（系统分析与集成专业论文）基于msc1210气象数据采集系统的研制.pdf

南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 0 气象数据采集系统的研制 摘要 气象数据自动采集是自动收集、处理、存储或传输气象信息的过程。一般由 传感器、数据采集器、上位p c 机等组成。数据采集器按设定的要求对传感器采 集的参数进行处理，处理后的气象资料用有线或无线方式传输给上位机。 本文介绍的气象数据采集系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分采用t i 公司的l i s c l 2 1 0m c u 芯片为核心器件，设计了一种多路数据采集器，实现在无 人监管的情况下定时完成对气象要素温度、湿度、气压、雨量、风向和风速的 采集，通过串行通信和g p r s 无线通信两种方式将采集的数据实时传输到上位计 算机。软件部分包括数据采集器应用软件和上位机应用软件的开发。数据采集 器的软件按照设定的采样周期对输入的传感器信号进行采样、处理；上位机的 数据采集软件完成与数据采集器的通信、存储、曲线和表格显示等工作。完成 了从数据采集、处理到通信、存储、管理等系统集成。该数据采集系统具有精 度高、体积小、功耗低的特点，能够满足气象观测的要求，也可应用于环境、 交通等领域中。 关键词：数据采集，l s c l 2 1 0 ，g p r s ，串行通信 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 0 气象数据采集系统的研制 a b s t r a c t w e a t h e rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sr e f e r sc a na u t o m a t i c a l l yc o l l e c t , p r o c e s s i n g , t h em e m o r yo rt h et r a n s m i s s i o nm e t e o r o l o g yi n f o r m a t i o np r o c e s s ，g e n e r a l l yb yt h e s e n s o r , t h ed a t aa c q u i s i t i o n , p cm a c h i n ea n ds o0 ni sc o m p o s e d t h ed a t aa c q u i s i t i o n t h ep a r a m e t e rw h i c hg a t h e r st ot h es e l l s o rc a r r i e so np r o c e s s i n ga c c o r d i n gt ot h e h y p o t h e s i sr e q u e s t , a l t e rt h ep r o c e s s i n gm e t e o m l o g i e a ld a t ag i v e st h ep cm a c h i n e w i t h w i r eo rt h ew i r e l e s sw a yt r a n s m i s s i o n t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ew e a t h e rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sc o m p o s e db yt h e h a r d w a r ea n dt h es o r w a r et w op a r t s 1 1 垃h a r d w a r ep a r t i a l l yu s e st ic o r p o r a t i o n m s c l 2 1 0m 肌c h i pw i l lb et h eg o r ec o m p o n e n t h a sd e s i g n e do n ek i n d o f m u l t i - c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o nt h a tr e a l i z a t i o ni nn o b o d ys u p e r v i s i n ga n dm a n a g i n g s i t u a t i o nt ot h em e t e o r o l o g i c a le l e m e n tt e m p e r a t u r e ，t h eh u m i d i t y , t h ep r e s s u r e ，t h e r a i n f a l l ，t h ew i n dd i r e c t i o na n dw i n ds p e e dg a t h e r i n g ，w i r e l e s sc o r r e s p o n d st h ed a t a w h i c ht w ow a y sw i l