毕业设计（论文）-基于GPRS的远程气象信息传输系统设计.doc

装订线基于GPRS的远程气象信息传输系统设计二 一 四 届 毕 业 设 计基于GPRS的远程气象信息传输系统设计学 院：信息工程学院专 业：电子信息工程姓 名：张超学 号：2403100128指导教师：冯兴乐 教授完成时间：2014.6二一四年六月摘 要随着社会的进步和信息技术的高速发展，政府及社会公众对气象服务的要求进一步扩大、加深，也对气象监测提出了越来越高的要求。本文提出了一种基于AT-mega128单片机和GPRS远程通讯的低功耗、高性能的自动气象站数据采集系统设计方案，详细介绍了系统传感器的原理方法和设计，数据的采集、处理及存储，并提供良好的人机交互接口，实现自动气象站数据的实时显示与菜单化的界面管理功能。利用GPRS模块与数据监控中心主机进行通信，达到远程数据实时传输和监控的目的。论文首先介绍了自动气象站的国内外研究现状，针对气象部门的现有条件，分析了自动气象站的特点和功能需求，确立了自动气象采集系统的设计目标和总体设计方案，并简要介绍了系统的硬件结构及设计方法。详细介绍了各个数据采集、处理与存储模块、人机交互模块以及通讯模块的设计和实现，特别是传感器的设计。最后利用GPRS模块确定了自动气象站的组网方案，并分析、制定了气象数据传输的通信协议。该课题从实际工作出发，实现了自动气象站气象信息采集、传输和监控的自动化。系统具有体积小、成本低、功耗低、采集速度快等优点，在气象监测行业中具有广泛的应用前景。关键词：自动气象站，GPRS通讯，数据采集，人机交互Abstract With the progress of modern society and fast development of information technology, the demands of meteorological services and monitoring are further expanded for government and the public. This paper presents a low-power-consumption and high-performance automatic meteorological data acquisition system based on AT-mega128 microprocessors and GPRS remote communication. It mainly introduces details of the methods and design principles of the sensor system, and the acquisition, processing and storage of data. It also provides a good human-machine interaction interface to realize menu management and real-time display of acquired data. Through the data communication between the existing GPRS network and the host of data processing center, it achieves the purpose of monitoring and remote real-time transmission. The paper first introduced the research status of the automatic weather station at home and abroad, analyzed the features and functional requirements of the automatic weather station with the existing conditions, and established objectives and the overall design of the automatic meteorological acquisition system. And a brief introduction of the system hardware architecture and design methods was given. Then we analyzed the software design method based on the interrupt system and the timing task control mechanism, and presented the detailed design and implementation of data acquisition, processing and storage