【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圍從500~1100hPa2. 工作溫度范圍為40~60℃3. 總準(zhǔn)確度為177。(A級(jí))，177。（B級(jí)）4. 長(zhǎng)期穩(wěn)定性為177。5. 可選1個(gè)，2個(gè)或者3個(gè)氣壓傳感器6. 多種輸出可選：RS232C/TTL、RS485/RS422串行口或者RS232C/0~5V DC測(cè)風(fēng)傳感器有機(jī)械式和超聲風(fēng)傳感器兩大類，考慮測(cè)量分別率和精度的需要，選擇傳統(tǒng)機(jī)械式測(cè)風(fēng)傳感器，測(cè)風(fēng)傳感器可采用下列三個(gè)廠家，分別為天津氣象儀器廠生產(chǎn)的EL15型、長(zhǎng)春氣象研究所生產(chǎn)的EC91型和無(wú)錫所生產(chǎn)的JQJTFH型，他們的硬件接口相同，可交換，但風(fēng)速換算修正公式有小小的差別。實(shí)物圖如圖28所示。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)傳感器支架除了用作固定風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器之外，還完成電纜的轉(zhuǎn)接。風(fēng)速傳感器用來(lái)測(cè)量水平風(fēng)的大小，用“米/秒”這個(gè)計(jì)量單位進(jìn)行亮度。風(fēng)向傳感器指示風(fēng)的來(lái)向，用“度”這個(gè)計(jì)量單位進(jìn)行量度。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。杯體內(nèi)置的信號(hào)處理單元可根據(jù)用戶需求輸出響應(yīng)信號(hào)。當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化時(shí)，尾翼轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)軸桿帶動(dòng)電位器軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在電位器的活動(dòng)端產(chǎn)生變化的電阻信號(hào)輸出。風(fēng)速傳感器采用傳統(tǒng)的三風(fēng)杯結(jié)構(gòu)，風(fēng)杯選用碳纖維材料，強(qiáng)度高，啟動(dòng)好，轉(zhuǎn)動(dòng)器為多齒轉(zhuǎn)杯和狹縫光耦。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)。計(jì)算公式為：V=（V為風(fēng)速，單位m/s；F為脈沖頻率，單位Hz）。 圖27 PTB220氣壓傳感器 圖28風(fēng)速風(fēng)向傳感器 圖29 翻斗式雨量傳感器 雨量傳感器采用翻斗式雨量傳感器，該傳感器由盛水器、上翻斗、計(jì)量翻斗、計(jì)數(shù)翻斗、匯集漏斗、調(diào)節(jié)螺釘、干簧管等構(gòu)成。其盛水口徑為Ф200毫米，環(huán)境溫度0~+60℃，雨強(qiáng)大于4毫米/分鐘，輸出1脈沖等于1毫米雨量。在測(cè)量過(guò)程中，隨著翻斗間歇翻到動(dòng)作，帶動(dòng)開(kāi)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。雨水有盛水器匯集，通過(guò)裝有小圓護(hù)網(wǎng)的小漏洞及其下端的引流管注入上翻斗。當(dāng)上翻斗盛積的水量達(dá)到一定的數(shù)量值時(shí)，上翻斗翻倒，另一半翻斗開(kāi)始盛水，翻倒雨水經(jīng)錯(cuò)匯集漏斗流入，計(jì)量翻斗翻倒，把雨水倒入計(jì)數(shù)翻斗，使計(jì)算翻斗翻動(dòng)一次。計(jì)數(shù)翻斗中部裝有一塊小磁鋼，磁鋼上端有干簧管。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。其實(shí)物圖如圖29所示。第三章 地面自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)儀的硬件電路設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)要求，硬件電路還包含電源電路、接口電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、LED顯示電路、RS232通信電路等，下面給出各段的設(shè)計(jì)和說(shuō)明。總電路原理圖如圖35所示。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。電源應(yīng)該具備下列功能：首先它為儀器提供所需的各種供電電源，系統(tǒng)中主要使用兩種電壓，單片機(jī)、I/O口芯片等供電電壓為5V，濕度、氣壓傳感器、RS232控制芯片供電電壓為12V；其次具有充電和存儲(chǔ)電能作用，在外電源掉電的情況下能正常維護(hù)儀器的供電；第三，具有電源指示功能，是維護(hù)人員判斷電源是否正常工作的重要依據(jù)。12V直流電壓是該儀器的基本工作電壓，氣象監(jiān)測(cè)儀中其他直流工作電壓應(yīng)由此轉(zhuǎn)換而成，該電壓由蓄電池提供，需另外配置輔助電源對(duì)蓄電池充電。在沒(méi)有市電的情況下，使用12V/24AH免維護(hù)蓄電池供電時(shí)，可以保證設(shè)備連續(xù)工作3天以上。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。為了使電源電路具有充電、存儲(chǔ)電能功能，需要充電、放點(diǎn)控制模塊和電池組，當(dāng)電池組電量不足時(shí)，充電控制模塊就會(huì)對(duì)電池組進(jìn)行充電，就會(huì)自動(dòng)停止充電；另外，控制模塊也是監(jiān)測(cè)電池供電情況，如果沒(méi)有市電或太陽(yáng)能供電時(shí)，控制模塊就會(huì)斷開(kāi)供電，防止電池組放電過(guò)量而損壞。電源指示功能需要發(fā)光二極管LED作為指示燈，指示電源供電是否正常，當(dāng)電源正常時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光；當(dāng)電源不足停止供電時(shí)，發(fā)光二極管熄滅。 