lg a t h e rr e a l - t i m et h r o u g ht h es e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dg p r st o t r a n s m i to nt h ep o s i t i o nc o m p u t e r s o f t w a r ep a r t i a l l y i n c l u d i n g d a ma c q u i s i t i o n a p p l i c a t i o n s o f t w a r ea n dp c a p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t d a t aa c q u i s i t i o ns o r w a r ec a r r i e so n t h es a m p l i n g ， p r o c e s s i n ga c c o r d i n gt ot h eh y p o t h e s i ss a m p l i n gp e r i o dt ot h ei n p u t = n s o rs i g n a l ； o np o s i t i o nm a c h i n ed a t aa c q u i s i t i o ns o f f v v a r ec o m p l e t e sw i t hd a t aa c q u i s i t i o n c o r r e s p o n d e n c e m e m o r y , c u r v ea n dm b l l l a rd i s p l a y 蹦sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m h a s t h ep r e c i s i o nh i g h , t h ev o l u m ei ss m a l l ，t h ep o w e rl o s sl o wc h a r a c t e r i s t i c ，c a ns a t i s f y t h em e t e o r o l o # c a lo b s e r v a t i o nt h er e q u e s t , a l s om a ya p p l yi nd o m a i na n ds oo n e n v i r o n m e n t , t r a n s p o r t a t i o n k e y w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n , m s c l 2 1 0 ，g p r s ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、刨新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：2 之幽 日 期：礁z 丝 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：翌免蠡 日 期：趁2 丝 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 0 气象数据采集系统的研制 1 1 前言 第一章绪论 目前，国内主要依靠人工观测来采集气象数据，观测时效慢、观测密度小，无法满足 未来无缝隙预报服务的需要。随着电子计算机和通信技术的发展，自动气象数据采集正在 走入气象舞台，气象资料观测也由早期的人工观测发展为仪器自动观测与记录处理。因此 建立气象要素自动采集系统是必然的趋势。气象要素自动采集系统的优点是： ( 1 ) 自动收集气压、温度、湿度、风向、降水等气象数据。其最大优点是能够增加观测密 度，为大幅提高定时定点气象预报水平提供详细的气象数据。 ( 2 ) 减少了人工观测的误差。比如观测温度，反映温度变化的是传感器，根据传感器的变 化就可以准确地记录温度，结果直接传输到计算机中，由计算机进行下一步的处理。 ( 3 ) 观测人员的工作重点由观测记录数据逐步转移到对数据的分析研究上和对自动气象要 素采集系统的维护上 ( 4 ) 减少人员需求。自动气象要素采集系统的使用可以使气象站的人员减少到2 - 3 人。 综上所述，自动气象要素采集系统具有观测采样时间短，可实现准确连续观测，环境 要求低，以及高密度布设、随机观测误差小等优点，从而提高气象台站观测资料的时间密 度和空间密度，增强了监测、警报、预测能力，为科学研究、天气预报、气象灾害决策服 务等提供更准确、及时、有效的地面气象观测资料。 1 2 国内、外自动气象数据采集系统发展概况 国外自动气象数据采集系统的发展概况”3 ：2 0 世纪5 0 年代，出现了第一代自动气象数 据采集系统，如前苏联研制的m 3 6 型自动气象站，美国研制的a m o s i i i 型自动气象站等， 这些系统观测的要素少、结构简单、准确度低。6 0 年代中期，第二代自动气象数据采集系 统已能适应各种比较残酷的气候条件，但未能很好的解决资料存储和传输问题，无法形成 完整的自动观测系统。