module, in particular sensor design . At last, GPRS module was utilized to establish the networking solutions of automatic weather station, analyze, and we developed the communication protocol for the transmission of meteorological data. This subject achieved the automatic collection, transmission and monitoring of meteorological information for the automatic weather station based on the actual work. The system has the advantages of small size low cost, low power consumption and fast acquisition and has broad application prospects in meteorological monitoring industry.KEY WORDS: automatic weather station, GPRS remote communication, data acquisition, human-machine interaction目 录摘 要2Abstract3第一章 绪 论11.1引言11.1.1提高常规观测的时空密度11.1.2改善观测质量和可靠性11.1.3保证观测的可比性要求11.1.4改善观测业务条件、降低观测业务成本11.2国内外发展现状11.2.1国外自动气象站的发展11.2.2国内自动气象站的发展21.2.3气象采集技术的发展31.3基于GPRS的自动气象站的设计要求和系统结构框图31.3.1自动气象站的设计要求31.3.2自动气象监测系统结构框图41.4论文的研究内容及结构安排5第二章 无人自动气象站用传感器原理及性能分析62.1传感器基本概念62.1.1传感器定义与组成62.1.2传感器的静态特性62.1.3传感器的动态特性82.1.4传感器的对外接口及其它指标82.2温度传感器原理及性能分析82.2.1温度定义82.2.2单位和温标82.2.3气象对温度的要求82.2.4温度测量原理102.3湿度传感器原理及性能分析102.3.1湿度定义102.3.2湿度单位和标度102.3.3气象要求112.3.4电容湿度测量原理112.4气压传感器原理及性能分析122.4.1气压定义122.4.2气压的单位和标尺122.4.3气象要求122.4.4工作原理132.5风传感器原理及性能分析132.5.1风的定义132.5.2风的单位与标尺142.5.3气象要求142.5.4工作原理142.6雨量传感器原理及性能分析162.6.1雨量定义162.6.2单位和标尺162.6.3气象要求162.6.4测量原理162.7本章小结17第三章 无人自动气象站的电路原理分析及设计183.1数据采集器工作原理183.1.1数据采集器构成183.1.2数据采集器工作原理183.1.3数据采集器采样和处理183.2各部分的系统原理193.2.1供电系统原理193.2.2控制信号203.2.3监控信号203.3温度电路连接方式213.3.1激励源213.3.2温度信号采集223.4湿度电路连接方式233.5气压电路连接方式233.5.1电路连接233.5.2接地243.6风电路连接方式253.7雨量电路连接方式263.8本章小结26第四章 数据传输及组网274.1 GPRS协议介绍274.2 GPRS协议的优点274.3系统的构成与网络结构设计274.3.1系统的网络结构设计284.3.2系统的硬件组成284.4数据传输流程294.5系统终端显示304.6本章小结30结 论31致 谢32参考文献33附 录34 第一章 绪 论1.1引言气象与人的生活息息相关，对国家经济发展中的方方面面同样影响深远，因此准确及时的获取气象资料就显得尤为重要。地面气象观测是取得气象资料的最基本手段，是大气探测，乃至整个大气科学及气象业务工作基础的基础，凝聚着广大地面气象观测人员的心血、智慧和责任。为了获取大气状况的高时间空间密度、高精度、高质量的资料，取代气象观测人员艰苦繁重的日复一日的手工劳动，实现全自动化气象观测，从新中国建立初期起，我国科技工作者就进行了长达半个世纪的不懈努力。为了适应国民经济、社会进步和人民生活对气象工作越来越高的需求，加快气象现代化建设的协调发展，改变我国大气探测严重落后的局面，在国家的关心支持下，上世纪90年代，中国大气监测自动化系统工程建设终于得以全面迅速展开，其中自动气象站及其网络是发展的重中之重。区别与原有人工观测方式，自动气象站是一种能自动收、处理、存储或传输气象信息的装置。