（信息与通信工程专业论文）智能地面气象监测仪的研究与实现.pdf

教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：雅 日期：九r 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 日期：砷，o 厂 日期：ui o 歹 摘要 智能地面气象监测仪的研究与实现 摘要 近年来全球气候变暖，干旱、洪灾、高温天气、低温冰冻等极端 天气频发，影响日趋广泛，为做好公共气象服务的需要，必须实现对 大气中各种气象要素进行连续监测，获得基本的气象资料，为开展天 气预报、气象服务、气候变化评估和气象科学研究提供准确、可靠的 观测数据，提高气象防灾减灾能力，做好应对气候变化工作。本论文 针对上述业务的需求，开展新一代智能地面气象监测仪的研究工作。 文章阐述了国内、外气象监测仪器( 自动气象站) 的现状，分析 国外先进气象监测仪器不适用于我国气象探测业务的原因，根据我国 实际气象业务的需求，指出新一代智能地面气象监测仪器应该具有的 功能特点，提出一个较完善的系统设计方案。根据硬件系统设计方案， 文章详细描述了单片机芯片、数据存贮芯片和程序存贮芯片选型过程 及其功能特点。根据地面气象仪器探测气象要素的需求，详细介绍了 风向、风速、雨量、温度、湿度和气压传感器选型及其工作原理。深 入了解单片机和各种气象传感器的接口电气性能特点后，文章设计出 实用的传感器输入输出接口电路方案。围绕c a n 总线技术，设计出 气象仪器的c a n 总线电路方案。另外，文章也设计了模数转换电路、 电源电路、实时时钟电路、l e d 显示电路和r s 2 3 2 通信接口电路，并 进行了详细的功能介绍。 软件设计方面，重点介绍气象数据采集器软件的方案设计和编 写，包括：气象数据读取模块设计、定时任务模块设计、接收和发送 模块设计、检查和异常处理模块设计和l e d 显示模块设计等，附录主 要程序原代码。而计算机处理分析系统软件方面作了详细功能介绍， 附录部分程序介面。 在仪器开发完成后，根据实际检查测试方法对该仪器进行测量， 通过对测量数据分析，评价了该仪器的数据可靠性和可信性，最后综 合总结了该监测仪器的性能特点。 关键词：地面气象设计单片机传感器模数转换测试 摘要 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fi n t e l l i g e n t g r o u n dm e t e o r o l o g i c a lm o n i t o r a b s t r a c t g l o b a lw a r m i n g ，d r o u g h t ，f l o o dd a m a g e ，h o tw e a t h e r ，c r y o g e i l i cf r e e z i n g ， a n do t h e re x t r e m ew e a t h e rh a p p e n e dc o n t i n u a l l yi nr e c e n ty e a r s ，a n dt h e i ri m p a c ti s w i d ed a yb yd a y m o n i t o r i n ga n dm e a s u r i n gm e t e o r o l o g i c a le l e m e n t sc o n t i n u o u s l yf o r b a s i cm e t e o r o l o g i c a ld a t aa r ei n d i s p e n s a b l et op r o v i d ep u b l i cm e t e o r o l o g i c a ls e r v i c e s i tc a no f f e re x a c ta n dr e l i a b l ed a t af o rw e a t h e rf o r e c a s t ，m e t e o r o l o g i c a ls e r v i c e , c l i m a t ec h a n g ed v a l u a t i o na n dm e t e o r o l o g i c a ls c i e n t i f i cr e s e a r c h i ta l s oc a ni m p r o v e t h ea b i l i t yo fd i s a s t e rp r e v e n t i o na n dm i t i g a t i o n , a n dr e a c to nt h ew o r ko fr e p l y i n g c l i m a t ec h a n g e a i m i n ga tt h ed e m a n do ft h eo p e r a t i o