【文章內(nèi)容簡介】 和挑戰(zhàn)，開發(fā)一套適合我國氣象觀測應(yīng)用的地面自動氣象監(jiān)測儀任重而道遠，要在氣象傳感器技術(shù)和微電子技術(shù)上下功夫，使得開發(fā)出來的氣象儀器長期運行穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)據(jù)可信，能準(zhǔn)確、真實反應(yīng)大氣狀況和變化規(guī)律，為天氣預(yù)報人員提供科學(xué)的決策服務(wù)依據(jù)。 通過對國內(nèi)外自動氣象站現(xiàn)狀的分析可以看到，目前我國地面自動氣象觀測站能實現(xiàn)自動氣象監(jiān)測的儀器絕大部分都是單個要素進行，集成度低，盡管國內(nèi)的自動氣象站基本能滿足氣象業(yè)務(wù)的需要和環(huán)境的要求，但存在不足和缺陷也較大。必須充分認(rèn)識到我國氣象觀測水平與國外先進技術(shù)相比還有很大的差距，為了滿足不斷提高的氣象觀測需求，提高我國氣象觀測事業(yè)的整天水平，應(yīng)重點發(fā)展新一代自動氣象站，對氣象傳感器、數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵技術(shù)進行改進，使我國的新一代自動氣象站能夠進入世界一流的行列。按照中國氣象局第二代自動氣象開發(fā)功能規(guī)則書要求，第二代自動氣象站基于現(xiàn)代總線技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建，采用了國際標(biāo)準(zhǔn)并遵循標(biāo)準(zhǔn)、開放的技術(shù)路線進行設(shè)計，它由硬件和軟件兩大部分組成。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。為了實現(xiàn)自動氣象站進行不同的配置，以實現(xiàn)不同觀測任務(wù)或滿足不同類別氣象觀測站的需要，以最大限度的方便維護和降低維護成本。 本論文所設(shè)計的地面自動氣象監(jiān)測儀采用INTEL公司生產(chǎn)的低功耗CMOS微處理器80C320芯片作為中央處理器，配以NEC公司生產(chǎn)的低消耗CMOS并行接口芯片82C55，實現(xiàn)對多種要素氣象傳感器進行控制和數(shù)據(jù)采集，并通過GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將氣象數(shù)據(jù)傳回到氣象信息中心服務(wù)器。 本論文通過對微處理器80C320和大規(guī)模集成接口電路的研究，設(shè)計出地面自動氣象監(jiān)測儀系統(tǒng)的硬件方案，給出相應(yīng)的原理圖。硬件主要解決氣象傳感器、時鐘芯片、LED顯示、通信接口、硬件運行監(jiān)控等與微處理器的接口電路設(shè)計，并對研制出來的地面氣象監(jiān)測儀進行氣象數(shù)據(jù)采集。軟件設(shè)計給出程序設(shè)計流程圖，按照氣象業(yè)務(wù)規(guī)范編寫出能自動進行氣象數(shù)據(jù)采集、處理、傳送、存儲和輸出的應(yīng)用程序。 主要工作內(nèi)容包括:a、需求調(diào)研，總體方案設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)需要進行硬件部件選定。b、具體硬件電路設(shè)計，并進行電路布設(shè)合理性分析。c、軟件系統(tǒng)的軟件設(shè)計。d、對研制出來的地面自動氣象監(jiān)測儀性能進行分析。 本論文第一張敘述國內(nèi)、外地面氣象監(jiān)測儀的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，知道開發(fā)研究適合我國地面氣象業(yè)務(wù)需求的氣象監(jiān)測儀的必要性，列出本論文要完成的主要工作。在論文第二章里，根據(jù)氣象業(yè)務(wù)的需求，設(shè)計儀器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，重點介紹單片機、存貯芯片的選型，詳細介紹六種氣象要素傳感器的原理。在論文第三章設(shè)計各個分電路的方案，介紹電路原理圖的設(shè)計和PCB電路板制作，展示儀器實物圖。第四章分別介紹數(shù)據(jù)采集處理器軟件各功能模塊設(shè)計和計算機處理分析系統(tǒng)軟件功能設(shè)計。最后對論文工作進行了總結(jié)，提出下一步需要研究的工作。