传感器将气象参数转换成数据采集器所需的模拟量、数字、频率等，以便进行测量，数据采集器将传感器送来的参量按设定的要求进行处理。经过处理的气象资料用有限或无线的方式传输给用户存储起来。具体说来，使用自动气象站主要有如下目的：1.1.1提高常规观测的时空密度在原来无条件建立常规气象观测站的地方，建设无人值守的自动气象站，可增加获取常规气象观测资料的空间密度；在有人值守的常规气象观测站上使用自动气象站，可提高获取常规气象观测资料的时间密度。1.1.2改善观测质量和可靠性通过自动气象站不断使用新技术改进设备性能，在设备期间选用、内部存储容量和传感器通道端口设置等方面留有一定的余量，因而避免观测的人为误差，提高设备运行的可靠性，满足观测业务的新需求。1.1.3保证观测的可比性要求通过实现观测设备和观测技术的标准化，满足一致性要求，实现观测展望的均以花，从而保证观测的可比性要求。1.1.4改善观测业务条件、降低观测业务成本使用自动气象站后，将减轻观测人员的劳动强度，改善劳动条件，减少值班员。随着设备生产技术的改进，自动站运行的成本将不断降低，从而降低了观测成本。这对恶劣自然环境条件下的观测站尤为明显。陕西省地域辽阔，地形复杂，各种气象灾害种类繁多，迫切需要健全气象综合观测体系，建立一个稳定、可靠、全方位、高密度的自动气象站网络，提高我省气象业务能力和服务水平。1.2国内外发展现状1.2.1国外自动气象站的发展20世纪50年代末，不少国家己经有了第一代自动气象站，如前苏联研制的M36型自动气象站，美国研制的ASOSIII型自动气象站等。这些自动气象站就是一种由硬件组装成的专业测量仪器，主要特点是要素少、结构简单、准确度低，其功能结构在仪器设计时按用户的要求确定下来，使用中则难以进行修改和扩充。第二代自动气象站己能够适应各种气候条件，在沙漠、高山等特殊环境也有较好的表现。但受限于当时的通信技术发展，资料传输和存储问题一直没有得到很好的解决，因此无法完整的自动观测系统即自动气象站网络一直无法形成。到了70年代，第三代自动气象站大量采用了集成电路，实现了软件的模块化设计、硬件的积木化制造，单片机以及智能仪器的应用合理使自动气象站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90年代以来，自动气象站在许多发达国家得到了迅速发展，建成了可以投入业务使用的自动观测网络系统。如日本的“气象资料自动收集系统(Amebas)，该统包括大约1300台自动观测设备。这些观测站大都自动化运作，平均间隔17公里的遍布日本各地。有人驻守的观测站负责监测天气，风向和风速，降水的类型和数量，云层类型和高度，能见度，空气温度，湿度，日照时数，和大气压力。所有资料(除天气，能见度和云有关的气象要素)都是自动观测。在无人值守站，观测数据每lO分钟读取一次。大约700名无人观测站，负责监测降水，气温，风向，风速，和日照时数，而其他观察站只监测降水量。约280台(载人或无人)设在大雪的地区，观察积雪深度。所有的观测数据传送至Amebas中心，日本气象厅在东京总部的实时通过电话线采集数据。这些数据传送到全国各个气象站后作质量检查。除了正常的天气条件下，Amebas也用于观察的自然灾害。临时观察点设置在有火山爆发或地震迹象的地方。美国的自动地面观测系统(ASOS)自动地面观测系统(ASOS)是由美国海洋大气局(即NOAA)、民航局和军事气象部门共建的一个地面观测系统。是美国目前地基气象观测的骨干和国家发报站网。整个自动气象站网络全部实现自动化，除了极少数几个重要城市、机场、港口外，都是无人值守。观测要素包括WMO规范中要求的基本项目，也有天气现象如雾、能见度、云量、云高、闪电等。每1分钟观测一次，每10分钟传输一次，每小时发报一次。这些ASOS站规格、性能一致，可以共用或互为备用，多数设在机场或机场附近，所以，用作普通天气预报和民航、军航气象预报和海洋、水文预报都合适。芬兰的自动气象观测系统(MILOS)2J和法国的基本站网自动化观测系统(MISTRAL)等都是在发展自动化高速数字传输的气象通信系统方面有明显进展。此时，无线通信技术已经发展成熟，开始慢慢被应用到自动气象站尤其是气象站观测网络当中去。1.2.2国内自动气象站的发展我国自动气象站研制工作始于20世纪50年代后期，至今已有50多年的历史。60年代初，由原中央气象局观象台主持研制第一代无人自动气象站，到70年代初研制出5台无人自动气象站，在青海省的五个台站进行试验，前后达10年之久。在此期间，由于历史原因和技术上的局限性，并没有生产出可以实际投入到业务使用当中的产品，但我国自动气象站的结构已经有了雏形。与此同时，原中央气象局硬件所又主持研制出综合遥测自动气象站，在杭州、苏州、北京等地进行了为期6个月的现场考核。到90年代后期，我国第一批自动气象站终于设计成型，并获准在业务中使用，自1999年5月开始，在国家气象部门各级地面气象台站建设自动气象站用于地面气象观测业务以来，到2007年为止，我国地面气象观测网的各类观测站已经先后建成16000多套各种类型和型号的自动气象站。