【正文】 預(yù)報(bào)人員提供科學(xué)的決策服務(wù)依據(jù)。硬件包括采集器、外部總線、傳感器、外圍設(shè)備四部分；軟件包括嵌入式軟件、業(yè)務(wù)軟件兩部分。硬件主要解決氣象傳感器、時(shí)鐘芯片、LED顯示、通信接口、硬件運(yùn)行監(jiān)控等與微處理器的接口電路設(shè)計(jì)，并對(duì)研制出來(lái)的地面氣象監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)采集。c、軟件系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。在論文第三章設(shè)計(jì)各個(gè)分電路的方案，介紹電路原理圖的設(shè)計(jì)和PCB電路板制作，展示儀器實(shí)物圖。它是一套能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行無(wú)人值守的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，全程記錄各種氣象要素?cái)?shù)據(jù)及其出現(xiàn)的時(shí)間。 氣象監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，地面自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)儀由硬件和軟件兩大部分組成，其中硬件部分由單片機(jī)、總線接口電路、氣象傳感器、電源、時(shí)鐘電路、顯示電路、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)芯片和無(wú)線傳送電路組成。如果選擇得不合適,就會(huì)造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi),影響單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的正常運(yùn)行,甚至根本就達(dá)不到預(yù)先設(shè)計(jì)的功能。 單片機(jī)芯片選型時(shí),總的原則是: 1.“芯片含有功能或數(shù)量略大于設(shè)計(jì)需求”,設(shè)計(jì)需求盡可能用芯片完成； 2.“選大廠生產(chǎn)的、選供應(yīng)量多的、選名牌的但要量保證。 80C320單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)1. 兼容8051單片機(jī)匯編語(yǔ)言、管腳及其功能；2. 32個(gè)輸入/輸出端口，可位尋址；3. 3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；256字節(jié)RAM。其管腳配置如圖22所示，40條引腳的功能描述見表21。1個(gè)8位中央處理機(jī)，通過(guò)數(shù)據(jù)總線（DATA BUS），控制32個(gè)輸入/輸出口與內(nèi)部各功能寄存器鏈接在一起，而地址寄存器則通過(guò)地址總線(ADDRESS BUS)和P0和P2聯(lián)接。數(shù)據(jù)指針DPTR是一個(gè)16位專用寄存器，既可以作為一個(gè)16位寄存器DPTR來(lái)處理，也可以作為2個(gè)獨(dú)立的8位寄存器DPTR1和DPTR0來(lái)處理。 物理上，單片機(jī)80C320有3個(gè)存儲(chǔ)器空間：片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯器、片外數(shù)據(jù)存貯器和片外程序存貯器。本文使用DALLAS公司的DS1644貯存芯片，該存貯器是8位32K Bytes的非易失靜態(tài)數(shù)據(jù)存貯器，內(nèi)置電池，具有記憶功能，數(shù)據(jù)在正常斷電情況下能保存十年以上。正好滿足80C320單片機(jī)對(duì)外16位地址線，8位數(shù)據(jù)接口的要求。大多數(shù)電阻式溫度傳感器是以金屬作成的，其他以白金（Pt）制作成的電阻式溫度傳感器，精度高、穩(wěn)定性好，而且耐酸堿、不會(huì)變質(zhì)、線性也好，應(yīng)用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測(cè)器，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，廣受各行各業(yè)的采用。