7 0 年代，第三代自动气象数据采集系统大量采用了集成电路，实现 了软件模块化、硬件积木化，同时单片微处理器的应用使自动气象数据采集系统具有较强 的数据处理、记录和传输能力，并逐步投入业务使用。进入9 0 年代以来，国外许多国家都 采用自动气象数据采集系统建成业务性自动观测网。 国内自动气象数据采集系统的发展概况：自动气象数据采集系统研制工作始于6 0 年 代初，到7 0 年代初研制出5 台无人自动气象站，在青海省进行试验。到了9 0 年代初，中 小尺度天气自动气象监测站网在长江三角洲、珠江三角洲地区建站运行，我国第一批自动 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 0 气象数据采集系统的研制 气象数据采集系统设计定型，并获准在业务中使用。截至2 0 0 3 年，全国已有1 0 0 0 多个台 站使用了自动气象数据采集系统，并实现了组网。 随着社会经济的发展，科学技术的进步，尤其是微型计算机、通信、传感器等技术的 发展和推广应用，必将进一步推动自动气象数据采集系统技术向微功耗、多功能、智能化、 高精度、高可靠性方向发展。 1 3 本系统的主要研究内容 本文的研究内容分为硬件和软件两部分。硬件部分根据集散式数据采集系统的原理和 应用情况，以新型高性能芯片m s c l 2 1 0 为核心，设计一种精度高，体积小、功耗低的数据 采集器，该数据采集器具有对传感器输出的模拟信号、数字信号和开关信号进行采样、处 理、传输的功能。软件部分采用c 语言开发针对数据采集器的应用软件，采用p o w e r b u i l d e r 语言进行上位机数据采集通信软件的开发，从而实现对温度、湿度、气压等气象要素的自动 采集。 本论文的主要工作如下： ( 1 ) 系统的硬件设计。完成系统硬件数据采集器的总体设计，对具体实现电路进行详 细的分析，完成数据采集器电路板的制作，并通过调试，设计的数据采集器能够自动采集 温度、湿度、气压等传感器输出的数据 ( 2 ) 系统的软件设计。软件设计介绍了软件开发的基本流程和开发工具，包括对数据 采集器的软件设计和上位p c 机的数据采集通信软件设计。数据采集器的软件按照预先选定 的采样周期，对输入的传感器信号进行采样、处理；上位机的应用软件主要完成对采集数 据的存储、通信和显示、打印等功能。 ( 3 ) 系统测试。分别对系统进行硬件测试、软件测试，并给出了硬件实物图和软件运 行结果。 2 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 0 气象数据采集系统的研制 第二章气象数据采集系统的结构分析 根据气象数据自动采集系统的工作原理，从硬件和软件两部分进行详细的功能分析 硬件部分包括对数据采集器的指标要求以及m c u 的选择。软件部分包括单片机的软件开发 和上位机的软件开发，根据软件工程学中“自顶向下，逐层细分”的设计原则，将软件系 统分解为着干个功能模块，并对各个功能模块进行了详细描述。 2 1 系统总体方案分析 一个完整的数据采集系统主要由硬件和软件两部分组成。仅从硬件方面来看。目前气 象数据采集系统主要采用集散式和总线式两种体系结构 集散式数据采集系统是计算机网络技术的产物，它由数据采集站、上位机及通信线路 组成。数据采集站通过以单片机为核心的采集器采集和处理分散配置的各个传感器信号， 并将数据以数字信号的形式传送给上位机，上位机为p c 计算机，配置有打印机和绘图机 等。上位机用来将各个数据采集站传送来的数据集中显示在显示器或用打印机打印成各种 报表存储。数据采集器与上位机之闻可以采用串行、并行、无线方式等多种通信方式传送 数据。这种结构的特点是：系统模块化、可靠性高、友好而丰富的人机接口。另外，集散 式数据采集系统使用数字信号传输代替模拟信号传输，有利于克服常模干扰和共模干扰。 因此这种系统特别适合于在恶劣环境下工作。现有的气象数据采集系统大都采用这种结构。 而总线式数据采集系统则是通过总线挂接各种功能模块( 板) 来采集和处理分散配置 的各个传感器信号。总线式数据采集系统的最突出优点就是解决了现场的网络通信问题 就基层气象站的数据采集而言，应用总线技术后，现场总线一直延伸到采集设备，总线设 备的智能化、信号传输的全数字化。避免了模拟信号长距离传输中所存在的信号衰减、精 度下降等问题。从而提高了数据采集的精度。采用总线技术的自动气象数据采集可以使结 构简单，工作可靠，耗电量低，组网通讯方便i z j 。 在两种系统方案中本论文选择的是集散式数据采集系统体系。系统的组成框图如图2 1 所示 3 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 0 气象数据采集系统的研制 l 温度传感器+叫日历时钟1 l 湿度传感器卜_ + 传 m s c l 2 1 0 感 j r s 2 3 2 i 器 ( 多路开 接口 上 l 气压传感器r + 信 关、程控放 号 大器、采样， 位 计 处 保持器、a d g p r s 算 l 雨量传感器 - + 理 转换器、数 +啼 模块 机 电 字滤波、基 路 准电压源) 外部存储 l 风向、风速传感器p l 器 圈2 1 气象数据采集系统组成框图 2 2 数据采集系统的工作原理 基于m s c l 2 1 0 的气象数据采集系统是一个小尺度的气象要素采集系统，利用传感器连 续测量温度、湿度、气压、雨量，风向、风速6 个气象要素值，将外界实时的气象要素转 变为物理量( 如电阻、电压、频率、脉冲信号等) 的变化，然后对输入信号进行整形，转换 或放大，变为数据采集器可以直接测量的物理信号，同时该系统通过定时，计数器根据不同 的气象要素观测要求，控制其采样间隔时间，对采集到的信号进行线性化和定标处理，实 现工程量到要素量的转换，通过自动计算、存储各个气象要素的平均值( 极值、累加值等) 后，得到各个气象要素的实测值；处理后的数据通过r s - 2 3 2 接口或g p r s 无线通信方式将 采集到的数据传送到上位计算机后，由计算机按照一定的格式存储、显示、打印等，配合 气象地面业务软件完成地面台站的业务使用。