而这些自动气象站多数仍然使用有线传输方式，无线传输模式仍然处于起步阶段。目前我国气象部门业务使用的自动气象站主要有华云公司的CAWS600系列，江苏无锡无线电科学研究所的ZQZII型，以及长春气象仪器厂生产的DYYZII型自动气象站。ZQZ-IIX型自动气象站在过去的十几年间，自动气象站之所以取得了迅猛的发展，并得到了应用，技术的发展功不可没，计算机技术、通信技术、传感器等技术的发展和应用，为自动气象站技术性能的提高提供了良好的技术基础。特别是微型计算机软件技术的日趋成熟，简化了硬件的设计，降低了功耗。通信技术的发展解决了自动气象站数据传输的难题，使得远程布置自动气象站，气象站组网成了可能。1.2.3气象采集技术的发展随着大规模集成电路的技术进步,尤其是以计算机为核心的信息产业的发展，数据采集技术从各方面都得到了飞越式的发展。新一代的气象数据采集系统应该具有多功能、多参数、模块化、标准化、高效率等特点。随着现代气象数据传输要求的不断变化，甚至需要将加密观测时段缩短到几分钟，高密度的气象数据采集需要具备全天候工作能力的自动采集系统，才能准确、及时的自动采集和处理各种气象观测数据。新一代数据采集产品采用了先进的数据采样技术和数据处理技术，根据中国气象局自动气象站观测规范的技术标准要求，实现了高度智能化和模块化，有很强的兼容性、可扩展性和可靠性。1.3基于GPRS的自动气象站的设计要求和系统结构框图通过以上的分析，我们发现上述各种方式或多或少的存在一定的弊端，尤其是通讯方式，它是制约自动气象站监测系统发展的一个重要因素。GPRS作为一个新的无线网络通信协议，是基于GSM的新型移动分组数据承载业务，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，比现有GSM网具有更高的数据率，并具有“永远在线”的特点。GPRS数据服务除了“高速”“永远在线”的特点外，还具备通讯费用低廉的优势。GPRS数据服务可以按流量或时间或包月固定费等方式收取，就大大降低了用户使用GPRS进行数据传输的成本，尤其在数据采集与监控系统中。通过对比,本论文拟采用GPRS通信方式实现气象要素自动监测无线化和网络化。1.3.1自动气象站的设计要求(1)自动气象站设计的功能要求自动气象站要求自动采集温度、气压、风向、风速、湿度、雨量等多个气象要素，各要素的测量应达到中国气象局的地面有线综合遥测气象仪观测规范要求,如图表1.1所示：表1.1气象传感器设计要求(2)自动监测温度、湿度、气压、风向、风速、雨量等各种气象信息，并按规定的格式要求上传至各级气象数据中心。(3)具有实时时钟，定时存储、参数设定功能。按时间顺序记录历史资料，自动站存储容量至少能够记录1天的历史资料，留有海量数据存储接口。(4)通讯接口应支持与PC机的RS232接口和与移动通讯网(GPRS)连接接口，可以通过有线、移动无线GPRS等多种通讯方式与气象计算机组成气象监测系统。(5)电源系统有市电、太阳能系统多种方式，要求具有后备电源，在市电断电时能坚持工作1天以上。1.3.2自动气象监测系统结构框图自动气象监测系统由无人自动气象站、GPRS通讯网络系统和各级气象数据中心三部分组成，系统结构如图1.2所示：图1.2自动气象监测系统无人自动气象站系统通过各种传感器对气象要素进行采集。同时，采集器利用采集通信软件分析、存储、监控采集到的各类气象数据。无人自动气象站一般由两大部分构成。一部分是要素采集模块，该模块负责对各类气象要素进行实时采集，简单的数据处理，同时存储历史数据。第二部分是通信模块,该模块经过GPRS网络建立无线通信链路，实现数据的无线传输。无人自动气象站的数据传输通道利用的是GPRS通信方式。GPRS通信网络是连接自动气象站与气象数据中心之间的纽带，GPRS数据终端将数据打成理包，经GPRS接入无线网络，由移动服务商转接到公网，最终通过各种网关和路由到达设在省或地的数据处理中心。气象数据中心是系统的数据监控和数据处理中心。各个子站发来的气象数据经过气象数据中心的软件处理后，以标准格式上传至数据中心，同时存入本地“数据库气象数据中心由数据服务器、监控机、WEB服务器和自动站数据处理软件组成气象数据中心通过GPRS网络与无人自动气象站进行双向通信,提供数据库管理和WEB网页浏览服务。软件可以采用C/S结构，为用户提供一个可视化界面，实时监测各地的气象参数。也可以采用B/S结构,以网页形式查询历史数据库、包括各地气象信息的历史记录、降水量统计曲线、气压场情况等，从而清楚地了解各观测点的综合气象信息。1.4论文的研究内容及结构安排本文研究的主要内容是基于GPRS的多要素自动气象站的设计，气象数据的采集和气象数据的处理。本文共分五章：第1章绪论简要介绍了目前基于GPRS的多要素自动气象站设计的背景和意义,分析了国内外该自动气象站的研究发展方向,采集技术的发展,介绍了自动气象监测系统的结构框图及自动气象站的设计要求。