【文章內容簡介】 濕野外環(huán)境的變化，也能在高鹽分腐蝕海洋環(huán)境中應用。d、性能價格比高在重視高新技術含量的儀器開發(fā)同時，注重適當價格器件的選項，開發(fā)并生成出適合我國國情的儀器產品，滿足現(xiàn)代氣象探測業(yè)務的需要。在適應現(xiàn)代氣象監(jiān)測的要求下，還應加強一下幾方面的工作：a、 加強地面自動氣象監(jiān)測儀應用理論研究一方面要通過引進、學習國外先進技術和設備，提高我們的氣象探測技術水平，同時加強氣象專業(yè)和微電子技術專業(yè)的研究，提高理論研究水平。b、控制氣象儀器質量地面自動氣象監(jiān)測儀是全天候運行的設備，部分儀器在特定的惡劣條件下工作。它是多學科、多專業(yè)的綜合開發(fā)。要嚴格控制各個環(huán)節(jié)，提高氣象監(jiān)測儀的質量，滿足氣象業(yè)務的指標要求。c、制定和修改相關氣象規(guī)范中國氣象局應加強修改、制定相關氣象的探測規(guī)范，是指導專業(yè)氣象探測業(yè)務進步的重要內容。規(guī)范不能落后于現(xiàn)代化地面氣象監(jiān)測儀器發(fā)展的步法，這樣才能更加規(guī)范和指導氣象儀器的研發(fā)，促進發(fā)展。d、加大科研投入，建立地面氣象監(jiān)測儀研究專項資金氣象部門是公共氣象服務機構，財力有限。氣象研究的投入一方面依靠市場利益驅動外，同時更需要政府的強有力支持，特別是重點課題的公關和大型氣象裝備的研制，都需要上級主管部門的組織和政府資金的支持。面對新的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)，開發(fā)一套適合我國氣象觀測應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和微電子技術上下功夫，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，能準確、真實反應大氣狀況和變化規(guī)律，為天氣預報人員提供科學的決策服務依據(jù)。 通過對國內外自動氣象站現(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，盡管國內的自動氣象站基本能滿足氣象業(yè)務的需要和環(huán)境的要求，但存在不足和缺陷也較大。必須充分認識到我國氣象觀測水平與國外先進技術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)處理等關鍵技術進行改進，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)代總線技術和嵌入式系統(tǒng)技術構建，采用了國際標準并遵循標準、開放的技術路線進行設計，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、外圍設備四部分；軟件包括嵌入式軟件、業(yè)務軟件兩部分。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。 本論文所設計的地面自動氣象監(jiān)測儀采用INTEL公司生產的低功耗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，將氣象數(shù)據(jù)傳回到氣象信息中心服務器。 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，設計出地面自動氣象監(jiān)測儀系統(tǒng)的硬件方案，給出相應的原理圖。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。軟件設計給出程序設計流程圖，按照氣象業(yè)務規(guī)范編寫出能自動進行氣象數(shù)據(jù)采集、處理、傳送、存儲和輸出的應用程序。 主要工作內容包括:a、需求調研，總體方案設計，根據(jù)系統(tǒng)需要進行硬件部件選定。b、具體硬件電路設計，并進行電路布設合理性分析。c、軟件系統(tǒng)的軟件設計。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、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)務的需求，設計儀器硬件系統(tǒng)結構示意圖，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。在論文第三章設計各個分電路的方案，介紹電路原理圖的設計和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計和計算機處理分析系統(tǒng)軟件功能設計。最后對論文工作進行了總結，提出下一步需要研究的工作。第二章 智能地面氣象監(jiān)測儀總體設計和部件選擇本文設計的地面氣象監(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，采用當今成熟的、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，設計基于現(xiàn)代總線技術和嵌入式系統(tǒng)技術構建的自動氣象站，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器中。采用CMOS數(shù)字電路技術，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)的總體設計根據(jù)設計要求，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)結構示意圖如圖21所示。 圖21 硬件系統(tǒng)結構示意圖該氣象監(jiān)測儀主要采用單片機控制技術，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，將實時資料經驅動后由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,單片機應用系統(tǒng)就會得經濟,工作可靠。如果選擇得不合適,就會造成經濟浪費,影響單片機應用系統(tǒng)的正常運行,甚至根本就達不到預先設計的功能。 對于已經設計好的單片機應用系統(tǒng)來說,單片機應用系統(tǒng)就無法完成控制任務。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)量略大于設計需求”,設計需求盡可能用芯片完成； 2.“選大廠生產的、選供應量多的、選名牌的但要量保證。 單片機選型,應從單片機應用系統(tǒng)的技術性,實用性和開發(fā)性三方面來考慮.(1)技術性:要從單片機的技術指標角度,對單片機芯片進行選擇,以保證單片機應用系統(tǒng)在一定的技術指標下可靠運行。(2)實用性:要從單片機的供貨渠道、信譽程序等角度，對單片機的生產廠家進行選擇以保證單片機應用系統(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、仿真調試手段等。結合各種系統(tǒng)電路設計的技術要求，本設計選用微處理器80C320芯片。 80C320單片機的硬件結構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，有內置的時鐘振蕩器；8. 低電壓自動復位，13個中斷源/6個外部中斷。本論文設計電路將以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的內部總體結構圖23表示了詳細的總體結構框圖，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的鎖存器。內部數(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的表格常數(shù)。該芯片內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、電源功耗控制和復位控制等，當檢測到不正常運行時能產生一觸發(fā)脈沖復位數(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采用不同形式的指令。因為片內沒有程序存貯器，片內數(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。而且芯片內置實時日期、星期和時鐘，在電路設計中不需要專門增加時鐘電路單元，詳細描述見時鐘設計部分。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ALE輸出信號為“高”時，低8位地址A0~~，本設計使用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達到同樣的測量準確度，在低溫低濕條件下濕度傳感器性能變差，響應遲緩，這是世界范圍內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研究較少，但國內生產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；風速、風向方面，傳統(tǒng)方向標和風杯的機械結構決定了其系統(tǒng)誤差不可避免，且易受惡劣環(huán)境影響，而超聲波風速儀、橫向傳感器等固態(tài)測風傳感器的出現(xiàn)，不僅解決了機械摩擦問題，提高了測量準確度，而且環(huán)境適應度大大提高，在惡劣環(huán)境下仍可正常工作，成為風速、風向測量的主要發(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、線性也好，應用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應用于工業(yè)測量，而且被制成各種標準溫度計，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系為：當PT100溫度為0℃時它的阻值為100歐姆，在100℃。它的工業(yè)原理：當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，當橋路平衡時，導線電阻的變化對測量結果沒有任何影響