na b o v e , an e wg e n e r a t i o no f i n t e l l i g e n tg r o u n dm e t e o r o l o g i c a lm o n i t o r i ss t u d i e di nt h et h e s i s t h i st h e s i sp r e s e n t st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa ni n t e l l i g e n tg r o u n d m e t e o r o l o g i c a l m o n i t o r f i r s t l y , d e v e l o p m e n t o fm e t e o r o l o g i c a li n s t r u m e n t si s d e s c r i b e d s e c o n d l y , t h ef u n c t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c so fan e wg e n e r a t i o no fa n i n t e l l i g e n tg r o u n dm e t e o r o l o g i c a lm o n i t o ra r ei n t r o d u c e d , a n dac o m p a r a t i v e l yp e r f e c t d e s i g n s c h e m eo ft h e s y s t e m i ss h o w na c c o r d i n gt o p r a c t i c a ld e m a n d so f m e t e o r o l o g i c a lo p e r a t i o n i nc h i n a t h e nt h e p r o c e s so ft y p es e l e c t i o na n dt h e f u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so fs c ms y s t e mc h i p ，d a t am e m o r yc h i pa n dp r o g r a m m e m o r yc h i pa r ed e s c r i b e di nd e t a i lb a s e do nt h eh a r d w a r ed e s i g ns c h e m e t h e p r o c e s so ft y p es e l e c t i n ga n dw o r kp r i n c i p l eo fw i n dd i r e c t i o ns e n s o r , w i n ds p e e d s e n s o r , r a i ng a u g e ，t e m p e r a t u r es e n s o r , h u m i d i t ys e n s o ra n da i rp r e s s u r es e n s o ra r e a l s oi n t r o d u c e db a s e do nt h er e q u i r e m e n to fd e t e c t i n gm e t e o r o l o g i c a ld a t a a c c o r d i n g t os c ma n de l e c t r i cp r o p e r t i e so fd i v e r s i f i e ds e n s o r s ，d e t a i l e ds c h e m eo f i n p u t o u t p u t c i r c u i ti n t e r f a c ei si n t r o d u c e d d e s i g no fc a nb u si si n t r o d u c e da c c o r d i n gt ot h e c a nb u st e c h n i q u e a n a l o gd i g i t a lt r a n s f o r mc i r c u i t ，p o w e rs u p p l yc i r c u i t ，r e a lc l o c k c i r c u i t ，l e dd i s p l a yc i r c u i ta n dr s 2 3 2c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i ta r ed e s i g n e d ， a n dt h e i rf u n c t i o