该系统具有功耗低、测量精度高、抗干扰能 力强等优点。 2 3 硬件设计的系统分析 数据采集器部分是基于m s c l 2 1 0 的气象数据采集系统的核心，主要功能是将传感器所 测得的各种电信号进行获取处理，并计算出相应的工程量，按一定的格式存储。 2 3 1 数据采集器的指标 数据采集器【3 】是采集系统的硬件，主要由传感器信号处理电路和系统级单片机 m s c l 2 1 0 组成。数据采集器实现的主要功能有以下几方面： ( 1 ) 数据采集按照预先指定的采样周期，对输入到采集器的信号进行采样，这些信 4 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 0 气象数据采集系统的研制 号包括各种传感器输出的模拟信号、数字信号和开关信号 ( 2 ) 信号处理。模拟信号是由各种传感器获得的低电平信号，经过采样后进行刖d 转换、数字滤波、标度变换、线性化处理等输入上位计算机；数字信号是在有限的离散瞬 时上取值间断的信号，数字信号需要码制的转换处理：开关信号的处理主要是监测开关器 件的状态变化。 ( 3 ) 数据传输。利用m s c l 2 1 0 内部集成的u a r t 串行接口与上位机进行通信，以 实现采集数据的传输采集器主要的性能指标如下表1 1 所示： 表1 1 数据采集器的技术指标 测量要素测量范围分辨力 准确度平均时采样速率 间 气温一5 0 + 5 0 0 1 0 2 i m i n 6 次m i n 相对湿度 o 1 0 0 1 4 ( 8 l m i n 6 次m i n 8 ( 8 气压 5 0 0 0 1 h p a 0 3 h p a l m i n 6 次m i n 1 1 0 0 h p a 降水量 0 4 咖m i n0 1 m m 0 4 删l l ( 1 0 m )累计1 次m i n 4 ( 1 0 m m ) 风向 0 3 6 0 度 3 度5 度 3 s 风速0 6 0 m s0 1 m s ( 0 5 + o 0 3 v ) l m i n 1 次s m s 2 m i n 1 0 m i n 2 3 2n c u 芯片的选择 m c u 芯片的选择是数据采集器设计的关键，最终影响采集数据的精度和准确度的因素 之一就取决于m c u 的性能。美国德州仪器( 1 1 ) 公司生产的m s c l 2 1 0 系列单片机白带2 4 位型a ，d 转换器、可编程增益放大器，可编程滤波器、3 倍速的8 0 5 1 内核、大容量 的f l a s h 存储器、2 个串口、支持s p i 总线等多项外围设备。m s c l 2 1 0 的模拟电源和数字 电源是分离的，采用相互独立的2 7 5 5 v 电压供电，该芯片支持在系统编程方式0 s p ) 和在 应用编程方式，具有很高的模拟数字集成度。是一款高性能的混合信号芯片。以前需 要使用多个芯片才能完成的功能现在只需要一个芯片就可以完成，极大地提高了产品的可 靠性和性能价格比。因此特别适合在高精度测试领域使用。m s c l 2 1 0 的主要特性 4 1 如下： ( 1 ) 模拟部分特性 1 ) 2 4 位无失码、低噪声( 7 5 n v ) 模数转换器。 2 ) 1 0 h z 数据输出速率下有效分辨率可达2 2 位 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 0 气象数据采集系统的研制 3 ) 可编程增益放大( p g a ) 调整范围：l 一1 2 8 4 ) 高精密片内基准电压源，精度：o 2 ，温漂：5 1 0 - 6 5 ) 8 通道的差分输入或单端输入方式。 6 ) 具有片内偏移增益校准电路。 7 ) 可选择缓冲的输入方式 ( 2 ) 数字特性 1 ) 微控制器内核兼容8 0 5 2 c p 0 2 ) 单周期指令执行只需4 个时钟周期。 3 ) 3 3 姗z 时钟频率下单周期指令执行速度8 2 瓢i p s ( 3 ) 存储器 1 ) 3 2 髓1 6 k b 8 硒4 髓f i a s h 存储器。 2 ) f l a s h 存储器可灵活分区。 3 ) 1 0 万次擦写操作数据可存储1 0 0 年。 4 ) 具有在系统编程能力。 5 ) 1 2 8 0 b 数据s r l l 6 ) f l a s h 存储器可加密。 7 ) 2 髓启动r 伽。 8 ) 可编程等待周期。 ( 4 ) 外围功能模块特性 1 ) 3 4 个数字i 0 引脚 2 ) 3 2 个累加器。 