同时还列出了本文的大致组织结构。第2章介绍温度、湿度、气压、风向、风速、雨量这六种传感器的选择方法、接口特点和性能分析。第3章介绍采集器的性能和各部分电路原理。第4章介绍自动气象站数据传输及组网。最后，总结所做工作并对今后工作进行了展望,并指明了进一步努力的方向。第二章 无人自动气象站传感器原理及性能分析 一个自动采集系统的传感器的选择十分关键。选择传感器的依据有:技术指标要求(包括线性度、测量范围、灵敏度、分辨率、精确度和重复性)、使用环境要求、电源要求、可靠性要求等。我们选择传感器的原则是在满足系统的要求的情况下，遵照气象行业推荐。传感器的特征性能决定测量方法、接口电路的设计和软件的后续处理，因此首先对本系统所选用的各传感器的原理、对外接口和特性进行分析。2.1传感器基本概念2.1.1传感器定义与组成传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和变换元件组成。由于电信号便于测量、传输、变换、存储和处理，因此气象传感器一般为电信号输出。输出的电信号通常有:电压、电阻、电容、电流、频率等。气象传感器是直接从信号源(大气中)获得信息的前沿装置，传感器是否准确、可靠是影响自动气象站观测结果的关键。传感器的组成:传感器一般由敏感元件、变换元件组成。变换元件也称变换器。有时将变换器也作为传感器的一部分。敏感元件:直接感受(响应)被测量，并输出与被测量成确定关系的电的或非电的信号的元件。变换器:接受敏感元件输出的信号，转换为标准电信号输出的器件。并非所有传感器都包括敏感元件和变换器两部分，例如热敏电阻将被测量的温度直接转换成电阻输出，因此热敏电阻同时兼任变换器功能。图2.1传感器的组成2.1.2传感器的静态特性 传感器将输入的被测量参数转换为电信号输出，这种输出与输入关系是传感器的基本特性。 (1)线性度 理想情况下，输出与输入应该为直线关系，线性的特性便于显示、记录和数据处理。但通常传感器的输出与输入关系并非直线，一般可用多项式方程确定: y=a+ax +ax+ax (2-1) 式中，a为零位输出，a为传感器的灵敏度，a，a，a为非线性特定系数。 实际使用中，若非线性项方次不高或者非线性项的系数很小，且输入量不大时，常用一条称为拟合直线的割线或切线来代替实际的特性曲线。但更多的是使用变换器使之线性化，或用计算机直接计算。 (2)灵敏度 传感器在稳态工作时，输出量变换值与相应的输入量变化值欲之比，称为传感器的灵敏度K。K= （2-2） 它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，很显然，灵敏度K值越大，表示传感器越灵敏。(3)响应时间(滞后时间)通常传感器用来测量某一被测参数时，都不能立即响应该参数的真实情况，它总是逐渐接近被测参数的真实情况，这种滞后现象称为传感器的滞后性或惯性。当被测参数发生阶跃变化时，传感器对它的响应可用下式表示: Y=A（1-e） (2-3)式中，Y是传感器示度经历时间t之后的变化值；A是阶跃变化的幅度，t是从该阶跃变化开始所经历的时间，称为该传感器的时间常数。 图2.2传感器的阶跃响应 上式阶跃响应曲线如图2.2所示，由图可知，时间常数是传感器变化值达到63.2% A所需要的时间，它是决定传感器响应速度快慢的重要参数。图中可以看出:当经历时间就去测量时，将造成36.8%的误差，这种误差称为滞后误差。 (4)分辨率 传感器测量时能给出被测量量值的最小间隔。分辨率要求能满足气象测量就行。例如空气温度测量分辨率0.1就达到要求，没有必要细到0.01。 (5)量程 传感器测量时能给出被测量值的最大范围。量程范围根据被测气象要素的要求而定。 (6)漂移 传感器特性发生变换称为漂移，一般分时漂和温漂两种。时漂指当输入量不变时，传感器输出量在规定的时间内发生的变化。温漂是外界环境温度变化引起的传感器输出量的变化。温漂又分零点漂移与特性漂移。2.1.3传感器的动态特性传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。很多传感器要在动态条件下检测，被测量可能以各种形式随时间变化。只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数，其间的关系要用动态特性来说明。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际的传感器，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。动态特性主要是反映传感器的快速性和稳定性。2.1.4传感器的对外接口及其它指标传感器的对外接口主要是指:电源接口和信号的输出形式。另外传感器的其它指标:(1)使用环境的要求:温度、湿度、防腐等环境方面的要求。(2)电源要求:电源电压的形式、等级及波动范围，频率及高频干扰。(3)可靠性要求:抗干扰、寿命、无故障工作时间。