基于单片机的气象监测仪毕业设计.doc

武汉理工大学毕业设计（论文）基于单片机的气象监测仪毕业设计目录应列出各组成部分的大小标题、分章分节并逐项标注页码。 摘要ABSTRACT绪论11 结构设计与方案选择21.1 基于Internet的现代传动远程控制系统结构21.2 方案选择21.2.1 远程通信方案的选择21.2.2 变频器与计算机串行通信方案的选择22 硬件设计32.1 单机控制32.1.1 硬件配置32.1.2 控制框图32.2 多机控制32.3 远程控制3结束语25致谢26参考文献27附录1 变频器参数设定程序代码28附录2 VC程序源代码29第一章 地面自动气象监测仪的现状 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、蒸发、辐射、日照、地温、冻土、电线积水和地面状态。能实现仪器自动监测的气象要素有能见度、气压、空气温度湿度、风向、风速、降水、蒸发、辐射、日照和地温，其他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现状我国地面气象监测仪主要有常规地面人工检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，与国际上同类产品基本一致，都能满足气象要素检测的要求，国内研发出的仪器具有明显的价格优势，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EN2型测风数据处理仪，SJ1型虹吸式雨量计，DWJ1型自动温度计，DHJ1型自动湿度计，DYJ1自动气压计和最新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往数字化、智能化、集成化发展。1.1.1 EN2型测风数据处理仪EN2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、高山等高强风地区。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，数据记录仍可查血。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个整点前6分钟自动打印二分钟平均风速和风向；二十点自动打印全天4次二钟风速合计及平均值；全天24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、20m/s、24m/s、28m/s）的报警，定时自动打印大风组报、加密报。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，显示瞬时风向风速、当前二分钟、十分钟平均风速和最大风向；当天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个月内任一天任意整点的风向风速，任一天最大风速风向及发生时间，极大风速风速及发生时间。4、可将EN-2数据通过接口输入微机，进行实时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1格式相同。主要技术指标：1、环境温度范围为0-45；2、相对湿度不大于95%RH；3、风速测量范围为0-90m/s；4、风向测量范围0-360度；5、风速处理精度为0.1m/s；6、风向分辨度为3度；7、时钟误差小于3S/日。1.1.2 SJ1型虹吸式雨量计SJ1虹吸式雨量计用于气象台连续自动记录大气中的液体降水量，降水起止时间和降水强度。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，不需要人工守候，精度高，但必须定时到现场去更换记录纸。主要技术指标：盛水口内径200+0.6mm，将于强度0.05-4mm/min，钟筒转一周26hr，记录误差0.05mm，走时误差：5min,尺寸350x1182mm，重量17kg。1.1.3 DWJ1型自动温度计DWJ1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-35+45，准确度小于1，记录周期：26h（日记DWJ1）、176h(周记DWJ1-1),外形尺寸330x125x195mm，重量小于3kg。1.1.4 DHJ1型自动湿度计DHJ1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-30%100%RH，准确度小于5%RH，记录周期26h(日记DHJ1)、176h（周记DHJ1-1），外形尺寸334x233x195mm，重量小于3kg。