第二章 智能地面氣象監(jiān)測儀總體設(shè)計和部件選擇本文設(shè)計的地面氣象監(jiān)測儀以中國氣象局地面觀測站規(guī)范和中國氣象局第二代自動氣象站開發(fā)功能規(guī)格書要求為指導(dǎo)，采用當(dāng)今成熟的、穩(wěn)定的、先進的電子測量、數(shù)據(jù)傳輸和控制系統(tǒng)技術(shù)，設(shè)計基于現(xiàn)代總線技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建的自動氣象站，滿足地面氣象觀測多要素自動觀測。它是一套能長期穩(wěn)定運行無人值守的監(jiān)測系統(tǒng)，全程記錄各種氣象要素數(shù)據(jù)及其出現(xiàn)的時間。它是一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從各種氣象傳感器中自動采集氣象信息。數(shù)據(jù)采集接口有RS232,A/D轉(zhuǎn)換，脈沖等多種形式，方便各種不同型號、各類通信接口的氣象傳感器介入，數(shù)據(jù)可暫時存放在RAM芯片中，可記錄1個月以上的氣象數(shù)據(jù)，并且可實時傳回到信息中心服務(wù)器中。采用CMOS數(shù)字電路技術(shù)，最大程度減少能耗，可使用市電220V或太陽能系統(tǒng)供電。 氣象監(jiān)測儀系統(tǒng)的總體設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，地面自動氣象監(jiān)測儀由硬件和軟件兩大部分組成，其中硬件部分由單片機、總線接口電路、氣象傳感器、電源、時鐘電路、顯示電路、存儲數(shù)據(jù)芯片和無線傳送電路組成。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖21所示。 圖21 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖該氣象監(jiān)測儀主要采用單片機控制技術(shù)，80C320作為整個系統(tǒng)的主處理器，通過接口電路，從不同的氣象傳感器獲取不同的氣象要素，從時鐘芯片讀取時間數(shù)據(jù)，按照氣象規(guī)范要求進行運算處理，將實時資料經(jīng)驅(qū)動后由LCD顯示器顯示出來，方便現(xiàn)場閱讀；同時將氣象資料存放在本地數(shù)據(jù)存儲器RAM中，另外氣象資料按照氣象編碼要求進行編碼后，通過無線通信模塊GPRS DTU傳回信息中心。單片機的的選型是一件重要而費心的事情,如果單片機型號選擇得合適,單片機應(yīng)用系統(tǒng)就會得經(jīng)濟,工作可靠。如果選擇得不合適,就會造成經(jīng)濟浪費,影響單片機應(yīng)用系統(tǒng)的正常運行,甚至根本就達不到預(yù)先設(shè)計的功能。 對于已經(jīng)設(shè)計好的單片機應(yīng)用系統(tǒng)來說,單片機應(yīng)用系統(tǒng)就無法完成控制任務(wù)。但是如果選擇的單片機功能過大,不但沒必要,還會造成浪費。只要掌握和運用單片機正確選型的原則,就可以選擇出最能適用于應(yīng)用系統(tǒng)的單片機。 單片機芯片選型時,總的原則是: 1.“芯片含有功能或數(shù)量略大于設(shè)計需求”,設(shè)計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。 單片機選型,應(yīng)從單片機應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)性,實用性和開發(fā)性三方面來考慮.(1)技術(shù)性:要從單片機的技術(shù)指標(biāo)角度,對單片機芯片進行選擇,以保證單片機應(yīng)用系統(tǒng)在一定的技術(shù)指標(biāo)下可靠運行。(2)實用性:要從單片機的供貨渠道、信譽程序等角度，對單片機的生產(chǎn)廠家進行選擇以保證單片機應(yīng)用系統(tǒng)在能長期、可靠運行；(3)可開發(fā)性：選用的單片機要有可靠的可以開發(fā)手段，如程序開發(fā)工具、仿真調(diào)試手段等。結(jié)合各種系統(tǒng)電路設(shè)計的技術(shù)要求，本設(shè)計選用微處理器80C320芯片。 80C320單片機的硬件結(jié)構(gòu)1. 兼容8051單片機匯編語言、管腳及其功能；2. 32個輸入/輸出端口，可位尋址；3. 3個16位定時器/計數(shù)器；256字節(jié)RAM。4. 尋址64kB ROM和64kB RAM。5. 2個全雙工串行口，可編程看門狗計數(shù)器；6. 實現(xiàn)4時鐘/機器周期（8051為12），單指令周期不大于121ns；7. 