其電阻和溫度的變化的關(guān)系式如下：R=R0(1+aT),其中a=，R0為100Ω,T為攝氏溫度。濕度傳感元件采用的是高分子濕敏電容，供電+7~35V DC，輸出0~1V電壓信號(hào)，對(duì)應(yīng)濕度0~100%。如有必要，用維薩拉HM141濕度顯示器可對(duì)HMP45溫濕度讀數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)。 氣壓傳感器采用VAISALA公司生產(chǎn)的PTB220數(shù)字式氣壓傳感器，實(shí)物圖如圖27所示，PTB220是完全補(bǔ)償?shù)臄?shù)字式氣壓傳感器，具有較寬的工作溫度和氣壓測(cè)量范圍。微處理器自動(dòng)進(jìn)行壓力線性補(bǔ)償及溫度補(bǔ)償。如:串行總線、平均時(shí)間、輸出間隔、輸出格式、顯示格式、錯(cuò)誤信息、壓力單位、壓力分辨率；甚至可以選擇不同的電數(shù)據(jù)傳輸模式，如：RUN、STOP、SEND模式。(A級(jí))，177。測(cè)風(fēng)傳感器由風(fēng)傳感器支架，風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器組成。風(fēng)向傳感器采用精密電位器，并選用低慣性輕金屬風(fēng)向標(biāo)響應(yīng)風(fēng)向，動(dòng)態(tài)性能好。當(dāng)風(fēng)杯受水平風(fēng)力作用而扭轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)活軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光耦中的轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出頻率信號(hào)。在測(cè)量過(guò)程中，隨著翻斗間歇翻到動(dòng)作，帶動(dòng)開關(guān)，發(fā)出一個(gè)個(gè)脈沖信號(hào)，將非點(diǎn)亮轉(zhuǎn)換成電量輸出。當(dāng)計(jì)數(shù)翻斗翻動(dòng)時(shí)，磁鋼對(duì)干簧管掃描，使干簧接點(diǎn)因合一次，送出一個(gè)電路導(dǎo)通脈沖。電源是組成地面自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)儀的外面設(shè)備之一。另外電路中所需的+5V電源可通過(guò)芯片7805產(chǎn)生，芯片周圍需配置電容作為穩(wěn)壓和濾波。附件中的復(fù)位電路的可靠性主要取決于軟件設(shè)計(jì)，即將定時(shí)向復(fù)位電路發(fā)出脈沖的程序放在何處。因?yàn)槎〞r(shí)器中斷一真在產(chǎn)生，即使程序不正常，看門狗也能被正常復(fù)位。這樣，當(dāng)程序走飛后，其進(jìn)入陷阱的可能性將大大增加。RST引腳與VSS引腳之間連接一個(gè)10KΩ的下拉電阻R6，與VCC引腳之間連接一個(gè)10uF的電容C7，以保證開始儀器加電壓運(yùn)行時(shí)可靠的復(fù)位。80C320單片機(jī)外接晶振引腳XTAL1和XTAL2，在單片機(jī)內(nèi)部，XTAL1是一個(gè)反相放大器的輸出端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器；XTAL2接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。RS232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、7100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS232接口電路時(shí)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)、智能傳感器和通信模塊通信的橋梁，電路設(shè)計(jì)要符合計(jì)算機(jī)上使用RS232接口電信號(hào)要求。如圖所示，電路設(shè)計(jì)將引腳11與15，引腳10與16，引腳12與17短接，電源供電引腳7接到+5V電源，電源引腳6和9接到電源地；該芯片引腳1和2是05V電平輸入接口，其對(duì)應(yīng)輸出引腳是18和5，輸出接口電平為177。 