1.1.5 DYJ1自动气压计 DYJ1自动气压计是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880-1070hPa(DYB1)，680-1030hPa（DYB1-1）,最小分度值0.05hPa,准确度0.2hPa,使用温度：-15+45，仪器尺寸半径为64x1150mm（DYB1）,半径为64x1120mm（DYB1-1）,重量小于5kg。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。 该仪器由数据采集器、各种气象要素传感器、供电系统、存储器、LED显示屏、通信单元、键盘等组成，其主要性能参数见表1-1。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。今年来，欧美等发达国家已经相继研发出集成度较高的地面自动气象监测仪，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。1.2.1 EasiData Mark 4型自动气象站该型号自动气象站为澳大利亚Environdata公司的产品，是一种模块式的地面自动气象监测系统，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，还可以用于环境监测、民航、海运、军事、农林、水文、盐场、大型厂矿、大型运动设备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分：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、12位数模转换、两种报警输出方式和Modem传输方式。具有128KB的存储容量。另外带有120V交流电源适配器和RS232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。1.2.2 WS-16模块化气象站WS-16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1-2。1.2.3 MAWS系列气象站 目前全世界的70多个国家和20多个地区和组织基本上都是使用芬兰VAISALA公司的气象产品进行气象观测，自动气象站也不例外。VAISALA公司自动气象站的代表系列是MAWS系列，目前在全球的大多数国家和地区使用的是MAWS201系列，该系列现已发展到了MAWS301、MAWS410系列。与国产自动气象站相比，国内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要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比较好。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枪口。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检测仪器，满足我国地面气象观测的需求。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，地面自动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。开发地面自动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分组成。c、适应性强地面自动气象监测仪适应地温到高温，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项，开发并生成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。在适应现代气象监测的要求下，还应加强一下几方面的工作：a、 加强地面自动气象监测仪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自动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法，这样才能更加规范和指导气象仪器的研发，促进发展。d、加大科研投入，建立地面气象监测仪研究专项资金气象部门是公共气象服务机构，财力有限。气象研究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，特别是重点课题的公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。