【正文】 持，特別是重點(diǎn)課題的公關(guān)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。 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(shí)現(xiàn)自動氣象監(jiān)測的儀器絕大部分都是單個要素進(jìn)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。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(jìn)行設(shè)計(jì)，它由硬件和軟件兩大部分組成。為了實(shí)現(xiàn)自動氣象站進(jìn)行不同的配置，以實(shí)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(hù)和降低維護(hù)成本。 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(jì)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。軟件設(shè)計(jì)給出程序設(shè)計(jì)流程圖，按照氣象業(yè)務(wù)規(guī)范編寫出能自動進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)采集、處理、傳送、存儲和輸出的應(yīng)用程序。b、具體硬件電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)行電路布設(shè)合理性分析。d、對研制出來的地面自動氣象監(jiān)測儀性能進(jìn)行分析。在論文第二章里，根據(jù)氣象業(yè)務(wù)的需求，設(shè)計(jì)儀器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，重點(diǎn)介紹單片機(jī)、存貯芯片的選型，詳細(xì)介紹六種氣象要素傳感器的原理。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(jì)和計(jì)算機(jī)處理分析系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)。第二章 智能地面氣象監(jiān)測儀總體設(shè)計(jì)和部件選擇本文設(shè)計(jì)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(jìn)的電子測量、數(shù)據(jù)傳輸和控制系統(tǒng)技術(shù)，設(shè)計(jì)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。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。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖21所示。單片機(jī)的的選型是一件重要而費(fèi)心的事情,如果單片機(jī)型號選擇得合適,單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)就會得經(jīng)濟(jì),工作可靠。 對于已經(jīng)設(shè)計(jì)好的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來說,單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)就無法完成控制任務(wù)。只要掌握和運(yùn)用單片機(jī)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(jī)。 單片機(jī)選型,應(yīng)從單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)性,實(shí)用性和開發(fā)性三方面來考慮.(1)技術(shù)性:要從單片機(jī)的技術(shù)指標(biāo)角度,對單片機(jī)芯片進(jìn)行選擇,以保證單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在一定的技術(shù)指標(biāo)下可靠運(yùn)行。結(jié)合各種系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，本設(shè)計(jì)選用微處理器80C320芯片。4. 尋址64kB ROM和64kB RAM。本論文設(shè)計(jì)電路將以40腳DIP（雙列直插式）封裝作例子介紹。 圖22 80C320機(jī)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。 80C320的內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)圖23表示了詳細(xì)的總體結(jié)構(gòu)框圖，在以小塊芯片上，集成了一臺微型計(jì)算機(jī)的各個部位。P1~P3輸入/輸出口都有與之對應(yīng)的鎖存器。程序計(jì)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(jì)數(shù)器在物理上是獨(dú)立的，不屬于內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的SFR塊。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(shí)，可作為間址寄存器用，如MOVX A，DPTR。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(jì)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(yùn)行時(shí)能產(chǎn)生一觸發(fā)脈沖復(fù)位數(shù)據(jù)采集處理器。在訪問這三個不同的邏輯空間時(shí)應(yīng)采用不同形式的指令。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。而且芯片內(nèi)置實(shí)時(shí)日期、星期和時(shí)鐘，在電路設(shè)計(jì)中不需要專門增加時(shí)鐘電路單元，詳細(xì)描述見時(shí)鐘設(shè)計(jì)部分。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。單片機(jī)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(shí)，低8位地址A0~~，本設(shè)計(jì)使用74HC573鎖存器將這暫時(shí)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(jī)外部程序存貯器和數(shù)據(jù)存貯器分成獨(dú)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。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)。PT100是鉑熱電阻，實(shí)物圖如圖25所示，它的阻值跟溫度的變化成正比。它的工業(yè)原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)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。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(shí)，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。 濕度傳感器可采用HMP45A/D傳感器，實(shí)物圖如圖26所示，該傳感器可以同時(shí)測量溫度和濕度。本系統(tǒng)中采用直流+12V供電。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。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)。這些特性連同探頭量程范圍大，溫度補(bǔ)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。