考慮80C320單片機(jī)輸入/輸出接口可用數(shù)量有限，本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)時(shí)增加輸入/輸出硬件電路。由于該芯片的集成度高，使得數(shù)據(jù)采集處理器幾乎所有控制功能集中在這一芯片上。它集BCD譯碼器、多路掃描器、段驅(qū)動(dòng)和位驅(qū)動(dòng)于一體，內(nèi)含8X8位SRAM，可保存8位LED數(shù)據(jù)：還有一個(gè)控制邏輯單元，寫入控制字協(xié)調(diào)整個(gè)芯片正常運(yùn)作。若采用ICM7218驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，則可克服上述缺點(diǎn)，可大大簡(jiǎn)化硬件電路和減少軟件的工作量，如圖32所示。要寫入控制字，先將MODE信號(hào)置“1”，CPU將控制字送到數(shù)據(jù)線上，然后CPU送出一寫入信號(hào)到ICM7218WR腳上，即可將控制字節(jié)寫控制寄存器。 圖32 顯示硬件電路設(shè)計(jì)CAN總線作為一種功能完善性價(jià)比高的網(wǎng)絡(luò)通訊控制技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制各個(gè)領(lǐng)域。,，并且具有很多擴(kuò)展功能，特別是在支持錯(cuò)誤診斷方面，單片機(jī)80C320控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，所有其他智能分系統(tǒng)或部分智能傳感器都掛接在CAN總線上，他們之間實(shí)現(xiàn)CAN總線方式實(shí)現(xiàn)雙工通信，其硬件電路設(shè)計(jì)如圖33所示。需注意的是：MODE引腳用于模式選擇，接高電平表現(xiàn)Intel模式，接低電平表示Motorola模式，這里微處理器80C320使用的是Intel模式。為了消除總線上的高頻干擾和電磁輻射，在引腳CANH和CANL與地之間并聯(lián)兩只30pF的電容。由于數(shù)字信號(hào)本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個(gè)相對(duì)大小。數(shù)字計(jì)算機(jī)只能夠?qū)?shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，處理的結(jié)果還是數(shù)字量，它在用于生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的時(shí)候，所要處理的變量往往是連續(xù)變化的物理量，如溫度、壓力、速度等都是模擬量，這些非電子信號(hào)的模擬量先要經(jīng)過(guò)傳感器變成電壓或者電流信號(hào)， 然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，才能夠送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。最普通的碼制是二進(jìn)制，它有2的n次方個(gè)量級(jí)（n為位數(shù)）,可依次逐個(gè)編號(hào)?？刂七壿嬆軐?shí)現(xiàn)對(duì)分搜索的控制，其比較方法如同天平稱重。這種直接逐位比較型轉(zhuǎn)換器是一種高速的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換精度很高，但對(duì)干擾的抑制能力較差，常用提高數(shù)據(jù)放大器性能的方法來(lái)彌補(bǔ)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選用具體取決于輸入電平、輸出形式、控制性質(zhì)以及需要的速度、分辨率和精度。AD780芯片為其提供問(wèn)穩(wěn)定的參考電壓，保證模擬信息轉(zhuǎn)換的正確性。當(dāng)數(shù)據(jù)寄存器中有新的數(shù)據(jù)字可供使用時(shí)，DRDY變?yōu)榈碗娖健?程序初始化模塊設(shè)計(jì)初始化模塊決定整個(gè)系統(tǒng)的工作方式，初始化部分包括80C320工作模式初始化，定時(shí)器初始化，通信參數(shù)初始化，RAM檢查，通信狀態(tài)和緩沖清零等，保證系統(tǒng)按既定計(jì)劃完成程序初始化并進(jìn)入到系統(tǒng)正常運(yùn)行，初始化流程圖如圖1所示。工作流程圖如圖43所示。