3 ) 3 个1 6 位定时计数器。 4 ) 系统定时器。 5 ) 可编程的看门狗定时器。 6 ) 2 个全双工通用异步串口( u a 盯) 7 ) 主从方式s p i 接口。 8 ) 1 6 位脉宽调制器( 删) 9 ) 2 1 个中断源。 1 0 ) 两个硬件断点。 ( 5 ) 电源管理 i ) 可编程电源管理模块。 2 ) 空闲方式下电流小于l m a 3 ) 片内自动上电复位电路。 4 ) 低电压检测电路。 本系统中m s c l 2 1 0 具有2 4 位模数转换器。尽管实际应用时2 4 位模数转换器只能取得 2 0 位左右的分辨率，与专用的模数转换器p l 有一定的精度差异，但已经很好的满足了气象 6 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 0 气象数据采集系统的研制 数据采集的要求。 2 4 数据采集软件分析 在本数据采集系统中，软件部分包括单片机的软件开发和上位机的软件开发两部分。 根据软件工程学中“自顶向下，逐层细分”的设计原则，将软件系统分解为若干个功能模 块，各个主要模块分别为； 2 4 1 单片机软件功能分析 ( 1 ) 系统初始化模块。主要是完成对c p u 、各个标志单元、日历时钟的初始化，设 置m s c l 2 1 0 堆栈指针、各缓冲区首地址、r o 、t l 工作方式及通信串口的初始化等功能。 ( 2 ) 数据采集模块。数据采集模块主要对多路模拟输入信号进行采样、对数字信号进 行读取并进行存储等。 ( 3 ) 单片机数据通信模块。单片机通信模块用来响应上位机发送的通信命令，完成将 采集数据传送到上位机的功能。 2 4 2 上位机软件功能分析 上位机软件总体框图如图2 2 所示： 图2 2 上位机软件功能模块图 ( 1 ) 主控模块。协调和控制各个模块的运行 ( 2 ) 气象站基础管理模块对气象站的类型，台站的高度、纬度等进行添加、删除、 7 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 0 气象数据采集系统的研翻 修改等操作的模块。同时完成自动气象站所使用传感器的参数设定。 ( 3 ) 系统用户管理模块对用户权限管理、系统菜单更新、用户密码修改等功能进行 管理。灵活的权限管理模块。用户可以根据实际需要，随时通过用户权限管理模块来增加 或者修改某些功能，变化后的功能自动加入到用户管理组中，使得该组用户能够获得或者 禁止使用该项功能，系统本身无需傲任何的修改可以适应以后的用户变化的需求 ( 4 ) 通信模块。设置数据传送的波特率，发送握手信息，完成上位机下达采集数据的 命令到前端数据采集器，并且将实时采集到的数据传输到上位机。 ( 5 ) 数据处理模块。采用数字滤波、非线性校正、标度变换等必要的运算处理数据， 从而使采集的数据尽可能反映真实值。完成处理后的数据保存到数据库、按照查询条件进 行数据的查询、对采集数据进行不同形式的直观显示等功能。 ( 6 ) 历史数据分析。利用上位机c r t 显示器可以把各种数据以方便操作者观察的方 式显示出来，本系统中将6 个气象要素的值以曲线图、柱状图和表格显示出来，界面友好， 操作简单。 8 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 0 气象数据采集系统的研制 第三章气象数据采集系统的硬件设计 气象数据采集系统的硬件设计嘲包括传感器的选择和数据采集器的设计。根据所选用 传感器输出的信号和m c u 芯片k s c l 2 1 0 的数据手册设计具体的硬件电路，主要包括模拟信号 处理电路、数字信号处理电路、实时时钟电路、存储电路、通信电路的设计以及印刷电路 板设计中应注意的若干问题。 3 1 传感器的选择及工作原理 进行气象要素测量要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处 理的信号，它是感知、获取与检测信息的窗口，气象数据采集是否能够准确、及时反应外 部气象变化与气象传感器的好坏密切相关。所以对传感器的选择是决定整个测量系统性能 的关键环节之一目前，大量不同使用性能和质量( 价格) 的传感器都适用于自动气象数 据采集系统本系统针对一般自动气象站设计，因此选择传感器的主要技术要求有以下几 方面： ( 1 ) 具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转换范围与被测量实际变化范围 相一致。 ( 2 ) 转换精度符合整个采集系统根据总精度要求分配给传感器的精度指标，转换速度 应符合整机要求。 ( 3 ) 能满足被测介质和使用环境的特殊要求，比如高温、防腐、体积小、质量轻、耗 电少等 根据以上的3 个主要技术指标，本系统对用于温度、湿度、气压、雨量、风向和风速 6 个气象要素进行采集的传感器选择如下： i 温度传感器。测温传感器采用铂电阻f r l 0 0 t _ 7 l ，铂是一种贵金属，易于提纯，物理 和化学性质都很稳定，耐氧化，并在相当宽的温度范围内有相当好的稳定性，因此，具有 极好的复现性。因此铂电阻是气象数据采集中温度采集首选的传感器。