2.2温度传感器原理及性能分析本文采用的温度传感器是芬兰Vaisala公司生产的HMP45D温湿度传感器，该传感器是目前我国气象部门地面气象观测网内自动气象站上统一使用的测量气温和相对湿度的传感器。该传感器采用铂电组感应元件(Pt100)测气温，是无源的电阻输出。2.2.1温度定义 温度是决定两个物体之间净热流方向的条件。在这样一个系统中，一个物体自始至终失去热量给另一个物体，则认为失去热量的物体处于较高的温度。2.2.2单位和温标以开尔文(K)为单位的热力学温度(T)是基本温度。开尔文是水的三相点的热力学温度的1/273.16由公式(2-4)定义的摄氏温度(t)用于大多数气象目的。t=T-273.16 (2-4)温差：1摄氏度(C)=1开尔文(K)在热力学温标中，测量值用与绝对零度(0 K)的差值表示。在0 K温度下，任何物质的分子不再具有动能。从1990年开始，通用的温标是“国际温际(ITS)-90”，它是根据若干个可再现的平衡状态温度的认定值(和在这些温度下校准的专用标准仪器确定的)。ITS是这样选定的，即根据它测量的温度与热力学温度是一致的，所有差值都在现有的测量准确度范围以内。在ITS定义的固定点之外，可利用其他二级参考点。ITS的温度应当称为“摄氏度”。2.2.3气象对温度的要求(1)气象学需要测量的温度主要有:近地面气温；地表温度；不同深度的土壤温度；海面和湖面的温度；高空气温。这些测量不管是共同的还是单独的，不管是局地的还是全球的，为了输入到数值天气预报模式，为了水文和农业目的，以及作为气候变化的标志都是需要的。而局地温度对于人类每天的活动具有直接的生理上的重要性。温度测量可能要求连续记录，也可能在不同的时间间隔进行采样。我们在无人自动气象站中应用的是近地面温度及地表温度。(2)温度表的响应时间在常规气象观测中，使用时间常数非常小的温度表没有好处。因为在几秒钟之内，气温会连续波动1至2度。因此，用这种温度表要得到一个有代表性的读数就要求多次读数取平均。时间常数较大的温度表则有助于平滑掉快速波动。然而时间常数太大，可能在温度发生长周期变化时导致误差。时间常数已定义为温度表显示出一个气温阶跃变化的63.2%所需要的时间。建议在风速为5m/s时，温度表的时间常数值应当在30和60秒之间。时间常数大致与风速的平方根成反比。(3)记录测量的环境温度是气象参数之一，温度的测量对暴露状况特别敏感。尤其是对于气候研究来说，温度测量受到诸如环境状态、植被、建筑物和其他物体的形态、地表覆盖物、防辐射罩或百叶箱的设计及其变化以及设备中的其他改变等的影响f。因此，不但保存温度数据的记录是重要的，而且保存测量环境的记录也是重要的。而这种信息就称为“与气象观测资料有关的其他资料”(4)测量方法为了测量一个物体的温度，可使温度表达到与该物体相同的温度(即与之达到热力学平衡)，于是温度表本身的温度即可测出。另外，也可以用一辐射表测定温度而无须热平衡。物质的任何物理性质如果是温度函数，都可作为温度表的依据。气象温度表中最广泛应用的性质是热膨胀和电阻随温度的变化。在其他应用之中，作用于电磁波谱红外区域的辐射温度表可用于从卫星上进行的温度测量。本文将介绍电阻温度表。电阻温度表的测量方法是某种材料的电阻测量值的变化反映温度的变化来测量温度的。温度变化小时，纯金属电阻的增加正比于温度变化14，如公式(2-5)所示:R= R1 + (T-T) (2-5) 式中:( T-T)为很小值; R为一固定量金属在温度T(以K为单位)时的电阻； R是其在参考温度T9时的电阻； 是在T附近该金属电阻的温度系数。以0作为参考温度，公式(2-5)变为:R= R1+ t (2-6)温度变化较大时，对于某些合金，公式(2-6)表示的关系式较为准确:R= R1 + (T-T)+( T-T)以0作为参考温度，公式(2-7)变为:R= R1+ t+t (2-7)这些公式给出了真实温度表的电阻随温度成比例的变化，根据对有关温度表的校准，可以得出系数与的数值。 一个好的金属电阻温度表，应满足下列要求:在温度测量范围内，它的物理性质和化学性质保持不变；在测量范围内，其电阻随温度的增加而稳定增加且无任何不连续；诸如湿度、腐蚀或物理变形等外界影响都不会明显改变其电阻；在两年或两年以上期间，其特性将保持稳定；它的电阻值和温度系数应大到足以在测量电路中使用。纯铂最能满足上述要求，因此把它用在地区间传递国际温标（ITS) - 90所需要的一级标准温度表。铜是适用于二级标准器的材料。气象用的实用温度表，通常都是由铂合金、镍或铜(偶尔用钨)制成，在使用前都经人工老化。它们通常用玻璃或陶瓷进行密封绝缘，但它们的时间常数仍然比玻璃液体温度表要小。2.2.4温度测量原理铂电阻温度传感器是根据铂电阻的电阻值随温度变化的原理来测定温度的。铂电阻丝烧制在细小的玻璃棒或磁板上，外面有金属保护管。铂电阻在0C时的电阻值R为100，以0作为基点温度，在温度t时的电阻值R为:R= R1 + t + t (2-9)式中，为系数。经标定，可以求出其值。