基于单片机的大气参数多路采集系统的设计

1、基于单片机的大气参数多路采集系统的设计李多扬(中科院安徽光学精密机械研究所大气光学中心，合肥 230031摘要:本文介绍了一种基于单片机的大气参数多路采集系统的设计方法。在一套高精度超声测风系统上，增加一个采集模块，通过RS-485由一台计算机完成各测量点的温度、湿度、风速、风向和C n 2的控制采集和传输数据。关键词：大气折射率结构常数，单片机，多路采集Design of multiple-aisle atmospheric parameter collecting system based on single-computerLI Duo-yang(National Atmospheric

2、 optics lab, AnHui Institute of optics & fine mechanics, Hefei 230031 Abstract: Introduced a method Designing multiple-aisle atmospheric parameter collecting system based on Single-Chip Microcomputer(SCM. A collecting model was added on a set of measuring wind system with high precision. With RS

3、-485 interface, the data, including temperature, humidity and refractive index structure constant (C n 2, communication and control between SCM system and PC is established .Keywords: refractive index structure constant, single-computer, multiple-aisle collecting1 引言激光大气传输外场实验需要实时测量温、湿、压、风速、风向等常规气象参

4、数以及大气湍流强度C n 2。现有常规气象参数传感器测量精度为：温度测量精度好于0.5 ，湿度测量精度在5以内，测量风速的风杯风速计的精度为0.5m/s，测量风向的光电式风向标的精度是5°。随着光传输研究的深入，对常规气象参数特别是风速、风向的测量精度提出了更高的要求。我们建立了一套高精度测风系统，系统由三台超声风速计组成，采用RS-485通讯接口，呈分布式排列，传输距离为1公里，使得风速、风向测量精度分别提高到0.05m/s和0.5°满足了光传输实验的要求。为拓展系统功能，我们决定在每个超声风速计测量点增加一个采集模块，测量温度、湿度和C n 2。这样通过RS-485由一

5、台计算机完成各测量点的温度、湿度、风速、风向和C n 2的控制采集和传输数据。2系统工作原理本系统是一个分布式测控系统，由PC 机和三个单片机组成的下位机通过485总线构成。如图1所示。由单片机构成的3个子站是本系统开发工作的重点。每个站点分别接有温度、湿度和温度脉动三个传感器用来分别测量该点的温湿度及C n 2 三个参量。A/D转换电路将传感器输出的模拟信号转换成数字信号。单片机将采集的三路信号经过处理得到温、湿度及大气湍流强度的实时值通过串口发送给上位机。如图2所示。 图1系统总体结构图 图2下位机各子站点的体系结构图3系统硬件设计大气参数采集系统是对多路开关送来的温度脉动信号以及温湿度信

6、号循环采集，采样频率为50赫兹，进行10s 的统计平均运算得到各种大气参量。系统选用MAX180对温度脉动传感器的输出信号进行模数转换。MAX180是8通道12位逐次逼近式转换器，转换速率高、功耗低。并且可由程序设定为单极信号或双极信号以及单端或差动的方式工作。为了使系统快速摆脱因干扰而陷入的死循环，我们配置了看门狗电路。如果由于某种原因单片机进入死循环，则P16无脉冲输出，那么在1.6s 后MAX706将产生复位输出，使单片机有效复位，摆脱死循环的困扰。此外，由于要求10s 为一个测量周期，数据量较大， 系统外扩了8K 的外部RAM 。为了使系统资源有一定的预留，又扩展了16K 的外部ROM

7、 。由于RS -485总线采用平衡驱动和差分接收，具有抑制共模干扰，便于实现多站点高速远距离数据传送。对于单片机TTL 与RS -485之间的电平转换，本系统选用MAX487芯片来实现。为了提高数据传输的抗干扰性，采用光电隔离技术，从而降低了长线传输过程中引入的干扰。 图3硬件电路原理简图4 系统软件设计 4.1 单片机程序设计图5为软件流程图。系统软件的功能就是实现对3个通道的大气参数循环采集，并将统计平均运算后计算出的每个通道的C n 2和温度发送给PC 机。首先，我们用单片机的定时器完成对每个通道每隔10ms 的定时采样，并把数据存入外部RAM 。但是，由于采集数据持续的时间较长，远远大

8、于看门狗自动复位的时间, 因此必须通过软件的方法使P16输出一脉冲以防止单片机在正常采集数据的过程中异常复位(俗称喂狗 。为了让上位机识别各个通道的数据，在每个通道的数据中加入不同的头字符。并且上位机在接收到超声测风系统传送的数据后再发送一个不同的头字符。单片机在接收到该字符后将把温度、湿度及C n 2上传。4.2上位机接收界面 图4 上位机接收界面 定时中断程序图5下位机程序流程图上位机接收程序就是完成以下功能：首先建立与下位机的联系， 检测下位机各站点通讯及线路是否正常。其次，将各站点上传的数据实时显示并将其保存在硬盘中，同时可实时监测各站点风速的大小。5 结束语本文介绍的大气参数多路采集系统已通过仿真调试。值得提出的是:对于单片机测控系统的开发，使用C 语言可以缩短软件开发周期并使得程序容易移植。致谢：中科院大气物