目前，国内主要生 产的两种型号的铂电阻r o = ( 4 6 0 0 4 6 ) q 和l b = ( 1 0 0 q - 1 1 0 ) o ，使用的温度范围是- 2 0 0 + 6 5 0 1 3 ，能够满足气象观测- 6 0 1 3 + 6 0 的测温范围，本系统选用r 庐( 1 0 0 1 1 0 ) o 型号的铂电阻。当温度t = o 8 5 0 1 3 时，铂电阻的电阻r t 与温度t 的关系接近于线形并 有r t = r o ( 1 + a t + b t 2 ) ：当温度t = - 2 0 0 o 时，r t = r o 1 + a t + b t 2 + c ( t 一1 0 0 1 3 ) t 3 】，这里， a - 3 9 6 8 4 7 x l o - 3 ：5 = - 5 8 4 7 1 0 - 7 1 3 2 ：c 一4 2 2 1 0 “4 。 2 湿度传感器。采用高分子薄膜湿敏电容作为测湿感应元件，当大气湿度发生变化 时，有机高分子膜中吸湿层上的水分子数量产生变化导致介电常数变化，从而使两极间电 9 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 0 气象数据采集系统的研制 容量也发生相应改变，使得由此构成的震荡电路的震荡频率发生变化，经伽变换和运算放 大后得到相应的1 v 电压变化，电压的变化与湿度的变化是完全线性关系。 3 气压传感器。采用美国i c s 公司的集成硅压力传感器闱，采用微细加工技术及晶 片叠合技术，它由四个压敏元件组成电桥电路，并集成温度补偿电路，其灵敏度高，动态 响应好，测量精度高，温区宽，离散性较大，一般在7 0 m v m a 左右，非线性及迟滞相对较 好，采用恒流源激励即可把气压值转换为差分的电压输出信号 4 雨量传感器。采用翻斗式遥测雨量筒，其感应元件为千簧管，当有雨量通过雨量 筒漏斗时。每0 1 m 的降水量会导致翻斗机构翻转一次，带动翻动轴上的磁铁在干簧管上 空移动一次，使干簧管内金属片导通一次，输出一个开关信号，开关信号接入数据采集器 的i n l l d 中断输入端进行采集。 5 风速、风向传感器。目前接入地面气象自动观测系统的风向、风速传感器主要有三 种常用的类型：一是小型风杯配轻型单尾风标，二是机身型旋桨式风向风速传感器，三是 二维超声风速传感器 9 1 ，应根据业务的类型和性质进行选择。本系统选用的是第一种类型 的三杯式风传感器。 风杯最大承受风力为7 5 m s 风杯转动时，带动风杯轴下转盘旋转，转盘上有一处磁 性材料，转盘下方装有霍尔感应器元件，当磁性材料经过霍尔元件上方时，元件两端产生 微弱电压，经放大、整形后形成标准脉冲，经i l s c l 2 1 0 的定时计数器0 对其计数，通过一 定的换算即可得出风速值。 当风标转动时，带动七位格雷码盘旋转，码盘的上方为七位发光二极管，下方为七位 接收二极管，由于码盘上的七圈环上有些透光，有些闭光，所以在任意时刻都能形成不同 的七位格雷码数字，透光时相应位输出“0 ”，闭光时输出为“l ”。由于七位格雷码圈最外 圈对应数据为2 t = 1 2 8 ，因此风向传感器测量精度为2 8 。数据采集器收到七位格雷码后， 首先将其转换为二进制码。然后经查表转换即可得出当前的风向。 根据以上选用的传感器输出信号的特点，将本系统中选用的传感器可以分为模拟、数 字传感器两类。 模拟传感器：输出时电压、电流、电荷、电阻或电容，通过信号整形后再把这些基本 信号转换成电压信号。本系统中温度、湿度、气压传感器属于此类 数字传感器：带有并行数字信号输出的传感器，输出由二进制位或二进制位组组成的 信息，以及那些输出脉冲和频率信号的传感器。本系统中雨量、风向和风速传感器属于此 类。 3 2u s c l 2 1 0 最小系统的设计 3 2 1 电源设计 本系统是多电源系统，使用三种共地电源：+ 1 2 v + 5 v ，+ 3 3 v ，其中：单片机m s c l 2 1 0 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 0 气象数据采集系统的研制 的模拟电源、时钟芯片d s l 3 0 2 、施密特触发器7 4 h c l 4 、串口通信芯片a x 2 3 2 等需要+ 5 v 的供电电压。m s c l 2 1 0 芯片的数字电源需要需要+ 3 3 v 的供电电压，雨量、风向、风速传 感器、运放芯片0 1 3 0 7 需要+ 1 2 v 的供电电压。电源部分电路设计如图3 1 所示。 田3 1 电源电路设计图 1 整流桥的选择 整流桥的作用是利用单向导电性能的半导体二极管，将正负交替的正弦交流电压变换 成单方向的脉动电压虽然要求的电源电流小于1 a ，但输入的交流电流瞬时值可能超过 l a ，尤其在电源刚接通时，为了保护整流桥不被损坏，选用2 a 的最终选定整流桥为 2 a ，5 0 v 。 2 稳压芯片的选择 选择常用的三端稳压块，其内部电路由基准电路、比较电路、调整电路、采样电路、 保护电路等组成，外部电路简单，用于直流稳压。根据电压需求，选用m c 7 8 0 5 【l o l 、 m c 7 8 1 2 “、和l m 3 1 7 i t l ，分别实现+ 5 v ，+ 1 2 v ，+ 3 3 v 的电压输出【1 2 1 。其中m c 7 8 0 5 输出固定电压| + 5 v 。m c 7 8 1 2 输出固定电压+ 1 2 v ，l m 3 1 7 是三端可调稳压块。