看門狗型復(fù)位電路主要利用CPU正常工作時(shí)，定時(shí)復(fù)位計(jì)數(shù)器，使得計(jì)數(shù)器的值不超過(guò)某一值；當(dāng)CPU不能正常工作時(shí)，由于計(jì)數(shù)器不能被復(fù)位，因此其計(jì)數(shù)會(huì)超過(guò)某一值，從而產(chǎn)生復(fù)位脈沖，使得CPU恢復(fù)正常工作狀態(tài)。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。一般設(shè)計(jì)，將此段程序放在定時(shí)器中斷服務(wù)子程序中。然而，有時(shí)這種設(shè)計(jì)仍然會(huì)引起程序走飛或工作不正常。原因主要是：當(dāng)程序“走飛”發(fā)生時(shí)定時(shí)器初始化以及開(kāi)中斷之后的話，這種“走飛”情況就有可能不能由看門狗復(fù)位電路校正回來(lái)。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。為此提出定時(shí)器加預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)方法。即在初始化時(shí)壓入堆棧一個(gè)地址，在此地址內(nèi)執(zhí)行的是一條關(guān)中斷和一條死循環(huán)語(yǔ)句。在所有不被程序代碼占用的地址盡可能地用子程序返回指令RET代替。這樣，當(dāng)程序走飛后，其進(jìn)入陷阱的可能性將大大增加。而一旦進(jìn)入陷阱，定時(shí)器停止工作并且關(guān)閉中斷，從而使看門狗復(fù)位電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位脈沖將CPU復(fù)位。在本論文中看門狗復(fù)位電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖35電路原理圖中所示。 80C320單片機(jī)的RST引腳出現(xiàn)大于兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)，該芯片會(huì)自動(dòng)復(fù)位。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(kāi)始儀器加電壓運(yùn)行時(shí)可靠的復(fù)位。在儀器運(yùn)行當(dāng)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)單片機(jī)是否正常，在硬件電路中增加芯片DS1232,該芯片是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的微處理器監(jiān)控電路芯片，其中PBRST引腳為按鍵復(fù)位輸入端，該引腳端加一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)S1,方便人工進(jìn)行復(fù)位控制；該芯片的輸出引腳5直接到80C320的單片機(jī)RST引腳，在單片機(jī)運(yùn)行處于失控狀態(tài)下可以停止和重新啟動(dòng)單片機(jī)正常運(yùn)行。時(shí)鐘振蕩電路產(chǎn)生正弦波信號(hào)，作為80C320單片機(jī)的時(shí)鐘基準(zhǔn)，它決定單片機(jī)的運(yùn)行速度。80C320單片機(jī)最大工作時(shí)鐘為33MHz。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。時(shí)鐘振蕩電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖35電路圖中所示。圖中Y1為石英晶體振蕩器，通常簡(jiǎn)稱為晶振，接在單片機(jī)的XTAL1(19)和XTAL2(18)引腳構(gòu)成振蕩電路，產(chǎn)生單片機(jī)所需要的頻率信號(hào)，作為整個(gè)儀器的時(shí)鐘基準(zhǔn)，串行通信波特率是由時(shí)鐘信號(hào)分頻后得到，考慮計(jì)算方便和波特率的精準(zhǔn)，另外根據(jù)單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電路設(shè)計(jì)圖中C1，C2一般采用30P的電容，有助于穩(wěn)定時(shí)鐘振蕩頻率。RS232接口是電子儀器中最常用的通信接口，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對(duì)于一般雙工通信，僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線以及一條地址線。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。RS232c標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有2500pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信距離為15m。若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS232屬單端信號(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問(wèn)題，因此一般用于20ms以內(nèi)的通信。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。單片機(jī)輸入輸出的電平為1=+5V，0=GND，而計(jì)算機(jī)上使用的輸入輸出的電平為1=12V，0=+12V，所以設(shè)計(jì)中使用了電平轉(zhuǎn)換芯片。本文采用MAX233芯片，完成系統(tǒng)所需的電平轉(zhuǎn)換，其電路如圖35電路原理圖所示，U13為通信接口芯片MAX233。包含兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，兩個(gè)接收器和一個(gè)電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器，該芯片不需要配套外圍元件。