n sa r ei n t r o d u c e d t h ed e s i g no fs c h e m ea n dc o m p i l a t i o no fm e t e o r o l o g i c a ld a t aa c q u i s i t i o n i i 摘要 p r o c e s s o r s o f t w a r ea r e e m p h a t i c a l l y i n t r o d u c e d i ti n c l u d e st h ed e s i g no f m e t e o r o l o g i c a ld a t ar e a d i n gm o d u l e ，t i m et a s km o d u l e ，r e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n g m o d u l e ，c h e c k i n ga n dm i s t a k ep r o c e s s i n gm o d u l ea n dl e dd i s p l a ym o d u l e t h em a i n p r o g r a mc o d ei ss h o w ni nt h ea p p e n d i x t h es o f t w a r eo fc o m p u t e rp r o c e s s i n ga n d a n a l y z i n ga r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s o m ep r o g r a mp i c t u r e sa r es h o w ni nt h ea p p e n d i x b e s i d e sd e s i g n i n gt h ei n s t r u m e n t ，i ti sm e a s u r e da c c o r d i n gt op r a c t i c ec h e c k b y a n a l y z i n gt h ed a t am e a s u r e d ，t h er e l i a b i l i t ya n dc r e d i b i l i t yo ft h ei n s t r u m e n ta r e e v a l u a t e d a tl a s t i t sf u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sa r es u m m a r i z e ds y n t h e t i c a l l y k e yw o r d s ：g r o u n dm e t e o r o l o g y , d e s i g n ，c s m ，s e n s o r , a n a l o g d i g i t a l t r a n s f o r m a t i o n ，t e s t i i i 1 2 2 1 2国外地面气象监测仪器现状5 1 3 地面气象监测仪发展趋势6 1 4 本论文提出研究的背景8 1 5 本论文的主要研究工作8 1 6 本论文的主要内容构成9 第二章智能地面气象监测仪总体设计和部件的选择1o 2 1 气象监测仪系统的总体设计1o 2 2 气象监测仪单片机的选择与介绍1 1 2 3 气象监测仪存贮芯片的选型和介绍16 2 4 气象监测仪传感器选型和介绍1 7 第三章智能地面气象监测仪的硬件电路设计2 2 3 1 气象监测仪电源电路设计2 2 3 2 气象监测仪看门狗复位电路设计2 2 3 3 气象监测仪时钟振荡电路设计2 3 3 4 气象监测仪r s 2 3 2 通信接口电路设计2 3 3 5 气象监测仪输入输出电路设计2 4 3 6 气象监测仪显示电路设计2 5 3 7 气象监测仪c a n 总线电路设计2 6 3 8 气象监测仪模数转换电路设计2 8 3 9 气象监测仪电路原理图设计2 9 3 1 0 气象监测仪p c b 电路板制作3 1 第四章智能地面气象监测仪的软件设计3 4 4 1 程序初始化模块设计3 4 4 2 气象数据读取模块设计3 5 4 3 程序定时任务模块设计3 5 4 4 程序接收和发送模块设计3 7 4 5 程序检查和异常处理模块设计：3 7 4 6 气象监测仪软件l e d 显示模块设计3 8 4 7 计算机处理分析系统软件的功能设计3 9 i v 目录 第五章智能地面气象监测仪实际检查和测量测试4 3 5 1 气象监测仪检查测试项目4 3 5 2 气象监测仪检查规则和方式4 3 5 3 气象监测仪采集器电源放电实验4 4 5 4 气象监测仪时钟校验测试4 4 5 5 气象监测仪电压测试实验4 4 5 6 气象监测仪性能测试结果4 5 5 7 气象监测仪的实际检查测量和测试结果4 7 5 8 气象监测仪性能特点总结二4 8 第六章论文工作总结和下一步的研究工作5 0 6 1 论文工作总结5 0 6 2 下一步的研究工作5 0 参考文献5 1 附录5 2 致谢5 4 作者在攻读硕士学位期间取得的研究成果5 5 v 北京邮电大学学位论文 绪论 绪论 人类的活动都是在地球表面的大气层进行，表层空气质量的好坏，直接影响 人类的身体健康；。