感應(yīng)元件采用VISALA研制的硅電容壓力傳感器BAROCAP。PTB220的工作原理是基于一個先進(jìn)的RC振蕩電路和三個參考電容，并且電容壓力傳感器與電容溫度傳感器連續(xù)測量。PT220在全程范圍內(nèi)有7個溫度調(diào)整點(diǎn)，每個溫度點(diǎn)有6個全程壓力調(diào)整點(diǎn)。用戶可進(jìn)行多種設(shè)置。它有三種輸出方式：軟件可設(shè)的RS232串行輸出；TTL電平輸出；模擬輸出、脈沖輸出。主要的技術(shù)參數(shù)如下：1. 壓力范圍從500~1100hPa2. 工作溫度范圍為40~60℃3. 總準(zhǔn)確度為177。（B級）4. 長期穩(wěn)定性為177。實(shí)物圖如圖28所示。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)向傳感器指示風(fēng)的來向，用“度”這個計(jì)量單位進(jìn)行量度。杯體內(nèi)置的信號處理單元可根據(jù)用戶需求輸出響應(yīng)信號。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，啟動好，轉(zhuǎn)動器為多齒轉(zhuǎn)杯和狹縫光耦。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）。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。雨水有盛水器匯集，通過裝有小圓護(hù)網(wǎng)的小漏洞及其下端的引流管注入上翻斗。計(jì)數(shù)翻斗中部裝有一塊小磁鋼，磁鋼上端有干簧管。其實(shí)物圖如圖29所示。總電路原理圖如圖35所示。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)。在沒有市電的情況下，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。為了使電源電路具有充電、存儲電能功能，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)，充電控制模塊就會對電池組進(jìn)行充電，就會自動停止充電；另外，控制模塊也是監(jiān)測電池供電情況，如果沒有市電或太陽能供電時(shí)，控制模塊就會斷開供電，防止電池組放電過量而損壞。 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)會超過某一值，從而產(chǎn)生復(fù)位脈沖，使得CPU恢復(fù)正常工作狀態(tài)。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。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。為此提出定時(shí)器加預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)方法。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。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)位電路會產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖將CPU復(fù)位。 80C320單片機(jī)的RST引腳出現(xiàn)大于兩個機(jī)器周期的高電平時(shí)，該芯片會自動復(fù)位。在儀器運(yùn)行當(dāng)中實(shí)現(xiàn)自動檢測單片機(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，該引腳端加一個按鍵開關(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單片機(jī)正常運(yùn)行。80C320單片機(jī)最大工作時(shí)鐘為33MHz。時(shí)鐘振蕩電路設(shè)計(jì)見圖35電路圖中所示。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，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線以及一條地址線。RS232c標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動器允許有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。傳輸距離短的另一原因是RS232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20ms以內(nèi)的通信。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。包含兩個驅(qū)動器，兩個接收器和一個電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器，該芯片不需要配套外圍元件。12V，可直接與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)串行口對接；另外該芯片引腳4和19是177。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)?？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。 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（A、B、C）輸入輸出口，每個口都是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；該芯片有多個可寫入的存儲器，該芯片被上電復(fù)位后，按照寫入存儲器的控制字進(jìn)行工作。圖中，單片機(jī)的低位地址線接到芯片82C55地址口，通過地址變化選擇芯片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。本檢測儀器顯示電路采用共陰極LED數(shù)碼管和驅(qū)動模塊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)動芯片，每一片ICM7218最多可以驅(qū)動8位LED數(shù)碼管。并可多個ICM7218并聯(lián)使用。常規(guī)靜態(tài)LED驅(qū)動芯片只能驅(qū)動單一位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。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)?？刂品浅７奖?，程序簡單。寫入顯示數(shù)據(jù)一定要緊接著控制字后寫入，將MODE信號置“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WR到ICM7218的WR腳上，即可將第一個顯示數(shù)據(jù)寫入8X8位SRAM中。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。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。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。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。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，或總線傳輸錯誤時(shí)通知主控制器。82C250為高速CAN總線驅(qū)動器，最高可支持1M的波特率，但對低速支持并不佳，所以設(shè)置波特率不要小于60K，否則會出現(xiàn)總線出錯的情況。82C250的引腳下CANL和CANH通過一只5歐姆的電阻與CAN總線相連，該電阻具有限流保護(hù)作用，使82C250免受過流沖擊。考慮雷擊的情況，在引腳CAN總線和地之間還接有防雷擊管，當(dāng)輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時(shí)，防雷擊管的放點(diǎn)具有一定的保護(hù)作用。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換是將一