模塊軟件主要完成的任務(wù)是檢查所有氣象傳感器的工作狀態(tài)是否正常，發(fā)現(xiàn)異常后作出相應(yīng)的處理，及時(shí)應(yīng)對(duì)氣象傳感器所出現(xiàn)的異常情況。模塊設(shè)計(jì)包括命令字的寫入，設(shè)置顯示工作方式，將氣象數(shù)據(jù)資料寫入指定的存貯區(qū)，氣象數(shù)據(jù)就會(huì)自動(dòng)顯示出來(lái)。數(shù)據(jù)采集功能是指按用戶使用計(jì)算機(jī)通過(guò)傳送媒介采集地面自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)儀的氣象數(shù)據(jù)。 通信功能包括下列七項(xiàng)內(nèi)容：終止當(dāng)前通信任務(wù)，選擇這項(xiàng)回車后，就會(huì)將當(dāng)前進(jìn)行的通信任務(wù)全部取消，包括你選擇的和你定時(shí)正在進(jìn)行的通信任務(wù)。發(fā)報(bào)時(shí)次是指自動(dòng)站自動(dòng)向中心采集站發(fā)送正點(diǎn)資料?！?0”自動(dòng)設(shè)為每20分鐘向中心采集站發(fā)送正點(diǎn)報(bào)資料。自動(dòng)站工作在有線方式，當(dāng)自動(dòng)站檢測(cè)到異常情況時(shí)，就會(huì)按該電話號(hào)碼進(jìn)行撥號(hào)并將報(bào)警信息發(fā)回中心采集站。若超出范圍視為99處理。生成月報(bào)表A文件，選擇此按鍵回車，本程序按地面觀察規(guī)范格式要求生成A文件，該文件能用通用編輯軟件打開和編輯，也可以用專用氣象審核月報(bào)表軟件編輯，校對(duì)，審核和打印輸出。顯示方式包括下列四項(xiàng)功能：一站一時(shí)顯示，選擇這項(xiàng)按回車后，可以進(jìn)行顯示任意一個(gè)自動(dòng)站某一時(shí)次的資料；屏幕上出現(xiàn)三個(gè)指向手，而且站名變成可選項(xiàng)，再選擇該項(xiàng)回車，關(guān)閉一站一時(shí)顯示。可以通過(guò)更改日期或點(diǎn)擊前翻、后翻來(lái)顯示你想查看的資料?？梢酝ㄟ^(guò)更改日期時(shí)間或點(diǎn)擊前翻、后翻來(lái)顯示你想查看的時(shí)次資料。重新生成S文件，選擇此按鍵回車后，本程序?qū)①A存在計(jì)算機(jī)氣象資料提取出來(lái)，重新生成一份S文件，按設(shè)定要求上傳到指定的服務(wù)器。數(shù)據(jù)處理包括下列五項(xiàng)功能：生成月報(bào)表D文件，選擇此按鍵回車后，進(jìn)入到重新生成S文件畫面，你可以隨意選定要重新生成S文件的站，按“確定”按鈕后，程序就會(huì)按你選定的站名按地面觀測(cè)規(guī)范格式要求逐一重新生成S文件，并有相應(yīng)的說(shuō)明。設(shè)自動(dòng)站大風(fēng)、大雨報(bào)警，選擇這項(xiàng)回車后，程序就會(huì)按你選定的通信站名逐一進(jìn)行大風(fēng)、大雨報(bào)警設(shè)定，并將返回的結(jié)果記錄下來(lái)，方便以后查閱?！?0”自動(dòng)設(shè)為每60分鐘向中心采集站發(fā)送正點(diǎn)報(bào)資料。 圖47計(jì)算機(jī)處理分析系統(tǒng)軟件界面圖“0”自動(dòng)設(shè)為不自動(dòng)發(fā)報(bào)，一般自動(dòng)站的默認(rèn)值。校對(duì)自動(dòng)站時(shí)間，選擇這項(xiàng)按回車后，程序就會(huì)按你選定的通信站名逐一進(jìn)行時(shí)間校對(duì)，校對(duì)時(shí)間按計(jì)算機(jī)當(dāng)前時(shí)間進(jìn)行，并將返回的結(jié)果顯示和記錄下來(lái)。選擇瞬時(shí)資料采集按鍵回車后，程序就會(huì)按你選定的通信站點(diǎn)逐一進(jìn)行瞬時(shí)資料采集，將返回的數(shù)據(jù)顯示；選擇正點(diǎn)資料采集按鍵回車后，程序就會(huì)按你選定的通信站點(diǎn)逐一進(jìn)行正點(diǎn)資料采集，將返回的數(shù)據(jù)顯示并保存下來(lái)，方便以后查閱；選擇過(guò)時(shí)資料采集按鍵回車后，程序就會(huì)按你選定的通信站點(diǎn)名逐一進(jìn)行過(guò)時(shí)資料采集，時(shí)段取你屏幕上設(shè)定的時(shí)間。 開始異常處理模塊，標(biāo)志出錯(cuò)格雷碼位風(fēng)向傳感器正常？