社会城市化和工业化进程的加速，不同程度造成大气质量变 坏；特别是近年来全球气候变暖，干旱、洪灾、高温天气、低温冰冻等极端天气 频发，影响日趋广泛，为了遏制大气环境的进一步恶化和做好公共气象服务，首 先对大气中各种气象要素进行连续监测，获得基本的气象资料，再开展天气预报、 气象信息、气候变化评估、气象科学研究和气象服务等研究工作，提高防灾减灾 能力，做好应对气候变化工作，是党和政府对气象部门的根本要求，也是气象工 作者的重要责任。做好这些工作，核心是提高预报预测准确率，根本是增强防御 和减轻气象灾害的服务能力，而智能地面气象观测系统提供的准确、可靠的观测 数据，是提高预报预测准确率和服务能力的重要保证。 随着科学技术的不断发展，我国的地面气象监测仪器已具有一定的研究、开 发和生产能力。本论文针对上述业务的需求和现有的技术基础，采用当今成熟的 微电子技术、稳定的、先进的电子测量、数据传输和控制系统技术，设计开发一 套智能地面气象监测仪器。 本论文开展对国内外气象监测仪器的现状调查，以中国气象局地面观测站规 范和中国气象局第二代自动气象站开发功能规格书要求为指导，根据我国实际气 象业务的需求，指出新一代智能地面气象监测仪器应该具有的功能特点，结合现 代最近电子探测技术、数据传输和控制系统技术，设计基于现代c a n 总线和嵌入 式系统技术，实现智能自动化连续监测，满足地面多气象要素自动观测的需要。 论文按设计顺序，先对硬件设计进行详细分析，再叙述软件的功能模块，最 后对开发完成的智能地面气象监测仪进行实际测量测试，分析测试结果是否符合 气象业务指标要求，总结仪器性能特点，指出下一步的研究工作。 本论文来源于广东省大气探测技术中心承担的省级科技计划课题项目 地 面气象综合探测自动化系统的研制( 编号：2 0 0 2 c 3 2 6 0 1 ) ，论文选题符合目前 中国气象局第二代自动气象站发展的方向，具有很好的先进性和应用价值。 第1 页共5 5 页 北京邮电大学学位论文 第一章地面气象监测仪器的现状 第一章地面气象监测仪器的现状 目前中国气象局开展的地面气象监测要素包括云、能见度、天气现象、气压、 空气温度、空气湿度、风速、风向、降水、雪深、雪压、蒸发、辐射、日照、地 温、冻土、电线积水和地面状态。能方便实现仪器自动监测的气象要素主要有能 见度、气压、空气温度、空气湿度、风向、风速、降水、蒸发、辐射、日照和地 温，其它气象要素监测只能通过人工观测实现。本研究仅对能实现地面自动气象 监测的仪器进行研究。 1 1国内地面气象监测仪器现状 我国地面气象监测仪器主要有常规地面人工监测仪器和地面自动气象站两 大类。在功能齐全和性能稳定方面，与国际上的同类产品基本一致，都能满足气 象要素监测的需求，国内研发出的仪器具有明显价格优越，技术支持和售后服务 良好，维护成本低。目前气象系统使用常规地面气象仪器有e n 2 型测风数据处理 仪，s j l 型虹吸式雨量计，d w j l 型自动温度计，d h j l 型自动湿度计、d y 3 1 自动 气压计和最近研制出并投入气象业务使用的自动气象站等。气象仪器的趋势都是 数字化、智能化、集成化发展。 1 1 1e n 2 型测风数据处理仪 e n 2 型测风数据处理仪用于气象台站观测记录地面风，由微型打印机、液晶 显示器、键盘、风速风向传感器接口、上位机接口、可选的外接显示器接口、微 型处理板和电源等部件组成。 主要特点：1 风速测量范围大，风向测量精度高，尤其适合沿海、高山等强 风地区。2 内部数据存贮器可存贮2 个月的气表1 内容及2 天的风向风速连续数 据，即使打印机损坏，数据记录仍可查询。3 具有4 个报警风速点。4 增加了大 风组报、加密报，可选择打印次数。5 装有串行通讯接口，配有本公司开发的微 机专用数据处理软件，仪器使用更方便，操作更直观。 主要功能：1 自动打印整点前十分钟平均风速及最多风向；并在8 个( 或 2 4 个) 整点前6 分钟自动打印二分钟平均风速及风向；二十点时自动打印全天 4 次二钟风速合计及平均值；全天2 4 个整点十分钟风速合计及平均值；全天最 大风速风向及发生时间；全天极大风速风向及发生时间。2 自动进行4 个风速点 ( 自设、2 0 m s 、2 4 m s 、2 8 m s 、) 的报警，定时自动打印大风组报、加密报 第2 页共5 5 页 北京邮电大学学位论文第一章地面气象监测仪器的现状 ( 可选) 。当风速大于报警风速时自动发出报警音响信号，并打印出报警标志、 风向风速和时间；当风速小于报警风速的连续时间达到规定值时，打印出报警解 除标志及解除时刻的风向风速和时间，并发出音响信号。