我们采用PT-100型铂电阻作为测量温度的传感器，铂电阻具有较高的稳定性和良好的复现性。随温度变化，铂电阻的阻值也发生变化，在一定测量范围内，温度和阻值是呈线性关系的。配备精密的恒流源使模拟电压和温度呈线性关系，通过A/D转换，经采集器CPU解算处理，得到相对应的温度值。如图2.3示:图2.3PtlOO温度传感器测量电路示意图2.3湿度传感器原理及性能分析 本文采用的是湿敏电容湿度传感器。湿敏电容是具有感湿特性的电介质，其介电常数随相对湿度而变化，它主要用在自动气象站与探空仪中作为湿度传感器。2.3.1湿度定义 大气湿度的测量，以及通常的大气湿度的连续记录，是大多数气象活动领域的重要需求。本章论述地球表面或近地面的湿度测量。在湿度测量中最常用量的定义如下: 混合比(Mixing ratio )r:水汽质量与干空气质量之比。 比湿(Specific humidity )q:水汽质量与湿空气质量之比。 露点温度(Dew-point temperature )Td:湿空气在给定气压下相对于水面处于饱和时所具有的饱和混合比与给定混合比相等时的温度。 相对湿度(Relative humidity)U:在相同的温度与气压下所观测到的水汽压与相对于水面的饱和水汽压之比的百分数。 水汽压(Vapour pressure )e:空气中所含水汽的分压。 饱和水汽压(Saturation vapour pressure )e与e:空气中的水汽压相对于水面(或冰面)处于平衡状态时的分压。 本文所采集的是相对湿度。2.3.2湿度单位和标度下列的单位与符号都是常规用来表示与大气中水汽有关的最通用的量:(a)混合比r，比湿q(单位为kg kg)；(b)空气中的水汽压e,e,e以及大气压(单位为hPa)；(c)温度T，湿球温度T，露点温度T，以及霜点温度T(单位为K)；(d)温度t,湿球温度t，露点温度t，以及霜点温度t(单位为)；(e)相对湿度U(单位为%)。2.3.3气象要求 通常，气象分析和预报、气候研究、以及在水文学、农业、航空服务和环境研究等许多的特定应用中，都需要地球表面的湿度测量。而其中与大气中水的状态有关的测量更为重要。2.3.4电容湿度测量原理 湿敏电容测量方法是以固体吸湿材料的介电特性与环境相对湿度的关系为基础的，最广泛应用于此方法的是聚合性材料。由于水分子的较大偶极子力矩，约束在聚合物中的水能改变聚合物的介电特性。 湿敏电容湿度传感器是用有机高分子膜作介质的一种小型电容器敏电容器上电极是一层多孔金膜，能透过水汽.下电极为一对刀状或梳状电极，引线由下电极引出。基板是玻璃。整个感应器是由两个小电容器串联组成。传感器置于大气中，当大气中水汽透过上电极进入介电层，介电层吸收水汽后，介电系数发生变化，导致电容器电容量发生变化。电容量的变化正比于相对湿度。在某些自动气象站中，铂电阻温度传感器与湿敏电容湿度传感器制作成为一体。这种湿度传感器的主要部分是夹在两个电极之间的聚合物薄膜所构成的电容器。这个电容器的电阻抗可以作为相对湿度的一种量度。电容器的标称值只有几个或几百个微微法(pf)，与电极的尺度和介电层的厚度有关。电容值会影响到用于测量阻抗的激励频率范围，这个频率至少要几个kHz并且在传感器与电路之间的连接要短，以减少漂移电容的作用。因此，电容式元件通常都将电路板封装在探头上，并且还必须考虑到环境温度对电路原器件的影响。湿敏电容的等效电路如图2.4所示。图2.4湿敏电容等效电路湿敏电容湿度传感器中的变换器如图2.5所示。它由湿敏电容、信号变换器电路，工作电源及信号放大电路组成、湿度变化引起湿敏电容的电容变化，由信号变换电路将电容的变化变换为电压信号。当相对湿度由0%-100%变化时，信号变换电路输出0-100毫伏电压，经放大后得到0-1伏或O-5伏的电压，输出给测量及控制系统。图2.5湿敏电容湿度传感器中的变换器电路原理2.4气压传感器原理及性能分析 本文选择的气压传感器是芬兰Vaisala公司生产的PTB220型气压表。它是智能型全补偿式数字气压传感器，具有较宽的工作温度和气压测量范围。感应元件为硅电容压力传感器。硅电容压力传感器具有很好的滞后性、重复性、温度特性和长期稳定性。2.4.1气压定义在给定表面上的大气压是由其上的大气重量作用在该表面单位面积上的力。因此，大气压等于该表面视作水平面向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重量。2.4.2气压的单位和标尺大气压测量的基本单位是帕斯卡(Pa)(即牛顿每平方米)。气象上报告气压，实际采用在该单位加前缀“百”，成为百帕(hPa)，等于100帕。这是气象上选择的术语，主要是因为1百帕(hPa)等于以前使用的单位1毫巴(mbar )。2.4.3气象要求 气压场分析是气象科学的基本需要。绝对必要把气压场看成是大气状态的所有预报产品的基础。在财政允许的条件下，气压测量应该达到技术上允许的高准确度，而且在全国范围内气压测量和校准必须具有一致性。