風(fēng)速傳感器正常？異常處理模塊，標(biāo)志干簧管通斷異常雨量傳感器正常？異常處理模塊，標(biāo)志鉑電阻異常溫度傳感器正常？異常處理模塊，標(biāo)志濕敏電容異常濕度傳感器正常？ 異常處理模塊，標(biāo)志氣壓值異常氣壓傳感器正常？ 返回儀器自檢，正常？異常處理模塊，標(biāo)志相應(yīng)部位異常異常處理模塊，標(biāo)志靜風(fēng)或大風(fēng)異常 NN Y N Y Y N Y N Y Y N Y Y N Y N Y 圖45 檢查和異常處理模塊工作流程圖 開始 返回 寫入顯示氣象數(shù)據(jù) 寫入顯示寄存器地址 寫入命令字，設(shè)置顯示方式 寫入控制字，初始化顯示芯片 圖46 LED顯示模塊工作流程圖 計(jì)算機(jī)終端處理軟件是用戶收集和查看氣象資料的主要界面，它包括下面功能：數(shù)據(jù)采集功能，通信功能，數(shù)據(jù)處理，顯示方式，參數(shù)設(shè)置，狀態(tài)監(jiān)控等。其工作流程圖如圖45所示。其工作流程圖如圖44所示。工作流程圖如圖42所示。第四章 地面自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì) 地面自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)儀的軟件主要是指氣象數(shù)據(jù)采集處理器軟件，其次還應(yīng)包含計(jì)算機(jī)處理分析系統(tǒng)軟件，各自的實(shí)現(xiàn)功能完全不同。DIN線用于把數(shù)據(jù)傳送到片內(nèi)寄存器，DOUT線用于從片內(nèi)寄存器訪問(wèn)數(shù)據(jù)。在本論文的具體應(yīng)用硬件電路設(shè)計(jì)如圖34所示。間接法不將電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字，而是首先轉(zhuǎn)換成某一中間量,再由中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字。然后使下一位Dn2=1,與上一次的結(jié)果一起經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后與Vin相比較,重復(fù)這一過(guò)程，直到使D0=1，再與Vin相比較,由VinVS還是VinV來(lái)決定是否保留這一位。 直接法是直接將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。量化是將模擬信號(hào)量程分成許多離散量級(jí)，并確定輸入信號(hào)所屬的量級(jí)。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的大小。 模數(shù)轉(zhuǎn)換即A/D轉(zhuǎn)換，或簡(jiǎn)稱ADC，通常是指一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。輸出端的CANH與CANL之間需要接一個(gè)120歐姆的終端電阻，以消除通信電纜中的信號(hào)反射，保證通訊正常。而將P0口作為SJA1000的數(shù)據(jù)/地址分時(shí)復(fù)用總線，可知SJA1000的片選基址為0x0000，其內(nèi)部寄存器地址為片選基址與寄存器相應(yīng)偏移量的和。本文CAN總線電路設(shè)計(jì)采用SJA1000和82C250芯片，SJA1000是Philips公司提供的高性價(jià)比的CAN總線獨(dú)立控制器，用于移動(dòng)目標(biāo)和工業(yè)環(huán)境下的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。這樣連續(xù)重復(fù)8位就完成SRAM中的顯示數(shù)據(jù)?？刂萍膬?chǔ)器與8X8位SRAM之間與數(shù)據(jù)總線轉(zhuǎn)換由MODE控制，MODE=“1”,選擇控制寄儲(chǔ)器；MODE=“0”，一定先要寫入控制字節(jié)，接著按順序?qū)懭?位要顯示的數(shù)據(jù)即可。外圍接口電路簡(jiǎn)單，使用方便。芯片的輸入/輸出A口連接風(fēng)向傳感器的七位并行格雷碼輸出口，進(jìn)行風(fēng)向數(shù)據(jù)的讀取，利用該芯片C口每一位都可以單獨(dú)設(shè)置，并能單獨(dú)進(jìn)行讀入或輸出的特性，系統(tǒng)所設(shè)計(jì)