最大工作時鐘達33MHz，有內(nèi)置的時鐘振蕩器；8. 低電壓自動復(fù)位，13個中斷源/6個外部中斷。本論文設(shè)計電路將以40腳DIP（雙列直插式）封裝作例子介紹。其管腳配置如圖22所示，40條引腳的功能描述見表21。 圖22 80C320機芯片引腳配置圖 在40個引腳中有2條專用于電源的引腳，2條外接晶振的引腳，4條控制或與其它電源復(fù)用的引腳，32條I/O引腳。其中8位數(shù)據(jù)線與地址線低8位同用同一個端口，通過多時分路控制識別，ALE的輸出就是用于鎖存地址的低8位字節(jié)。 80C320的內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)圖23表示了詳細的總體結(jié)構(gòu)框圖，在以小塊芯片上，集成了一臺微型計算機的各個部位。1個8位中央處理機，通過數(shù)據(jù)總線（DATA BUS），控制32個輸入/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地址總線(ADDRESS BUS)和P0和P2聯(lián)接。P1~P3輸入/輸出口都有與之對應(yīng)的鎖存器。內(nèi)部數(shù)據(jù)貯存器共256BYTES，在物理上可以分為3個不同的塊：00H~7FH(0~127)單元組成的低128字節(jié)的RAM；80H~FFH(128~255)單元組成的高128字節(jié)的RAM快；以及128字節(jié)的專用寄存器(SFR)塊。程序計數(shù)器（PROG COUNTER）用于安放下一條要執(zhí)行的指令地址，是一個6位的專用寄存器，因此尋址范圍為0~65535(64KB)，程序計數(shù)器在物理上是獨立的，不屬于內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的SFR塊。數(shù)據(jù)指針DPTR是一個16位專用寄存器，既可以作為一個16位寄存器DPTR來處理，也可以作為2個獨立的8位寄存器DPTR1和DPTR0來處理。DPRT主要用來保持16位地址，當(dāng)對64KB尾部數(shù)據(jù)存貯器空間尋址時，可作為間址寄存器用，如MOVX A，@DPTR。在訪問程序存貯器時，DPTR可用作基址寄存器，這時有一條基址+變址方式的指令MOVC A，@A+DPTR,常用于讀取存放在程序存貯器內(nèi)的表格常數(shù)。該芯片內(nèi)部中還有電源控制寄存器器、看門狗寄存器、看門狗計數(shù)器、電源功耗控制和復(fù)位控制等，當(dāng)檢測到不正常運行時能產(chǎn)生一觸發(fā)脈沖復(fù)位數(shù)據(jù)采集處理器。 物理上，單片機80C320有3個存儲器空間：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。在訪問這三個不同的邏輯空間時應(yīng)采用不同形式的指令。因為片內(nèi)沒有程序存貯器，片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯器有256bytes，所以系統(tǒng)要擴展片外數(shù)據(jù)存貯區(qū)和程序存貯區(qū)，圖24就是80C320外部存貯器的配置圖。數(shù)據(jù)存貯芯片可分為非記憶和記憶兩種，非記憶的存貯芯片只要斷電，存放數(shù)據(jù)就會馬上消失，而記憶的存貯芯片在斷電的情況下，數(shù)據(jù)能保存十年以上。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。而且芯片內(nèi)置實時日期、星期和時鐘，在電路設(shè)計中不需要專門增加時鐘電路單元，詳細描述見時鐘設(shè)計部分。在程序存貯芯片中，通用的有光擦出和電擦除兩種，光擦除芯片進行重新寫入必須進行一次紫外線照射大約30分鐘后才可以使用；電擦除芯片只要瞬間加規(guī)定的電壓就可以完成。本文使用Winbond公司的W27C512存貯芯片，該芯片屬于電擦除類型，具有16位地址接口，8位數(shù)據(jù)接口，一個片選接口和程序使能接口；工作電源為+5V電源供電。正好滿足80C320單片機對外16位地址線，8位數(shù)據(jù)接口的要求。單片機80C320的地址線低8位A0~A7和8位數(shù)據(jù)線D0~~,~，而低8位地址A0~~，當(dāng)ALE輸出信號為“高”時，低8位地址A0~~，本設(shè)計使用74HC573鎖存器將這暫時性的地址信號鎖住，因此74HC573的輸出端Q0~Q7直接看成80C320的低8位地址A0~，RD是用來讀取外部數(shù)據(jù)存貯單元的控制接口，WR是用來寫入外部數(shù)據(jù)存貯單元的控制接口；所以單片機外部程序存貯器和數(shù)據(jù)存貯器分成獨立不相關(guān)的兩個地址空間，但共用地址接口和數(shù)據(jù)接口，由PSEN與RD、WR加以分別。 