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。12V，可直接與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)串行口對(duì)接；另外該芯片引腳4和19是177。12V電平輸入接口，其對(duì)應(yīng)輸出引腳是3和20，輸出接口電平為05V，可與單片機(jī)串行接口引腳對(duì)接。按常用串行通信約定，本設(shè)計(jì)的單片機(jī)設(shè)置波特率為9600Bps，7數(shù)據(jù)位，1停止位和偶校驗(yàn)，程序調(diào)用為initUART1(9600,7,1,E)。 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?？删幊檀笠?guī)模數(shù)字集成輸入/輸出接口芯片的正確選用，即可減少外圍分立元器件，又可用簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，可使數(shù)據(jù)采集處理器運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠。本系統(tǒng)采用NEC公司的低功耗CMOS并行接口芯片82C55，其電路方框圖如31所示。 圖31 輸入/輸出接口方框圖 芯片82C55具有與CPU直接交換數(shù)據(jù)的8位數(shù)據(jù)口，該芯片有3個(gè)（A、B、C）輸入輸出口，每個(gè)口都是8位；A、B口可設(shè)定輸入或輸出，C除了可作為8位輸入或輸出口功能外，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；該芯片有多個(gè)可寫入的存儲(chǔ)器，該芯片被上電復(fù)位后，按照寫入存儲(chǔ)器的控制字進(jìn)行工作。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。圖中，單片機(jī)的低位地址線接到芯片82C55地址口，通過(guò)地址變化選擇芯片82C55內(nèi)不同的命令寄存器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8位數(shù)據(jù)線直接到其數(shù)據(jù)口，進(jìn)行命令字的寫入和數(shù)據(jù)讀寫操作。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)的三行四列鍵盤共七位掃描線接口接在C口，方便鍵盤的按鍵輸入信息讀取。本檢測(cè)儀器顯示電路采用共陰極LED數(shù)碼管和驅(qū)動(dòng)模塊ICM7218芯片，該芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的7段共陰極LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)芯片，每一片ICM7218最多可以驅(qū)動(dòng)8位LED數(shù)碼管。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。并可多個(gè)ICM7218并聯(lián)使用。外圍接口電路簡(jiǎn)單，使用方便。常規(guī)靜態(tài)LED驅(qū)動(dòng)芯片只能驅(qū)動(dòng)單一位LED數(shù)碼管，使得硬件電路復(fù)雜，線路板設(shè)計(jì)成本高等缺陷。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。ICM7218芯片具有典型的8位并行數(shù)據(jù)接口，顯示數(shù)據(jù)和控制字都是8位的字節(jié)?？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。控制非常方便，程序簡(jiǎn)單。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。寫入顯示數(shù)據(jù)一定要緊接著控制字后寫入，將MODE信號(hào)置“0”，CPU將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線上，然后CPU送出一寫入信號(hào)WR到ICM7218的WR腳上，即可將第一個(gè)顯示數(shù)據(jù)寫入8X8位SRAM中。這樣連續(xù)重復(fù)8位就完成SRAM中的顯示數(shù)據(jù)。ICM7218芯片有兩種譯碼方式：十六進(jìn)制譯碼和BCD譯碼，由控制字決定。 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。CAN總線采用多主方式工作，所有節(jié)點(diǎn)都以平等地位掛接到總線上。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。SJA1000的控制分復(fù)位模式和操作模式兩種模式，復(fù)位模式用于初始化控制器，而操作模式即工作模式，有兩種模式：BasicCAN和PeliCAN。,，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。圖中,CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)電路由CAN總線控制器SJA1000和高速驅(qū)動(dòng)器82C250兩部分組成，SJA1000負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)鏈路層以上的工作，而82C250負(fù)責(zé)物理層的工作，即將待發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)換為CAN總線的物理信號(hào)。，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。另外，以便于當(dāng)SJA1000接收到數(shù)據(jù)，或數(shù)據(jù)發(fā)送完成，或總線傳輸錯(cuò)誤時(shí)通知主控制器。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。82C250為高