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地面自动气象监测仪任重而道远，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，目前我国地面自动气象观测站能实现自动气象监测的仪器绝大部分都是单个要素进行，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很大的差距，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天水平，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开发功能规则书要求，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、外部总线、传感器、外围设备四部分；软件包括嵌入式软件、业务软件两部分。为了实现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，以最大限度的方便维护和降低维护成本。1.5本论文的主要研究工作 本论文所设计的地面自动气象监测仪采用INTEL公司生产的低功耗CMOS微处理器80C320芯片作为中央处理器，配以NEC公司生产的低消耗CMOS并行接口芯片82C55，实现对多种要素气象传感器进行控制和数据采集，并通过GPRS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80C320和大规模集成接口电路的研究，设计出地面自动气象监测仪系统的硬件方案，给出相应的原理图。硬件主要解决气象传感器、时钟芯片、LED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。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、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。d、对研制出来的地面自动气象监测仪性能进行分析。1.6本论文的主要内容构成 本论文第一张叙述国内、外地面气象监测仪的现状和未来发展趋势，知道开发研究适合我国地面气象业务需求的气象监测仪的必要性，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PCB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。最后对论文工作进行了总结，提出下一步需要研究的工作。第二章 智能地面气象监测仪总体设计和部件选择本文设计的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值守的监测系统，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RS232,A/D转换，脉冲等多种形式，方便各种不同型号、各类通信接口的气象传感器介入，数据可暂时存放在RAM芯片中，可记录1个月以上的气象数据，并且可实时传回到信息中心服务器中。采用CMOS数字电路技术，最大程度减少能耗，可使用市电220V或太阳能系统供电。2.1 气象监测仪系统的总体设计根据设计要求，地面自动气象监测仪由硬件和软件两大部分组成，其中硬件部分由单片机、总线接口电路、气象传感器、电源、时钟电路、显示电路、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。 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，80C320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，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LCD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RAM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GPRS DTU传回信息中心。2.2气象监测仪单片机的选择与介绍2.2.1单片机的选型单片机的的选型是一件重要而费心的事情,如果单片机型号选择得合适,单片机应用系统就会得经济,工作可靠;如果选择得不合适,就会造成经济浪费,影响单片机应用系统的正常运行,甚至根本就达不到预先设计的功能。 对于已经设计好的单片机应用系统来说,它的技术要求和系统功能都应当十分明确.如果选择功能少的单片机,单片机应用系统就无法完成控制任务;但是如果选择的单片机功能过大,不但没必要,还会造成浪费。只要掌握和运用单片机正确选型的原则,就可以选择出最能适用于应用系统的单片机。 单片机芯片选型时,总的原则是: 1.