3 显示和设置时间：显 示和设置大风报警风速；显示瞬时风速风向、当前二分钟、十分钟平均风速和最 多风向；当天的最大风速风向和发生时间；当天的极大风速风向和发生时间；当 天整点十分钟平均风速合计。存贮2 个月的气表内容及2 天的连续风向风速数据。 可随时显示2 个月之内任一天任一整点的风向风速；任一天最大风速风向及发生 时间；极大风速风向及发生时间。4 可将e n 一2 数据通过接口输入微机，进行时 实观测或由计算机处理成日报表、月报表、风向频率玫瑰图、风速频率图、连续 曲线等。打印输出的月报表与气表l 格式相同。 主要技术指标：1 气候环境条件( 1 ) 环境温度：0 4 5 ( 2 ) 相对湿度：不大 于9 5 rh ；2 输入信号范围( 1 ) 风速测量范围：0 , - - - 9 0 o m s ( 2 ) 风向测量范围： 0 - - - 3 6 0 0 ；3 数据处理精度及测量精度( 1 ) 风速处理精度：o 1m s ( 2 ) 风向分辨率： 3 。( 3 ) 时钟误差：3s 日。 1 1 2s j l 型虹吸式雨量计 s j l 虹吸式雨量计用于气象台站连续自动记录大气中的液体降水量，降水的 起迄时间和降水强度。利用虹吸原理排出浮子塞内降水，最大优点：节约能源， 降水有记录，不需要人守候，精度高，但必须定时到现场去更换记录纸。 主要技术指标：承水口内径2 0 0 + 0 6 m m ，降雨强度0 0 5 4 m m m i n ，钟筒转一 周2 6 h r ，记录误差0 0 5 m m ，走时误差：5 m i n ( 2 4 h r ) ，尺寸3 5 0 1 1 8 2 r a m ，重 量1 7 k g 。 1 1 3d w j l 型自动温度计 d w j l 型自动温度计用于气象台站连续记录近地面某一段时间内空气温度变 化，有日记和周记两种型号。 主要技术参数：测量范围一3 5 + 4 5 ，准确度小于1 ，记录周期：2 6 h ( 日 记d w j i ) 1 7 6 ( 周记d w j i - i ) ，外形尺寸3 3 0 1 2 5 1 9 5 r a m ，重量小于3 k g 。 1 1 4d h j l 型自动湿度计 d h j l 型自动湿度计用于气象台站、国防、部队、科研、农业、林业、环境 监测、教学、仓库、实验室、档案等有关部门用来连续记录近地面某一段时间内 空气相对湿度变化的仪器。 主要技术参数：测量范围- - 3 0 1 0 0 r h ，准确度：小于5 r h ，记录周期： 第3 页共5 5 页 北京邮电大学学位论文第一章地面气象监测仪器的现状 2 6 h ( 日记d h j l ) 1 7 6 ( 周记d h j l 1 ) ，外形尺寸：3 3 4 2 3 3 1 9 5 m m ，重量小于 3 k g 。 1 1 5 d y j l 自动气压计 d y j l 自动气压计是用一组真空膜盒作为感应元件，用来连续记录近地面某 一段时间内大气压力变化的仪器。该仪器适用于气象台站、科研、农业、环境监 测、教学、实验室等有关部门。 主要技术参数：测量范围8 8 0 1 0 7 0 h p a ( d y b l ) ，6 8 0 - - - 1 0 3 0 h p a ( d y b i - 1 ) ， 最小分度值0 0 5 h p a ，准确度0 2 h p a ，使用温度：一1 5 + 4 5 ，仪器尺寸0 6 4 ( 1 1 3 7 1 1 7 5 ) 姗( d y b l ) ，6 4 ( 1 1 0 l 1 1 4 5 ) 咖( d y b 卜1 ) ，重量小于5 k g 。 1 1 6自动气象站 自动气象站是近年来才研制出来并投入气象业务使用的综合气象探测仪，可 对地面多种气象要素( 空气温度、相对湿度、风向、风速、雨量、气压) 进行自 动采集、计算、处理、存储和通信。该仪器适用于气象台站、军事、海运、航空、 环保等部门气象探测需要。 该仪器数据采集器、各种气象要素( 风、温、雨、湿、压等等) 传感器、供 电系统、存储器、l c d 显示屏、通信单元、键盘等组成，其主要性能参数见表1 - 1 。 表1 - 1自动气象站主要性能技术指标 空气温度 一2 0 6 0 相对湿度 0 1 0 0 工作环境供电要求交流2 2 0 v 1 0 ，直流1 0 1 5 v 抗风能力风速小于7 5 m s 时，能正常工作 海拔高度4 5 0 0 米发下 测量要素范围分辨力最大允许误差 气压 5 0 0 h p a 1lo o h p a0 1 h p a 0 3 h p a 气温 - 5 0 5 0 0 1 0 2 3 ( 8 0 ) 相对湿度 5 1 0 0 r h1 5 ( 8 0 ) 风向 0 3 6 0 。3 。 5 。 