可取得较低 的功耗及较宽的工作温度范围，通过调节l 引脚的电阻值得到范围为3 v 3 7 v 的电压。同 时为了检测各个电源的输出情况，分别通过l k o 电阻串联不同颜色的l e d 来指示不同电源 的工作状态。 3 滤波电容及电阻的选择 为了抵消输入时的电感效应，以防止稳压块产生自激振荡，保证正常工作，电路中在 m c 7 8 0 5 和m c 7 8 1 2 三端稳压块的输入端接有4 7 0 f f 的电容，在三端稳压器输出端接有 o 1 皿或1 0 ) t f 电容，这是为了消除电路的高频噪声，改善负载瞬态的响应。要使l m 3 1 7 输出+ 3 3 v 的电压，利用公式v o 【，i = 1 2 5 v ( i + r 6 r 7 ) ，在r 7 取值2 4 6 0 时对r 6 的电阻值进 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 0 气象数据采集系统的研制 行计算，并通过在面包板上实际调节，最终得到i 哳为4 1 2 t 2 时可满足输出+ 3 3 v 数字电压 的要求。 3 2 2 复位电路 应用系统需通过可靠复位之后才能有序执行程序。m s c l 2 1 0 有五种复位模式：上电复 位、软件强制复位、欠压锁定复位、外部r s t 引脚复位和看门狗复位。在本系统中，单片 机的复位是靠外部电路实现的，标准8 0 5 1 的一个指令周期是1 2 个时钟周期。而m s c l 2 1 0 是4 个时钟周期，因此，在同样的外部时钟频率下执行同样的代码，其指令执行速度比8 0 5 1 快1 5 - , 3 倍。在时钟电路工作后，只要在m s c l 2 1 0 的r s t 引脚上出现两个指令周期的高 电平( 即8 个时钟周期) 就可以让单片机复位，复位电路容易受噪声干扰。为了保证应用 系统可靠地复位，r s t 引脚必须保持1 0 m s 以上的高电平。当引脚r s t 从高电平变为低电 平时，单片机退出复位状态，从程序空间的0 0 0 0 h 地址开始执行用户程序。 3 2 3 时钟电路 提供m s c l 2 1 0 芯片的时钟由两种方法：一种方法是使用片内的时钟振荡器，采用并 联谐振晶体和a t 切割方式的晶体，接在m s c l 2 1 0 引脚1 ( x o u t ) 和引脚2 ( x i n ) 之间， 当d v v d = 3 v 时，晶体频率的工作范围从l 一1 8 m t i z 。另一种方法是使用外部时钟源，只需 要将片外时钟连接到x i n ，而x o u t 管脚悬空不接，即采用封装好的晶体振荡器。本系统 采用第一种方法，既在x o u t 和x i n 引脚之间接上晶体和电容构成时钟电路，为保证一个 精确的波特率9 6 0 0 ，选取的晶体频率为1 1 0 5 9 2 m h z ，电容c i l 和c 1 3 取值3 0 p f 。复位电 路和时钟电路的硬件连接如图3 2 所示 围3 2 复位电路和时钟电路 南京信息工程大学硕士论文 基于m s c l 2 1 0 气象数据采集系统的研制 3 3 传感器信号与m c u 的连接电路 3 3 1 模拟倍号的采集 在数据采集系统中，温度、湿度和气压传感器输出的信号都是电压模拟信号1 1 ”，根据 各个传感器技术参数的不同，分别采用恒压源和恒流源进行激励，激励电压信号由 m s c l 2 1 0 内部基准电压输出端r e r o u t 引脚提供，该基准电压源集成在芯片内部，为带 隙型基准电源，其精度为0 2 ，温漂为5 x1 0 4 1 2 ，稳定性很高，可以保证电压基准的高精 度，芯片提供的内部电压基准为2 5 v 或1 2 5 v ，可以通过内部电压基准允许位e v r e f 来设置。输出的基准电压经过o p 0 7 1 1 4 j 构成的电压跟随器提供给电桥桥路和恒流源，由于 电压跟随器的r f = 0 ，其增益k = u o u r = i 。输入阻抗高，输出阻抗低，起到了很好的隔离、 缓冲作用。 1 温度传感器输出信号的处理 温度传感器采用铂电阻p t l 0 0 ，电路中j 4 作为p t l 0 0 的接口端。通常热电阻与仪表采 用两线、三线或四线制的接线方式。二线制是最简单的测量方式，但同时误差较大；三线 制的方式消除了导线电阻引起的误差，是最实用的精确测量方式，所以本系统中p t l 0 0 采 用三线制的接线方式，由电阻r 1 2 、r 1 3 、r 1 4 和p t l 0 0 组成全桥，测温的转换电路一般 分恒压工作和恒流工作两种，本系统采用恒压的工作方式，基准电压1 2 5 v 由m s c l 2 1 0 的 r e f o u t 基准电压输出端提供给桥路，电桥输出的m v 信号配置成两组差分信号通过2 个 l k q 电阻接入m s c l 2 | 0 的模拟多路开关a i n 0 和a i n i 端 为了获得较高的分辨率和灵敏度，铂电阻两端的电压尽量大一些，电桥电路的电阻选 择原则是保证r 1 0 殄r t ( r t 为p t l 0 0 铂电阻的阻值，0 1 2 时r t 为1 0 0 q ) ，且r 1 0 = r l l ， r 1 8 = r t , 本系统中选取r 1 0 = r l l = 1 0 k ，r 1 8 = 1 0 0q 2 湿度传感器输出信号的处理 湿度传感器采用高分子薄膜湿敏电容，电路中j 6 作为湿度传感器的接入端，传感器输 出信号为p l v 电压，对应0 1 0 0 的相对湿度，电压和湿度是线性的关系，将其信号通过 l k o 电阻接入m s c l 2 1 0 的a i n 4 端。 