“芯片含有功能或数量略大于设计需求”,设计需求尽可能用芯片完成； 2.“选大厂生产的、选供应量多的、选名牌的但要量保证。 单片机选型,应从单片机应用系统的技术性,实用性和开发性三方面来考虑.(1)技术性:要从单片机的技术指标角度,对单片机芯片进行选择,以保证单片机应用系统在一定的技术指标下可靠运行;(2)实用性:要从单片机的供货渠道、信誉程序等角度，对单片机的生产厂家进行选择以保证单片机应用系统在能长期、可靠运行；(3)可开发性：选用的单片机要有可靠的可以开发手段，如程序开发工具、仿真调试手段等。结合各种系统电路设计的技术要求，本设计选用微处理器80C320芯片。2.2.2 80C320单片机的硬件结构2.2.2.180C320主要性能特点1. 兼容8051单片机汇编语言、管脚及其功能；2. 32个输入/输出端口，可位寻址；3. 3个16位定时器/计数器；256字节RAM;4. 寻址64kB ROM和64kB RAM;5. 2个全双工串行口，可编程看门狗计数器；6. 实现4时钟/机器周期（8051为12），单指令周期不大于121ns；7. 最大工作时钟达33MHz，有内置的时钟振荡器；8. 低电压自动复位，13个中断源/6个外部中断。2.2.2.2引脚定义和功能介绍本论文设计电路将以40脚DIP（双列直插式）封装作例子介绍。其管脚配置如图2-2所示，40条引脚的功能描述见表2-1。 图2-2 80C320机芯片引脚配置图 在40个引脚中有2条专用于电源的引脚，2条外接晶振的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条I/O引脚。其中8位数据线与地址线低8位同用同一个端口，通过多时分路控制识别，ALE的输出就是用于锁存地址的低8位字节。 2.2.2.3 80C320的内部总体结构图2-3表示了详细的总体结构框图，在以小块芯片上，集成了一台微型计算机的各个部位。1个8位中央处理机，通过数据总线（DATA BUS），控制32个输入/输出口与内部各功能寄存器链接在一起，而地址寄存器则通过地址总线(ADDRESS BUS)和P0和P2联接。P1P3输入/输出口都有与之对应的锁存器。内部数据贮存器共256BYTES，在物理上可以分为3个不同的块：00H7FH(0127)单元组成的低128字节的RAM；80HFFH(128255)单元组成的高128字节的RAM快；以及128字节的专用寄存器(SFR)块。程序计数器（PROG COUNTER）用于安放下一条要执行的指令地址，是一个6位的专用寄存器，因此寻址范围为065535(64KB)，程序计数器在物理上是独立的，不属于内部数据存储器的SFR块。数据指针DPTR是一个16位专用寄存器，既可以作为一个16位寄存器DPTR来处理，也可以作为2个独立的8位寄存器DPTR1和DPTR0来处理。DPRT主要用来保持16位地址，当对64KB尾部数据存贮器空间寻址时，可作为间址寄存器用，如MOVX A，DPTR。在访问程序存贮器时，DPTR可用作基址寄存器，这时有一条基址+变址方式的指令MOVC A，A+DPTR,常用于读取存放在程序存贮器内的表格常数。该芯片内部中还有电源控制寄存器器、看门狗寄存器、看门狗计数器、电源功耗控制和复位控制等，当检测到不正常运行时能产生一触发脉冲复位数据采集处理器。2.3地面自动气象监测仪存贮芯片的选型和介绍 物理上，单片机80C320有3个存储器空间：片内数据存贮器、片外数据存贮器和片外程序存贮器。在访问这三个不同的逻辑空间时应采用不同形式的指令。因为片内没有程序存贮器，片内数据存贮器有256bytes，所以系统要扩展片外数据存贮区和程序存贮区，图2-4就是80C320外部存贮器的配置图。2.3.1数据存贮芯片的选型和介绍数据存贮芯片可分为非记忆和记忆两种，非记忆的存贮芯片只要断电，存放数据就会马上消失，而记忆的存贮芯片在断电的情况下，数据能保存十年以上。本文使用DALLAS公司的DS1644贮存芯片，该存贮器是8位32K Bytes的非易失静态数据存贮器，内置电池，具有记忆功能，数据在正常断电情况下能保存十年以上。而且芯片内置实时日期、星期和时钟，在电路设计中不需要专门增加时钟电路单元，详细描述见时钟设计部分。2.3.2程序存贮芯片的选型和介绍在程序存贮芯片中，通用的有光擦出和电擦除两种，光擦除芯片进行重新写入必须进行一次紫外线照射大约30分钟后才可以使用；电擦除芯片只要瞬间加规定的电压就可以完成。本文使用Winbond公司的W27C512存贮芯片，该芯片属于电擦除类型，具有16位地址接口，8位数据接口，一个片选接口和程序使能接口；工作电源为+5V电源供电。正好满足80C320单片机对外16位地址线，8位数据接口的要求。