【導(dǎo)讀】人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部。生撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)時(shí)的一般或特殊的要求等。做好這些工作，核心是提高預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，本次設(shè)計(jì)針對(duì)上述的要求和現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)，采用當(dāng)。在功能齊全和性能穩(wěn)定方面，與國(guó)際上的同類產(chǎn)品基本一致，都能滿足氣象要素監(jiān)測(cè)的需求，國(guó)內(nèi)研發(fā)出的儀器具有明顯價(jià)格優(yōu)勢(shì)，技術(shù)支持和售后服務(wù)良好，維護(hù)成本低。型的地面氣象監(jiān)測(cè)儀，并進(jìn)入我國(guó)地面氣象觀測(cè)領(lǐng)域。基本滿足世界各國(guó)各種業(yè)務(wù)應(yīng)用的需要。氣象站采用良好的防護(hù)措施，能夠適用于各種復(fù)雜環(huán)境。困于技術(shù)原因，地面所有觀測(cè)氣象要素還不能全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)。地面氣象監(jiān)測(cè)儀主要包括傳感器，數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理等部分，其中最能決定自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)儀性能的是氣象要素傳感器。壓力傳感器用來(lái)測(cè)量大氣壓。

　　

【正文】 圖 28 風(fēng)速風(fēng)向傳感器 圖 29 翻斗式雨量傳感器 雨量傳感器選型和介紹 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℃ ，分辨率 毫米，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)，上翻斗翻武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） XXI 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，當(dāng)計(jì)量翻斗雨量積累到相當(dāng) 毫米降水時(shí)，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，相當(dāng)于 降水量。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?？傠娐吩韴D如圖 35 所示。 氣象監(jiān)測(cè)儀電源電路設(shè)計(jì) 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，電池組電壓達(dá)到 時(shí)，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)，電池組電壓低到 ，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。 地面自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)儀看門狗復(fù)位電路設(shè)計(jì) 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） XXII 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，本論文采用 時(shí)鐘頻率做中基準(zhǔn)。 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武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） XXIII 準(zhǔn)，所以采用 時(shí)鐘頻率，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通信接口電路設(shè)計(jì) 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、 7 100、 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)。 /輸出電路設(shè)計(jì) 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。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） XXIV 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”，選擇 8X8位 ，一定先要寫入控制字節(jié)，接著按順序?qū)懭?8位要顯示的數(shù)據(jù)即可?？刂品浅７奖?，程序簡(jiǎn)單。要武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） XXV 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)武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） XXVI 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。 BasicCAN 只支持 ,而 PeliCAN 可支持 與 ，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)。本電路中將微處理器的 作為 SJA1000的片選信號(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，將 SJA1000中斷引腳接到主控制器的 ，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為高速 CAN 總線驅(qū)動(dòng)器，最高可支持 1M 的波特率，但對(duì)低速支持并不佳，所以設(shè)置波特率不要小于 60K，否則會(huì)出現(xiàn)總線出錯(cuò)的情況。輸出端的