非常的成熟。雨量检测系统主要应用于气象、水文、环境监测等方面，可以用来监测和预报降水量、水位和水流等参数。研究重点主要集中在技术创新、数据质量控制、数据处理和数据分析等方面，以提高系统的性能和可靠性为主要目标。此外，还有一些研究关注于自动检测系统的节能和环保等问题。
1.3 研究方法
本设计主要包括完成各个信息的采集与传送、数据处理、OLED显示的设计。这种设计在创建软件时采用了模块化的设计理念，即首先创建一个通用程序，然后为每个模块设计特定的程序并独立于主程序调用它们[4]。
第2章系统设计
2.1 系统总体方案设计
本文基于单片机作为核心控制器，设计了一款具有实时雨量检测功能的自动检测系统。该系统采用无线传输技术和雨量传感器，能够实时检测远距离的降雨量信息，并通过OLED显示屏显示检测结果。系统包括主控电路、辅助电路（包括雨量检测电路、无线收发模块电路、OLED显示电路和电源电路等）[5]。
在本设计中，雨量传感器检测降雨量信息并将其转换为电信号，单片机进行处理，无线收发模块实现信息传输，OLED屏幕显示检测结果，电源电路为系统提供稳定电源。其中，雨量检测电路通过雨量传感器检测降雨量信息，并将其转换为电信号送至单片机处理。无线收发模块电路通过无线传输技术，将检测结果传输至远程接收器，实现远距离的信息传输。OLED显示电路则将检测结果显示在OLED屏幕上，图2.1为系统原理图。

图2.1 系统流程原理图
由图2.1可知，该系统包含发送模块和接收模块两个核组件，雨量传感器实现对降雨量的实时收集和雨量数据的传输。单片机Ⅰ对采集的降雨量信息进行处理，发射模块通过无线传输技术将数据发送给接收模块，接收模块接收到降雨量信息后传输到单片机Ⅱ，单片机Ⅱ按照预设的雨量阈值进行数据处理和判断，最终通过显示屏将结果展示出来。
2.2 设计系统方案
2.2.1 单片机选择
方案一：AT89C52单片机采用经典的8051内核，是一款成熟且广泛使用的8位单片机，其工艺简单、成本低廉、外设接口丰富等特点使得它在嵌入式控制系统中得到广泛应用。随着技术的不断发展，AT89C52单片机面临着一些问题。AT89C52单片机的工作主频较低，其处理能力相对较弱，无法满足一些需要进行大量计算的应用。由于存储空间的限制，它可能无法容纳大量数据和程序。对于一些需要大量数据和软件存储的应用程序，它会受到限制。在面对复杂的运算或大量的外设时，AT89C52单片机的计算速度可能不能满足实际需求，造成数据非实时等问题。
方案二：ST公司推出一款名为STM32F103的32位单片机。其性能比8位和16位的单片机更加强大。它具备128KB的Flash存储器，内置两个12位的模数转换器，可实现高精度的模拟信号采集。STM32F103还包含4个16位定时器，以及多个通信接口，包括2个IIC接口、3个串行通信接口、2个SPI接口、1个CAN接口和1个USB2.0接口。有了这些接口资源，很容易实现MCU与其他设备之间的数据交换。此外，STM32F103的时钟频率可达到72MHz，运算速度相当快，因此在处理大量数据或者需要实时响应的场合下，性能表现优异。
STM32F103还拥有三种不同的低功耗模式：睡眠、停机和待机，这些模式可以有效地降低单片机功耗，延长电池寿命，为电池供电系统等应用提供了很大的便利。在实际应用中，STM32F103单片机也应用于四旋翼无人机、自动控制的机械等领域，因为其具有强大的运算能力和丰富的通讯接口资源，能够实现复杂的控制算法和数据处理，也能够方便地与其他设备进行数据交互。
综上所述，STM32F103单片机在性能、功能和应用范围等方面都具有很大优势，非常适合本次系统的研究。
2.2.2 雨滴传感器选择
方案一：YT01雨量传感器采用倾斜式原理，通过测量雨水落在传感器杆上的角度变化来测量雨量。传感器的杆子倾斜一个角度，当雨滴落在上面时，它们会改变杆子倾斜的角度。传感器使用这个倾角变化来确定下了多少雨。但测量范围有限，YT01雨量传感器的测量范围为0-10mm/min，适用于小雨或中雨的测量，对于大雨或暴雨的测量会受到一定的限制。此外，传感器的灵敏度很低，小雨需要一段时间才能得到精确的测量数据[6]。虽然YT01雨量传感器的精度较高，但由于环境因素的影响，如风吹雨移等，可能会导致测量结果存在一定的误差。