2.3.3地址锁存芯片的选型和接受单片机80C320的地址线低8位A0A7和8位数据线D0D7是共用接口P0.0P0.7,P0.0P0.7可直接接到其他芯片的数据接口上，而低8位地址A0A7的信号则隐藏在P0.0P0.7里，当ALE输出信号为“高”时，低8位地址A0A7的信号就会出现在P0.0P0.7接口上，本设计使用74HC573锁存器将这暂时性的地址信号锁住，因此74HC573的输出端Q0Q7直接看成80C320的低8位地址A0A7.单片机的PSEN是用来读取外部程序存贮单元的读取控制接口，RD是用来读取外部数据存贮单元的控制接口，WR是用来写入外部数据存贮单元的控制接口；所以单片机外部程序存贮器和数据存贮器分成独立不相关的两个地址空间，但共用地址接口和数据接口，由PSEN与RD、WR加以分别。2.4地面自动气象监测仪传感器选型和介绍 地面自动气象监测仪主要包括传感器，数据采集、传输、处理等部分，其中最能决定它性能的是气象要素传感器，随着对气候变化研究的深入，这对温度传感器的精度和长期运行稳定性提出了很高的要求；湿度方面存在的主要问题是湿度传感器难以在全湿度两成范围内达到同样的测量准确度，在低温低湿条件下湿度传感器性能变差，响应迟缓，这是世界范围内大气探测的主要难题之一，等待突破；气压方面，由于振筒气压仪和硅压阻气压传感器发展比较成熟，符合自动气象站的观测要求，目前对气压传感器的相关研究较少，但国内生产的气压传感器在精确度、稳定度、可靠性等方面与进口传感器有一定差距；风速、风向方面，传统方向标和风杯的机械结构决定了其系统误差不可避免，且易受恶劣环境影响，而超声波风速仪、横向传感器等固态测风传感器的出现，不仅解决了机械摩擦问题，提高了测量准确度，而且环境适应度大大提高，在恶劣环境下仍可正常工作，成为风速、风向测量的主要发展方向；降水量方面，自动气象站主要是利用翻斗式雨量计对降水量进行观察和记录。2.4.1温度传感器选型和介绍电阻式温度传感器是一种物质材料作成的电阻，它会随温度的上升而改变电阻值，如果它随温度的上升而电阻值也显著上升就称为正电阻系数，如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。大多数电阻式温度传感器是以金属作成的，其他以白金（Pt）制作成的电阻式温度传感器，精度高、稳定性好，而且耐酸碱、不会变质、线性也好，应用温度范围广，是中低温区最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测量，而且被制成各种标准温度计，广受各行各业的采用。PT100是铂热电阻，实物图如图2-5所示，它的阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0时它的阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。其电阻和温度的变化的关系式如下：R=R0(1+aT),其中a=0.00392，R0为100,T为摄氏温度。使用铂电阻制成的温度传感器一般采用四线制，PT100要求引出的四根导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线二根接到电桥的电源两端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线电阻带来的测量误差，所以工业上一般采用四线制接法。外壳封装一般采用不锈钢，内部填充导热材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧，适用于精密仪器、恒温设备、流体管道等温度的测量，非常经济适用。2.4.2湿度传感器选型和介绍 湿度传感器可采用HMP45A/D传感器，实物图如图2-6所示，该传感器可以同时测量温度和湿度。湿度传感元件采用的是高分子湿敏电容，供电+735V DC，输出01V电压信号，对应湿度0100%。本系统中采用直流+12V供电。HMP45D传感器可在现场进行点单或两点校准。内装有传感器和电子元件的传感器探头可被迅速的拆除更换，不影响测量。如有必要，用维萨拉HM141湿度显示器可对HMP45温湿度读数进行现场校验。这一特性意味着无需间断测量即可完成日常监测和校准。HMP45A/D探头可在宽电压条件下操作，耗电量低。这些特性连同探头量程范围大，温度补偿以及满量程的湿度测量范围可适用于各种应用领域。 2.4.3气压传感器选型和介绍 气压传感器采用VAISALA公司生产的PTB220数字式气压传感器，实物图如图2-7所示，PTB220是完全补偿的数字式气压传感器，具有较宽的工作温度和气压测量范围。感应元件采用VISALA研制的硅电容压力传感器BAROCAP。BAROCAP具有很好的滞后性和重复性以及温度特性、长期稳定性。PTB220的工作原理是基于一个先进的RC振荡电路和三个参考电容，并且电容压力传感器与电容温度传感器连续测量。