地面自動氣象監(jiān)測儀主要包括傳感器，數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理等部分，其中最能決定它性能的是氣象要素傳感器，隨著對氣候變化研究的深入，這對溫度傳感器的精度和長期運行穩(wěn)定性提出了很高的要求；濕度方面存在的主要問題是濕度傳感器難以在全濕度兩成范圍內(nèi)達到同樣的測量準(zhǔn)確度，在低溫低濕條件下濕度傳感器性能變差，響應(yīng)遲緩，這是世界范圍內(nèi)大氣探測的主要難題之一，等待突破；氣壓方面，由于振筒氣壓儀和硅壓阻氣壓傳感器發(fā)展比較成熟，符合自動氣象站的觀測要求，目前對氣壓傳感器的相關(guān)研究較少，但國內(nèi)生產(chǎn)的氣壓傳感器在精確度、穩(wěn)定度、可靠性等方面與進口傳感器有一定差距；風(fēng)速、風(fēng)向方面，傳統(tǒng)方向標(biāo)和風(fēng)杯的機械結(jié)構(gòu)決定了其系統(tǒng)誤差不可避免，且易受惡劣環(huán)境影響，而超聲波風(fēng)速儀、橫向傳感器等固態(tài)測風(fēng)傳感器的出現(xiàn)，不僅解決了機械摩擦問題，提高了測量準(zhǔn)確度，而且環(huán)境適應(yīng)度大大提高，在惡劣環(huán)境下仍可正常工作，成為風(fēng)速、風(fēng)向測量的主要發(fā)展方向；降水量方面，自動氣象站主要是利用翻斗式雨量計對降水量進行觀察和記錄。電阻式溫度傳感器是一種物質(zhì)材料作成的電阻，它會隨溫度的上升而改變電阻值，如果它隨溫度的上升而電阻值也顯著上升就稱為正電阻系數(shù)，如果它隨溫度的上升而電阻值反而下降就稱為負(fù)電阻系數(shù)。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器，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計，廣受各行各業(yè)的采用。PT100是鉑熱電阻，實物圖如圖25所示，它的阻值跟溫度的變化成正比。PT100的阻值與溫度變化關(guān)系為：當(dāng)PT100溫度為0℃時它的阻值為100歐姆，在100℃。它的工業(yè)原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而成勻速增長的。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。使用鉑電阻制成的溫度傳感器一般采用四線制，PT100要求引出的四根導(dǎo)線截面積和長度均相同，測量鉑電阻的電路一般是不平衡電橋，鉑電阻作為電橋的一個橋臂電阻，將導(dǎo)線二根接到電橋的電源兩端，其余兩根分別接到鉑電阻所在的橋臂及其相鄰的橋臂上，當(dāng)橋路平衡時，導(dǎo)線電阻的變化對測量結(jié)果沒有任何影響，這樣就消除了導(dǎo)線電阻帶來的測量誤差，所以工業(yè)上一般采用四線制接法。外殼封裝一般采用不銹鋼，內(nèi)部填充導(dǎo)熱材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧，適用于精密儀器、恒溫設(shè)備、流體管道等溫度的測量，非常經(jīng)濟適用。 濕度傳感器可采用HMP45A/D傳感器，實物圖如圖26所示，該傳感器可以同時測量溫度和濕度。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，對應(yīng)濕度0~100%。本系統(tǒng)中采用直流+12V供電。HMP45D傳感器可在現(xiàn)場進行點單或兩點校準(zhǔn)。內(nèi)裝有傳感器和電子元件的傳感器探頭可被迅速的拆除更換，不影響測量。如有必要，用維薩拉HM141濕度顯示器可對HMP45溫濕度讀數(shù)進行現(xiàn)場校驗。這一特性意味著無需間斷測量即可完成日常監(jiān)測和校準(zhǔn)。HMP45A/D探頭可在寬電壓條件下操作，耗電量低。這些特性連同探頭量程范圍大，溫度補償以及滿量程的濕度測量范圍可適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。 氣壓傳感器采用VAISALA公司生產(chǎn)的PTB220數(shù)字式氣壓傳感器，實物圖如圖27所示，PTB220是完全補償?shù)臄?shù)字式氣壓傳感器，具有較寬的工作溫度和氣壓測量范圍。感應(yīng)元件采用VISALA研制的硅電容壓力傳感器BAROCAP。BAROCAP具有很好的滯后性和重