为满足各种气象应用的需要，WMO的有关委员会已经规定了气压测量准确度水平的要求。测量范围:920-1080hPa适合于工作在海平面或海平面附近的仪器;对于在海拔较高地方使用的仪器、在其气压较低部分可以扩展相当的量程。要求的目标准确度:O.1hPa 报告分辨率:O.1hPa 传感器时间常数:20s输出平均时间:1分钟可以认为，在严格控制的环境中，比如正常装备的实验室，新的气压表是能够达到上述要求的。这些要求为气压表规定了在其安装在工作环境中之前必须符合的目标准确度。对于安装在工作环境中的气压表，实际情况的限制使气象部门难以保持仪器的目标准确度。然而，业务站网用的气压表经过标准气压表的校准之后，其器差可知并容许其性能不低于下列标准: 在1000hPa点的最大允许误差:士0.3hPa在气压表测量范围内其他气压的最大允许误差:(a)测量范围不低于800hPa的部份:士O.5hPa(b)测量范围扩展低于800hPa的部份: 士0.8hPa间隔等于或小于100hPa的两个气压值的误差之差值:士0.3hpa用户对大气压信息的要求是不同的。正如WMO (1990 )描述的那样，航空界要求QNH或QFE高度表拨定。对气压测量的总要求己概括在WMO(1981)和美国气象局(1963)的文献中。2.4.4工作原理 PTB220的工作原理是基于一个先进的RC振荡电路，电容压力传感器和温度传感器作连续测量，微处理器进行压力线性补偿和温度补偿24获得精确的气压值。在全量程范围内有7个温度点，每个温度点有6个全量程压力调整点，如图2.6所示。图中，C，C，C为参考电容器，C为温补电容器，Cp为压敏电容器。图2.6有5个电容的RC振荡电路2.5风传感器原理及性能分析2.5.1风的定义 风速是由许多在时间、空间上随机变化的小尺度脉动叠加在大尺度规则气流上的一种三维矢量。在有关诸如空中污染传播和飞机着陆之类的问题中，需要将风速作为三维矢量考虑。然而，本文主要将地面风作为二维矢量来考虑，即规定风向和风速两个数来表示。以快速脉动为特征的风则称之为阵风。 大多数使用风的数据的用户需要平均的水平风，通常是在极坐标上表示出风速和风向。越来越多的应用还需要风的变动性zs(即风的阵性)的资料。为此目的，需要用到三个量，即阵风的峰值、风速和风向的标准偏差。平均值(Averaged quantities ):是在10分钟至30分钟时间段的平均的量(即水平风速)。 标准偏差(Standard deviation )式中的:是与时间有关的信号(即水平风速)，而上面带横线的(即s)是其时间平均值。标准偏差是用来表征某一特定信号的脉动大小。 阵风峰值(Peak gust ):在规定的时间间隔内观测到的最大风速。在每小时的天气报告中，阵风峰值就作为前一整小时的风的极值。 阵风持续时间(Gust duration ):是对所观测的阵风峰值的持续时间的一种量度，这个持续时间决定于测量系统的响应。慢响应系统抹去极值而测到了长而平滑的阵风;快响应系统观测到许多尖锐的峰，这就是阵风，只有短短的持续时间。为了定义阵风持续时间，采用了一种理想的名为单滤波器的测量链，用它对输入的风信号取一在t。秒时间的运行平均值。在此滤波器之后观测到的极值就定义为具有持续时间t。的阵风峰值。其它的具有不同的滤波作用单元的测量系统，只要它是具有在积分时间t。的运行平均值滤波器并能产生具有相同高度的极值，就可以认同它能测量具有持续时间t。的阵风。时间常数(Time constant )(一阶系统的):是一个装置用于检测并指示一个阶跃函数变化的63%左右所需要的时间。 响应长度(Response length ):近似地是风速传感器的输出以指示输入速度的一个阶跃函数变化的63%左右所需要的风程(以m表示)。 临界阻尼(Critical damping )(例如风向标这样的传感器，其响应最好用一个二阶微分方程来描述):是对阶跃变化给出最快的瞬变响应而又没有过振时的阻尼值。 阻尼比(Damping ratio ):是实际阻尼与临界阻尼之比。 无阻尼自然波长( Undamped natural wave length ):风向标无阻尼地经过一种振荡的一个周期所需要的风程。2.5.2风的单位与标尺 风速报告应当以O.5m/s-1为单位，或者以最靠近的整数knots(即海里/小时符号为kn)为单位，对天气报告而言，风速还应表示为10分钟的平均值。风向应以度为单位，并以最靠近的整十度用01.36为电码作报告(例如，电码2就表示风向为150与250之间)，表示为10分钟的平均值。风向定义为风的来向，以地理正北为起点按顺时针进行度量。当风速平均值小于lkn时应报告为“静风(Calm )”。此时的风向电码为OO。2.5.3气象要求有许多方面需要风的观测，如天气监测与预报、风载荷气候学、风灾概率与风能、地面气流通量的部份估计(即农业的蒸发与空气污染扩散的应用)等。水平风速小于5m.s-1时的准确度为O.5m.s-1，大于5m.s-1时的准确度为10%。风向的准确度要求为5。除了平均风速和风向之外