微处理器自动进行压力线性补偿及温度补偿。PT220在全程范围内有7个温度调整点，每个温度点有6个全程压力调整点。所有的调整参数都存储在EEPROM中，用户不可改变出厂设置。用户可进行多种设置。如:串行总线、平均时间、输出间隔、输出格式、显示格式、错误信息、压力单位、压力分辨率；甚至可以选择不同的电数据传输模式，如：RUN、STOP、SEND模式。它有三种输出方式：软件可设的RS232串行输出；TTL电平输出；模拟输出、脉冲输出。其有两种低功耗工作模式：软件可控的睡眠模式；外部激励触发模式。主要的技术参数如下：1. 压力范围从5001100hPa2. 工作温度范围为-40603. 总准确度为0.15hPa(A级)，0.25hPa（B级）4. 长期稳定性为0.10hPa/年5. 可选1个，2个或者3个气压传感器6. 多种输出可选：RS232C/TTL、RS485/RS422串行口或者RS232C/05V DC2.4.4风传感器选型和介绍测风传感器有机械式和超声风传感器两大类，考虑测量分别率和精度的需要，选择传统机械式测风传感器，测风传感器可采用下列三个厂家，分别为天津气象仪器厂生产的EL15型、长春气象研究所生产的EC9-1型和无锡所生产的JQJ-TFH型，他们的硬件接口相同，可交换，但风速换算修正公式有小小的差别。实物图如图2-8所示。测风传感器由风传感器支架，风速传感器和风向传感器组成。风传感器支架除了用作固定风速传感器和风向传感器之外，还完成电缆的转接。风速传感器用来测量水平风的大小，用“米/秒”这个计量单位进行亮度。风向传感器指示风的来向，用“度”这个计量单位进行量度。风向传感器采用精密电位器，并选用低惯性轻金属风向标响应风向，动态性能好。杯体内置的信号处理单元可根据用户需求输出响应信号。当风向发生变化时，尾翼转动通过轴杆带动电位器轴心转动，从而在电位器的活动端产生变化的电阻信号输出。风速传感器采用传统的三风杯结构，风杯选用碳纤维材料，强度高，启动好，转动器为多齿转杯和狭缝光耦。当风杯受水平风力作用而扭转时，通过活轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率信号。计算公式为：V=0.1F（V为风速，单位m/s；F为脉冲频率，单位Hz）。 图2-7 PTB220气压传感器 图2-8风速风向传感器 图2-9 翻斗式雨量传感器 2.4.5雨量传感器选型和介绍 雨量传感器采用翻斗式雨量传感器，该传感器由盛水器、上翻斗、计量翻斗、计数翻斗、汇集漏斗、调节螺钉、干簧管等构成。其盛水口径为200毫米，环境温度0+60，分辨率0.1毫米，雨强大于4毫米/分钟，输出1脉冲等于1毫米雨量。在测量过程中，随着翻斗间歇翻到动作，带动开关，发出一个个脉冲信号，将非点亮转换成电量输出。雨水有盛水器汇集，通过装有小圆护网的小漏洞及其下端的引流管注入上翻斗。当上翻斗盛积的水量达到一定的数量值时，上翻斗翻倒，另一半翻斗开始盛水，翻倒雨水经错汇集漏斗流入，当计量翻斗雨量积累到相当0.1毫米降水时，计量翻斗翻倒，把雨水倒入计数翻斗，使计算翻斗翻动一次。计数翻斗中部装有一块小磁钢，磁钢上端有干簧管。当计数翻斗翻动时，磁钢对干簧管扫描，使干簧接点因合一次，送出一个电路导通脉冲，相当于0.1mm降水量。其实物图如图2-9所示。第三章 地面自动气象监测仪的硬件电路设计 根据系统方案的设计要求，硬件电路还包含电源电路、接口电路、实时时钟电路、LED显示电路、RS232通信电路等，下面给出各段的设计和说明。总电路原理图如图3-5所示。3.1气象监测仪电源电路设计电源是组成地面自动气象监测仪的外面设备之一。电源应该具备下列功能：首先它为仪器提供所需的各种供电电源，系统中主要使用两种电压，单片机、I/O口芯片等供电电压为5V，湿度、气压传感器、RS232控制芯片供电电压为12V；其次具有充电和存储电能作用，在外电源掉电的情况下能正常维护仪器的供电；第三，具有电源指示功能，是维护人员判断电源是否正常工作的重要依据。12V直流电压是该仪器的基本工作电压，气象监测仪中其他直流工作电压应由此转换而成，该电压由蓄电池提供，需另外配置辅助电源对蓄电池充电。在没有市电的情况下，使用12V/24AH免维护蓄电池供电时，可以保证设备连续工作3天以上。另外电路中所需的+5V电源可通过芯片7805产生，芯片周围需配置电容作为稳压和滤波。为了使电源电路具有充电、存储电能功能，需要充电、放点控制模块和电池组，当电池组电量不足时，充电控制模块就会对电池组进行充电，电池组电压达到13.6V时，就会自动停止充电；另外，控制模块也是监测电池供电情况，如果没有市电或太阳能供电时，电池组电压低到10.8V，控制模块就会断开供电，防止电池组放电过量而损坏。