风速o 6 0 m s0 1 m s( 0 5 + 0 0 3 v ) m s 翻斗：雨强0 0 4 m m ( l o m m ) 降水量 0 1 m m 4 m m m i n4 ( l o m m ) 第4 页共5 5 页 北京邮电大学学位论文第一章地面气象监测仪器的现状 1 2 国外地面气象监测仪器现状 国外一些发达国家在气象监测方面使用的地面气象仪器水平也存在一些差 异，其中美国、德国和芬兰的产品在性能技术上代表当今世界的先进水平。近年 来，欧美等发达国家已经相继研发出集成度较高智能型的地面气象监测仪，并进 入我国地面气象观测领域。因为其价格昂贵，技术支持和售后服务得不到保证， 维护成本高，所以目前在国内还没有广泛应用。 1 2 1e a s i d a t am a r k4 型自动气象站 该型号自动气象站澳大利亚e n v i r o n d a t a 公司的产品，是一种模块式的智 能地面气象检测系统，可以完成对多个气象要素的实时测量和存储的气象站，用 于气象部门所属地面观测站，还可以用于环境检测、民航、海运、军事、农林、 水文、盐场、大型厂矿、大型运动设施等需要气象要素测量及实时气象数据采集 处理的场合。 其标准配置主要包括如下各部份：风速传感器、风向传感器、温度传感器、 湿度传感器、气压传感器、雨量传感器、数据处理器、三脚架和桅杆、电缆和软 件光盘。其中数据处理器有下列特点：非易失性存储、数据平均周期可选、1 2 位模数转换、两种警报输出方式和m o d e m 传输方式。具有1 2 8 k b 的存储容量( 6 个传感器同时工作，在1 5 分钟的间隔存放一组数据情况下大约可以存储4 5 天) 。 另外带有1 2 0 v 交流电源适配器和r s 2 3 2 串行端口，方便与计算机连接，同时为 了便于野外或远距离使用，具有交流电和太阳能供电两种方式，配可充电后备电 池，以防止气象站连续工作时突然断电。 1 2 2w s - 1 6 模块化气象站 w s - 1 6 模块化气象站是美国一家公司的产品，是一种操作简便的，可实时监 测记录多种气象参数的自动系统。标准配置包括：风速、风向、空气温度、相对 湿度、大气压、降雨量、数据采集器、三角支架、线缆和基本装配和设置软盘。 其传感器指标如表i - 2 。 1 2 3 m 瞒系列气象站 目前全世界的7 0 多个国家和2 0 多个地区和组织基本上都是使用芬兰 v a i s a l a 公司的气象产品进行气象观测，自动气象站也不例外。v a i s a l a 公司自 动气象站的代表系列是m a w s 系列，目前在全球的大多数国家和地区使用的是 m a w s 2 0 1 系列，该系列现已发展到了m a w s 3 0 1 、m a w s 4 1 0 系列。与国产自动气象 第5 页共5 5 页 北京邮电大学学位论文第一章地面气象监测仪器的现状 站相比，国外的自动气象站和气象传感器具有如下特点：( 1 ) 气象传感器技术先 进，产品精确性和稳定性优越，除基本的六要素传感器外，土壤和水的温度、太 阳辐射、土壤湿度、能见度、云等要素的传感器已经有成熟的产品出现。( 2 ) 自 动气象站可以根据用户的不同需求增减传感器的种类和数量，实际操作简便。采 用通用的数据传输格式，用户能自由配置数据的输出格式。基本满足世界各国各 种业务应用的需要。( 3 ) 自动气象站采用良好的防护措施，能够适用于各种复杂 环境。在装备使用的机动性、操作的便捷性、维修的快捷性、恶劣环境的适应性 等方面都做得较好。( 4 ) 尽管国外自动气象站和传感器性能优越，但是通过进口 自动气象站在中国长期运行的情况来看，其硬件和软件的表现都不尽如人意。这 是因为国外自动气象站的结构、传感器和软件等都是针对当地的具体情况设计 的，并不完全符合我国的实际情况。 表卜2w s 1 6 模块化气象站传感器指标 传感器规格 风速范围：0 5 7m s ，分辨率： 0 1m p h ，精度：lm p h ，启动下限： o 8m p h ，时间量：2 秒。 风向范围：0 - 3 6 0 。，分辨率： 1 ，精度：3 ，启动下限：2 0 0 一w s 一0 2 e ： 1 2m p h2 0 0 一w s 一0 5 e ：0 5m p h 。 温度范围：一4 0 。t o + 1 4 0 。f ，分辨率： 0 1 。f ，精度：1 。f 。 相对湿度范围：0 - 1 0 0 r h ，精度：3 ( 1 0 - 9 0 ) 降雨量 分辨率：0 0 1 ”t i p ；精度：4 u pt o3 ”d , 时；最大值：无上 限 大气压范围：2 8 2 5 3 0 7 5 英寸汞柱，测量跨度：2 5 0 英寸汞柱( 8 5h p a ) 分辨率：0 0 1 英寸汞柱或o 3h p a ，海拔偏移：0 到+ 1 0 ，0 0 0 英尺，可调节；绝对精度：0 0 5 英寸汞柱。 1 3 地面气象监测仪发展趋势 在地面气象监测仪器方面，正向高集成的综合地面观测方向发展，基本技术 原因，地面所有观测气象要素还不能全部实现自动观测。目前国外一些发达国家 已研发出技术先进集成度较高的产品，但不适合我国国情，主要表现在价格昂贵， 技术支持和售后服务得不到保证，维护成本高。