方案二：FC-37雨量传感器是一种简单实用的雨量传感器，可将雨量信息转化成数字量信号或模拟量信号输出，非常适合单片机的采集和处理传感器的操作基于电容变化概念。当雨滴落在传感器上时，传感器检测板之间的电容会发生变化，从而可以通过监测这种变化来判断下了多少雨。
在使用FC-37雨量传感器时，用户只需将其连接到单片机的输入口，即可通过单片机对测量结果进行处理和分析。此外，该传感器还采用大面积的组合感应板，能够更准确地检测雨量大小，且其表面材料采用镀镍的方式，具有极强的抗氧化性能，能够有效地延长传感器的使用寿命。而且，FC-37雨量传感器是一款简单、实用、易于操作的雨量传感器，价格也相对较为实惠，还具有灵敏度高、精度高、使用寿命长等优点，广泛应用于气象、农业、水利等领域，可为用户提供准确可靠的雨量信息。
综上所述，FC-37雨量传感器非常适合本次系统的研究。
2.2.3 无线收发模块选择
方案一：ESP8266无线模块支持HTTP和MQTT等协议。它提供了AT指令集接口，可通过串口与MCU或其他设备进行通信，并支持固件升级和远程调试。由于ESP8266的工作电压为3.3V，一些需要5V电压的电路需要使用转换器或稳压芯片进行电压转换。这会增加额外的成本和复杂度。
方案二：NRF24L01通信模块是1种具有较高的性能和较低的功耗等特性的无线收发芯片。为了实现可靠的无线数据传输，它具有频率发生器、改进的SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器等元件[7]。SPI接口使设置输出功率、通道和协议变得简单。NRF24L01可支持多种工作模式，包括发送模式、接收模式、自动重传模式和自动ACK模式，以及多种数据加密方式，如CRC校验和数据包重发机制，确保数据传输的可靠性和安全性。NRF24L01耗电极少。在发出为-6dBm功率的时候，电流消耗量仅仅只有9毫安，而且接收模式下的电流消耗量仅仅只有12.3毫安。通过直接降低电力的消耗和待机模式下的电流消耗量来延长电池的使用年限[8]。因此，它非常适用于低功耗应用领域，如远程控制、传感器网络、家庭自动化等。
综上所述，NRF24L01无线模块适合本次实验研究。
2.2.4 显示器选择
方案一：LCD小屏幕是指使用液晶显示技术的小尺寸显示器。LCD小屏幕通常在几英寸到十几英寸之间，最常见的尺寸是2.4英寸、3.5英寸和5英寸。目前，主要的液晶显示技术有TN、IPS和OLED等。其中，TN是最常用的液晶技术之一，具有响应速度快、价格低廉等特点[9]。而IPS技术则具有更好的颜色表现和视角，OLED则可以实现更高的对比度和更深的黑色。但由于连接单片机的LCD屏幕通常需要使用专门的驱动芯片或者编写复杂的驱动程序来实现显示效果，这会增加开发难度和时间成本。且LCD屏幕需要背光和电源驱动，这会消耗大量的电能，如果使用的是低功耗单片机，这可能会导致能耗较高。
方案二：OLED小屏幕显示器的屏幕尺寸通常在1到5英寸之间，有些则小得多。在连接到单芯片微控制器时，OLED小屏幕显示器也有几个好处。它们通常使用最少量的引脚连接到微控制器，这使得它们特别适用于嵌入式系统。OLED小屏幕显示器具有更深的黑色层次和更高的对比度，这使得它们在光线昏暗的环境中更容易看清。OLED小屏显示器具有更高的刷新率，能够更快地显示电影和游戏等动态内容。OLED小屏幕显示器也比LCD显示器更耐用，因为它们不易出现图像老化问题。OLED小屏幕显示器比LCD 显示器使用更少的能量，因为它们不需要背光，而只具有发光像素。因此，对于许多嵌入式应用，OLED小屏幕显示器通常是更优的选择。综上所述，OLED小显示屏符合本次系统设计。
本章节主要从基于单片机的雨量自动检测系统的控制特点、性能要求、实现原理展开了阐述，并且结合阐述内容进行了基于单片机的雨量自动检测系统的方案论证，根据方案再确立具体的模块选择。其中用到的主要模块包括单片机控制器、显示模块、雨量传感模块和无线收发模块[10]。只有模块的选择正确，才能够满足系统高性能的要求。选择模块的时候必须仔细权衡模块的价格、性能、靠谱性、使用便利性等因素。硬件方案的确定，为后续的软件代码部分做好了铺垫，使代码编写有了理论依据。