电源指示功能需要发光二极管LED作为指示灯，指示电源供电是否正常，当电源正常时，发光二极管发光；当电源不足停止供电时，发光二极管熄灭。3.2地面自动气象监测仪看门狗复位电路设计 看门狗型复位电路主要利用CPU正常工作时，定时复位计数器，使得计数器的值不超过某一值；当CPU不能正常工作时，由于计数器不能被复位，因此其计数会超过某一值，从而产生复位脉冲，使得CPU恢复正常工作状态。附件中的复位电路的可靠性主要取决于软件设计，即将定时向复位电路发出脉冲的程序放在何处。一般设计，将此段程序放在定时器中断服务子程序中。然而，有时这种设计仍然会引起程序走飞或工作不正常。原因主要是：当程序“走飞”发生时定时器初始化以及开中断之后的话，这种“走飞”情况就有可能不能由看门狗复位电路校正回来。因为定时器中断一真在产生，即使程序不正常，看门狗也能被正常复位。为此提出定时器加预设的设计方法。即在初始化时压入堆栈一个地址，在此地址内执行的是一条关中断和一条死循环语句。在所有不被程序代码占用的地址尽可能地用子程序返回指令RET代替。这样，当程序走飞后，其进入陷阱的可能性将大大增加。而一旦进入陷阱，定时器停止工作并且关闭中断，从而使看门狗复位电路会产生一个复位脉冲将CPU复位。在本论文中看门狗复位电路设计见图3-5电路原理图中所示。 80C320单片机的RST引脚出现大于两个机器周期的高电平时，该芯片会自动复位。RST引脚与VSS引脚之间连接一个10K的下拉电阻R6，与VCC引脚之间连接一个10uF的电容C7，以保证开始仪器加电压运行时可靠的复位。在仪器运行当中实现自动检测单片机是否正常，在硬件电路中增加芯片DS1232,该芯片是美国DALLAS公司生产的微处理器监控电路芯片，其中PBRST引脚为按键复位输入端，该引脚端加一个按键开关S1,方便人工进行复位控制；该芯片的输出引脚5直接到80C320的单片机RST引脚，在单片机运行处于失控状态下可以停止和重新启动单片机正常运行。3.3地面自动气象监测仪时钟振荡电路设计时钟振荡电路产生正弦波信号，作为80C320单片机的时钟基准，它决定单片机的运行速度。80C320单片机最大工作时钟为33MHz，本论文采用11.0592MHz时钟频率做中基准。80C320单片机外接晶振引脚XTAL1和XTAL2，在单片机内部，XTAL1是一个反相放大器的输出端，这个放大器构成了片内振荡器；XTAL2接至上述振荡器的反相放大器的输出端。时钟振荡电路设计见图3-5电路图中所示。图中Y1为石英晶体振荡器，通常简称为晶振，接在单片机的XTAL1(19)和XTAL2(18)引脚构成振荡电路，产生单片机所需要的频率信号，作为整个仪器的时钟基准，串行通信波特率是由时钟信号分频后得到，考虑计算方便和波特率的精准，所以采用11.0592MHz时钟频率，另外根据单片机内部结构，电路设计图中C1，C2一般采用30P的电容，有助于稳定时钟振荡频率。3.4地面自动气象监测仪RS232通信接口电路设计RS232接口是电子仪器中最常用的通信接口，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线以及一条地址线。RS232标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS232-c标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信距离为15m;若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20ms以内的通信。RS232接口电路时单片机与计算机、智能传感器和通信模块通信的桥梁，电路设计要符合计算机上使用RS232接口电信号要求。单片机输入输出的电平为1=+5V，0=GND，而计算机上使用的输入输出的电平为1=-12V，0=+12V，所以设计中使用了电平转换芯片。本文采用MAX233芯片，完成系统所需的电平转换，其电路如图3-5电路原理图所示，U13为通信接口芯片MAX233。包含两个驱动器，两个接收器和一个电荷泵电压转换器，该芯片不需要配套外围元件。如图所示，电路设计将引脚11与15，引脚10与16，引脚12与17短接，电源供电引脚7接到+5V电源，电源引脚6和9接到电源地；该芯片引脚1和2是0-5V电平输入接口，其对应输出引脚是18和5，输出接口电平为12V，可直接与标准计算机串行口对接；另外该芯片引脚4和19是12V电平输入接口，其对应输出引脚是3和20，输出接口电平为0-5V，可与单片机串行接口引脚对接。按常用串行通信约定，本设计的单片机设置波特率为9600Bps，7数据位，1停止位和偶校验，程序调用为init-UART1(9600,7,1,E)。3.5地面自动气象监测仪输入/输出电路设计 考虑80C320单片机输入/输出接口可用数量有限，本系统在硬件设计时增加输入/输出硬件电路。