针对这种情况，通过学习国外先 进技术，研发既适合我国国情又尽可能与国际接轨的监测仪器，满足我国地面气 象观测的需求。 第6 页共5 5 页 北京邮电大学学位论文第一章地面气象监测仪器的现状 根据中国气象局第二代地面自动观测站的功能规格书要求，智能地面气象监 测仪的发展应具有以下特点： a 、高新技术的应用 本研究充分运用最先进的气象传感器技术、微电子技术、计算机技术和现代 无线通信技术，是计算机技术、微电子技术和气象探测技术的集成。开发智能地 面气象监测仪集成当今成熟的、稳定的、先进的电子测量、数据传输和控制系统 技术，设计基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建的自动气象站，满足地面气 象观测多要素自动观测。 b 、产品统一系列化 注重各气象要素探测系统集成，仅能单气象要素能独立探测，更加注重多种 气象要素的综合探测，能统一标准进行集成。未来的地面气象监测仪器将由气象 传感器、数据采集系统、数据处理系统、通信系统和数据发布系统等部份组成。 c 、适应性强 地面气象监测仪适应低温到高温，低湿到高湿野外环境的变化，也能在高盐 分腐蚀海洋环境中应用。 d 、性能价格比高 在重视高新技术含量的仪器开发同时，注重适当价格器件的选型，开发并生 产出适合我国国情的仪器产品，满足现代气象探测业务的需要。 为适应现代气象监测的要求，还应加强以下几方面的工作： a 、加强地面气象监测仪器应用理论研究 一方面要通过引进、学习国外先进技术和设备，提高我们的气象探测技术水 平，同时加强气象专业和微电子技术专业的研究，提高理论研究水平。 b 、控制气象仪器质量 地面气象监测仪是全天候运行的设备，部分仪器在特定的恶劣条件下工作。 它是多学科、多专业的综合开发。要严格控制各个环节，提高气象监测仪的质量， 满足气象业务的指标要求。 c 、制定和修改相关气象规范 中国气象局应加强修改、制定相关气象的探测规范，是指导专业气象探测业 务进步的重要内容。规范不能落后于现代化地面气象监测仪器发展的步伐，这样 才能更加规范和指导气象仪器的研发，促进发展。 d 、加大科技投入，建立地面气象监测仪研究专项资金 气象部门是共公气象服务机构，财力有限。气象科研的投入一方面依靠市场 利益驱动外，同时更需要政府的强有力支持，特别是重点课题的攻关和大型气象 装备的研制，都需要上级主管部门的组织和政府资金的支持。 第7 页共5 5 页 北京邮电大学学位论文 第一章地面气象监测仪器的现状 面对新的发展机遇和挑战，开发一套适合我国气象观测应用的智能地面气象 监测仪器任重而道远，要在气象传感器技术和微电子技术上下功夫，使得开发出 来的气象仪器长期运行稳定，监测数据可信，能准确、真实反应大气状况和变化 规律，为天气预报人员提供科学的决策服务依据。 1 4 本论文提出研究的背景 通过对国内外自动气象站现状的分析可以看到，目前我国地面气象观测站能 实现自动气象监测的仪器绝大部份都是单个要素进行，集成度低，尽管国内的自 动气象站基本能满足气象业务的需要和环境的要求，但存在不足和缺陷也较大。 必须充分认识到我国气象观测水平与国外先进技术相比还有较大的差距，为了满 足不断提高的气象观测需求，提高我国气象观测事业的整体水平，应重点发展新 一代自动气象站，对气象传感器、数据处理等关键技术进行改进，使我国的新一 代自动气象站能够进入世界一流的行列。 按照中国气象局第二代自动气象站开发功能规格书要求，第二代自动气象站 基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建，采用了国际标准并遵循标准、开放的 技术路线进行设计，它由硬件和软件两大部分组成。硬件包括采集器( 1 个主采 集器和若干个分采集器) 、外部总线、传感器、外围设备四部分；软件包括嵌入 式软件、业务软件二部分。为了实现自动气象站的最小配置，将基本气象要素传 感器直接挂接在主采集器上。可以对自动气象站进行不同的配置，以实现不同观 测任务或满足不同类别气象观测站的需要，以最大限度地方便维护和降低维护成 本。 1 5 本论文的主要研究工作 本论文所设计的智能地面气象监测仪采用i n t e l 公司生产的低功耗c m o s 微 处理器8 0 c 3 2 0 芯片作为中央处理器，配以n e c 公司生产的低功耗c m o s 并行接口 芯片8 2 c 5 5 ，实现对多种要素气象传感器进行控制和数据采集，并通过g p r s 无 线数据传输技术，将气象数据传回到气象信息中心服务器。 本论文通过对微处理器8 0 c 3 2 0 和大规模集成接口电路的研究，设计出智能 地面气象监测系统的硬件方案，给出相应的原理图。硬件主要解决气象传感器、 时钟芯片、l c d 显示、通信接口、硬件运行监控等与微处理器的接口电路设计， 并对研制出来的地面气象监测仪进行气象数据采集的实际测试。软件设计给出程 序设计流程图，按照气象业务规范编写出能自动进行气象数据采集、处理、传送、 第8 页共5 5 页 北京邮电大学学位论文 第一章地面气象监测仪器的现状 存储和输出的应用程序。 