3 气压传感器输出信号的处理 气压传感器采用集成硅压力传感器，电路中j 5 作为压力传感器的接口端。由基准电 压1 2 5 v 及运算放大器o p 0 7 构成压力传感器的激励恒流源，由电路可知输出电流为； i = 1 2 5 r 1 9 = 1 2 5 v 1 k - - i 2 5 m a ；此电源作为激励气压传感器的恒流源，即可把气压值转换 成差分的电压输出信号通过2 个l k q 电阻接入m s c l 2 1 0 的a i n 2 和a i n 3 端 在数据采集系统中，对于输入得模拟信号都需要增加前置放大器，以使放大器输出的 模拟电压适合于模数转换器得电压范围，在对多路模拟信号得测量中，信号电平可以从微 伏级到伏级，如果使用单一的增益放大，往往使a d 转换器得精度不能最大限度得到利用， 解决这一问题得方法就是使用可编程增益放大器p g a ，在m s c l 2 1 0 内集成有很宽增益范 1 3 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 0 气象数据采集系统的研制 围的p g a ，增益范围有1 、2 、4 、8 、1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 八种增益，完全可以满足量程的自 动切换和全量程的均一化。温度、湿度、气压传感器输出的3 路模拟信号经m s c l 2 1 0 的内 部可编程增益放大器放大相应得放大后，进行a d 转换，采用片内1 2 5 v 基准电压作为 a d 转换的参考电压。具体电路连接如图3 3 所示。 3 3 2 数字信号的采集 图3 3 模拟接口适配电路 在气象数据采集系统中，翻斗式雨量传感器输出的开关信号，风速传感器输出的方波 脉冲信号以及风向传感器输出的七位格雷码都属于数字信号，数字信号具有测量精度高、 抗干扰能力强，便于远距离传送等优点。但由于数字信号容易引起瞬时高压、过电压、接 触抖动等现象，必须将现场输入的状态信号经转换、保护、隔离、整形等计算机能够接收 的逻辑电平信号，即对数字信号进行调理。在本系统中，数字信号由具有施密特触发的反 相器7 4 h c l 4 进行整形，获得前，后沿陡直、顶部平缓的方整方波。 1 开关信号的处理。翻斗式雨量传感器输出的信号为开关信号，对开关量信号的处理 就是将触点信号变为一个可以被数据采集器识别的电平信号。图3 4 中u 5 为t l p 5 2 1 1 1 1 5 1 光隔离器，它能实现输入信号与输出信号之间的隔离。有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干 扰，从而使传输通道上的信噪比大大提高，应当注意的是光隔离器的输入端和输出端不能 使用公用电源否则达不到隔离的目的，如图3 4 所示，+ 5 v i 是输入端使用的电源，”v 是输出端使用的电源。l b 为t l p 5 2 1 1 的限流电阻，r 4 为负载电阻，根据t l p 5 2 1 1 的数 据手册，计算出1 1 3 、1 1 4 的取值为： 1 1 3 = v i i f = 5 v 1 0 m a = 5 0 0 0 ，r 4 = ( v c c - v c e ) i c = ( 5 v - 0 。4 v ) t m a = 4 6 k 。u 7 为7 4 h c l 4 1 4 南京信息工程大学硕士论文基于m s c l 2 1 0 气象数据采集系统的研制 施密特触发器集成电路，它能够把变化非常缓慢的输入脉冲波形。整形成为适合于数字电 路需要的矩形脉冲，而且抗干扰能力很强。具体的开关信号输入通道如图3 4 所示。 图3 4 开关量接口适配电路 2 方波脉冲信号【1 6 1 的处理。本系统选用的三杯式风速传感器为方波脉冲，符合t t l 电平脉冲，所以对此脉冲信号可以直接接入m s c l 2 1 0 的仰定时，计数器端对其进行计数。 当然，这就要求风速传感器输出的方波脉冲保持严格的脉冲上、下限电压值的准确性，否 则就会导致m s c l 2 1 0 的定时，计数器拍对脉冲计数产生误差、误判。 3 格雷码信号的处理。本系统中风向传感器输出的信号为格雷码( 又叫循环二进制码 或反射二进制码) ，格雷码是一种无权码，采用绝对编码方式，属于可靠性编码，是一种 错误最小化的编码方式，它是一种数字排序系统，其中的所有相邻整数在它们的数字表示 中只有一个数字不同。它在任意两个相邻的数之间转换时，只有一个数位发生变化它大 大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。为了抑制干扰，同时对g r a y 信号进 行整形以满足输出标准的r r l 电平，本系统采用了r c 滤波电路抑制高频噪声的干扰，用 7 4 h c l 4 施密特触发器作为整形电路，经过7 4 h c l 4 1 1 7 1 整形后的信号进入m s c l 2 1 0 的 p 1 o 坤1 6 端。具体连接如图3 5 所示。 图3 5 格雷码