可编程大规模数字集成输入/输出接口芯片的正确选用，即可减少外围分立元器件，又可用简化电路设计，可使数据采集处理器运行更加稳定、可靠。本系统采用NEC公司的低功耗CMOS并行接口芯片82C55，其电路方框图如3-1所示。 图3-1 输入/输出接口方框图 芯片82C55具有与CPU直接交换数据的8位数据口，该芯片有3个（A、B、C）输入输出口，每个口都是8位；A、B口可设定输入或输出，C除了可作为8位输入或输出口功能外，每一位都可以单独设置，并能单独进行读入或输出；该芯片有多个可写入的存储器，该芯片被上电复位后，按照写入存储器的控制字进行工作。由于该芯片的集成度高，使得数据采集处理器几乎所有控制功能集中在这一芯片上。图中，单片机的低位地址线接到芯片82C55地址口，通过地址变化选择芯片82C55内不同的命令寄存器和数据存储器，8位数据线直接到其数据口，进行命令字的写入和数据读写操作。芯片的输入/输出A口连接风向传感器的七位并行格雷码输出口，进行风向数据的读取，利用该芯片C口每一位都可以单独设置，并能单独进行读入或输出的特性，系统所设计的三行四列键盘共七位扫描线接口接在C口，方便键盘的按键输入信息读取。3.6地面自动气象监测仪显示电路设计本检测仪器显示电路采用共阴极LED数码管和驱动模块ICM7218芯片，该芯片是MAXIM公司生产的7段共阴极LED数码管的驱动芯片，每一片ICM7218最多可以驱动8位LED数码管。它集BCD译码器、多路扫描器、段驱动和位驱动于一体，内含8X8位SRAM，可保存8位LED数据：还有一个控制逻辑单元，写入控制字协调整个芯片正常运作。并可多个ICM7218并联使用。外围接口电路简单，使用方便。常规静态LED驱动芯片只能驱动单一位LED数码管，使得硬件电路复杂，线路板设计成本高等缺陷。若采用ICM7218驱动LED数码管，则可克服上述缺点，可大大简化硬件电路和减少软件的工作量，如图3-2所示。ICM7218芯片具有典型的8位并行数据接口，显示数据和控制字都是8位的字节。控制寄储器与8X8位SRAM之间与数据总线转换由MODE控制，MODE=“1”,选择控制寄储器；MODE=“0”，选择8X8位SRAM.当要更改显示数据时，一定先要写入控制字节，接着按顺序写入8位要显示的数据即可。控制非常方便，程序简单。要写入控制字，先将MODE信号置“1”，CPU将控制字送到数据线上，然后CPU送出一写入信号到ICM7218WR脚上，即可将控制字节写控制寄存器。写入显示数据一定要紧接着控制字后写入，将MODE信号置“0”，CPU将数据送到数据线上，然后CPU送出一写入信号WR到ICM7218的WR脚上，即可将第一个显示数据写入8X8位SRAM中。这样连续重复8位就完成SRAM中的显示数据。ICM7218芯片有两种译码方式：十六进制译码和BCD译码，由控制字决定。 图3-2 显示硬件电路设计3.7地面自动气象监测仪CAN总线电路设计CAN总线作为一种功能完善性价比高的网络通讯控制技术，已被广泛应用于自动控制各个领域。CAN总线采用多主方式工作，所有节点都以平等地位挂接到总线上。本文CAN总线电路设计采用SJA1000和82C250芯片，SJA1000是Philips公司提供的高性价比的CAN总线独立控制器，用于移动目标和工业环境下的区域网络控制。SJA1000的控制分复位模式和操作模式两种模式，复位模式用于初始化控制器，而操作模式即工作模式，有两种模式：BasicCAN和PeliCAN。BasicCAN只支持CAN2.0A,而PeliCAN可支持CAN2.0A与CAN2.0B，并且具有很多扩展功能，特别是在支持错误诊断方面，单片机80C320控制SJA1000实现数据接收和发送，所有其他智能分系统或部分智能传感器都挂接在CAN总线上，他们之间实现CAN总线方式实现双工通信，其硬件电路设计如图3-3所示。图中,CAN总线数据收发电路由CAN总线控制器SJA1000和高速驱动器82C250两部分组成，SJA1000负责数据链路层以上的工作，而82C250负责物理层的工作，即将待发送数据报文转换为CAN总线的物理信号。本电路中将微处理器的P2.0脚作为SJA1000的片选信号，而将P0口作为SJA1000的数据/地址分时复用总线，可知SJA1000的片选基址为0x0000，其内部寄存器地址为片选基址与寄存器相应偏移量的和。另外，将SJA1000中断引脚接到主控制器的P3.3引脚上，以便于当SJA1000接收到数据，或数据发送完成，或总线传输错误时通知主控制器。需注意的是：MODE引脚用于模式选择，接高电平表现Intel模式，接低电平表示Motorola模式，这里微处理器80C320使用的是Intel模式。82C250为高速CAN总线驱动器，最高可支持1M的波特率，但对低速支持