主要工作内容包括： a 、需求调研，总体方案设计，根据系统需要进行硬件部件( 气象传感器选 型，微处理器和相关接口芯片等) 选定。 b 、具体硬件电路设计，并进行电路布设合理性分析。 c 、软件系统的软件设计，并进行系统连接测试。 d 、对研制出来的智能地面监测仪进行实际测量测试等。 1 6 本论文的主要内容构成 本论文第一章叙述国内、外地面气象监测仪器的现状和未来发展趋势，指导 开发研究适合我国地面气象业务需求的气象监测仪器的必要性，列出本论文要完 成的主要工作。在论文第二章里，根据气象业务的需求，设计仪器硬件系统结构 示意图，重点介绍单片机、存贮芯片的选型，详细介绍六种气象要素传感器的原 理。在论文第三章设计各个分电路的方案，介绍电路原理图的设计和p c b 电路 板制作，展示仪器实物图。第四章分别介绍数据采集处理器软件各功能模块设计 和计算机处理分析系统软件功能设计。第五章描述对仪器进行实际试验、数据测 试情况，验证仪器实测气象数据的可信性，根据测试结果总结该仪器的性能特点。 最后一章对论文工作进行总结，提出下一步需要研究的工作。 第9 页共5 5 页 北京邮电大学学位论文 第二章智能地面气象监测仪总体设计和部件的选择 第二章智能地面气象监测仪总体设计和部件的选择 本文设计的智能地面气象监测仪以中国气象局地面观测站规范和中国气象 局第二代自动气象站开发功能规格书要求为指导，采用当今成熟的、稳定的、先 进的电子测量、数据传输和控制系统技术，设计基于现代总线技术和嵌入式系统 技术构建的自动气象站，满足地面气象观测多要素自动观测。它是一套能长期稳 定运行无人职守的监测系统，全程记录各种气象要素数据及其出现的时间。它是 一个数据采集系统，从各种气象传感器中自动采集气象信息。数据采集接口有 r s 2 3 2 ，a 9 转换，脉冲等多种形式，方便不同型号、各类通信接口的气象传感 器接入，数据可暂时存放在r a m 芯片中，可记录1 个月以上的气象数据，并且可 实时传回到省级信息中心服务器中。采用c m o s 数字电路技术，最大程度减少能 耗，可使用市电2 2 0 伏或太阳能系统供电。 2 1 气象监测仪系统的总体设计 根据气象业务的需要，智能地面气象监测仪由硬件和软件两大部份组成，其 中硬件部份由8 0 c 3 2 0 c p u 、接口电路、气象传感器、电源、实时时钟电路、l c d 显示、存储数据芯片和无线传送电路组成。硬件系统结构示意图如图2 1 所示。 l c d 显示器r 卜_ 1 驱动电路 传感器l 传感器2 传感器n 总线接 口电路 8 0 c 3 2 0 微处理 器 5 7 3 锁 存 时钟芯片 数据存储器 程序r o m 图2 - 1 硬件系统结构示意图 该气象监测仪主要采用单片机控制技术，8 0 c 3 2 0 作为整个系统的主处理器， 通过接口电路，从不同的气象传感器获取不同的气象要素资料，从时钟芯片读取 时间数据，按照气象规范要求进行运算处理，将实时资料经驱动后由l c d 显示器 显示出来，方便现场阅读；同时将气象资料存放在本地数据存储器r a m 中，另外 气象资料按照气象编码要求进行编码后，通过无线通信模块g p r sd t u 传回省局 气象信息中心服务器。 第l o 页共5 5 页 北京邮电大学学位论文第二章智能地面气象监测仪总体设计和部件的选择 2 2 气象监测仪单片机的选择与介绍 近年来，微电子测量和控制技术成熟应用，为开发一套智能地面气象地面监 测仪提供良好的硬件条件。该仪器是用当今成熟的、稳定的、先进的电子测量、 数据传输和控制系统技术，设计基于现代高速微处理器为核心的自动气象监测设 备，满足地面气象观测全要素自动观测。具有高精度、高稳定、易维护、低功耗、 易扩展和实时远程监控等特点。 2 2 1 单片机的选型 单片机又称微处理器或控制器，是常见智能设备产品中信号处理的核心部 件。目前的单片机种类很多，用户选择的几个重要指标主要有：价格、工作电压、 运行速度、数据位数、r a m 、r o m 、功耗、系统扩展和驱动能力等等。另外，软件 开发系统的简易性也很大程度上影响用户的选择，例如，m c s 一5 1 系列作为最流 行的8 位单片机，其广泛应用的主要原因之一就是它具有非常方便的开发工具、 集成环境和软件支持资源。 单片机是整个系统的控制中心，它的选型直接关系到系统其它硬件的配置。 一个完整的单片机应用系统的硬件电路设计包括两部份内容：一是单片机本身的 系统扩展，不同型号单片机其内部的功能单元会有所差别，如r o m 、r a m 、i o 、 定时器计数器、中断系统等，具有8 位或者1 6 位数据接口两种，外地址一般为 1 6 位，不扩展情况下最大寻址能力为6 4 k b i t 。在系统扩展不能满足应用系统的 要求时，必须在片外进行扩展，选择其它适当的硬件芯片，如r o m 芯片、r a m 芯 片、i o 接口芯片等，设计相应的电路，满足系统的要求。二是系统的配置，也 就是智能系统要求配置外围设备，如l c d 显示器、a d 、