【正文】 ce capabilities, and ground meteorological instrument to provide accurate, reliable data, is to improve the prediction accuracy and service ability is important assure. This reflects the importance of the design of automatic weather monitoring. The paper first describes the origin, elaborated the domestic and foreign research status of ground meteorological monitoring, to Chinese Meteorological Bureau second generation automatic weather station as the object of study, and summarizes the design tasks and research methods. So, design of the whole system will have a preliminary understanding. In this paper, then on the earth surface automatic weather monitoring the preliminary frame design, and some software and hardware scheme selection. On this basis, further details of the control system hardware and software framework. In the hardware design, the hardware system of meteorological sensor, digitaltoanalog conversion circuit, power supply circuit, a clock circuit and a memory circuit in detail。社會城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加速，不同程度造成大氣質(zhì)量變壞；特別是今年來全球氣候變暖，干旱、洪災(zāi)、高溫天氣、低溫冰凍等極端天氣頻發(fā)，影響日趨廣泛，為遏制大氣環(huán)境的進(jìn)一步惡化和做好公共氣象服務(wù)，首先對大氣中各種氣象要素進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，獲得基本的氣象資料，再開展天氣預(yù)報、氣象信息、氣候變化評估、氣象科學(xué)研究和氣象服務(wù)等研究工作，提高防災(zāi)減災(zāi)能力，做好應(yīng)對氣候變化的工作，核心是提高預(yù)報預(yù)測準(zhǔn)確率，根本是增強(qiáng)防御和減輕氣象災(zāi)害的服務(wù)能力，而地面自動監(jiān)測儀觀測系統(tǒng)提供的準(zhǔn)確、可靠的觀測數(shù)據(jù)，是提高預(yù)報預(yù)測準(zhǔn)確率和服務(wù)能力的重要保證。本論文針對上述業(yè)務(wù)需求和現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)，采用當(dāng)今成熟的微電子技術(shù)、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)計開發(fā)一套地面自動監(jiān)測儀。 論文按設(shè)計順序，先對硬件設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)分析，再敘述軟件的功能模塊，最后對開發(fā)完成的地面自動氣象監(jiān)測儀進(jìn)行性能特點的分析，指出下一步該做的研究工作。第一章 地面自動氣象監(jiān)測儀的現(xiàn)狀 目前中國氣象局開展的地面氣象監(jiān)測要素包括云、能見度、天氣現(xiàn)象、氣壓、空氣溫度、空氣濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降水、雪深、蒸發(fā)、輻射、日照、地溫、凍土、電線積水和地面狀態(tài)。本研究僅對能實現(xiàn)地面自動氣象監(jiān)測的儀器進(jìn)行研究。在功能齊全和性能穩(wěn)定方面，與國際上同類產(chǎn)品基本一致，都能滿足氣象要素檢測的要求，國內(nèi)研發(fā)出的儀器具有明顯的價格優(yōu)勢，技術(shù)支持和售后服務(wù)良好，維護(hù)成本低。氣象儀器的趨勢都是往數(shù)字化、智能化、集成化發(fā)展。主要特點：風(fēng)速測量范圍大，風(fēng)向測量精度高，尤其適合沿海、高山等高強(qiáng)風(fēng)地區(qū)。具有4個報警風(fēng)速點。裝有串行通訊接口，配有本公司開發(fā)的微機(jī)專用數(shù)據(jù)處理軟件，儀器使用更方便，操作更直觀。自動進(jìn)行4個風(fēng)速點（自設(shè)、20m/s、24m/s、28m/s）的報警，定時自動打印大風(fēng)組報、加密報。顯示和設(shè)置時間，顯示和設(shè)置大風(fēng)報警風(fēng)速，顯示瞬時風(fēng)向風(fēng)速、當(dāng)前二分鐘、十分鐘平均風(fēng)速和最大風(fēng)向；當(dāng)天最大風(fēng)速風(fēng)向和發(fā)生時間，當(dāng)天的極大風(fēng)速風(fēng)向和發(fā)生時間，當(dāng)天整點十分鐘平均風(fēng)速合計?？呻S時顯示2個月內(nèi)任一天任意整點的風(fēng)向風(fēng)速，任一天最大風(fēng)速風(fēng)向及發(fā)生時間，極大風(fēng)速風(fēng)速及發(fā)生時間。打印輸出的月報表與氣表1格式相同。 SJ1型虹吸式雨量計SJ1虹吸式雨量計用于氣象臺連續(xù)自動記錄大氣中的液體降水量，降水起止時間和降水強(qiáng)度。主要技術(shù)指標(biāo)：盛水口內(nèi)徑200+，鐘筒轉(zhuǎn)一周26hr，記錄誤差177。5min,尺寸350x1182mm，重量17kg。主要技術(shù)參數(shù)：測量范圍35~+45℃，準(zhǔn)確度小于177。 DHJ1型自動濕度計DHJ1型自動濕度計用于氣象臺站、國防、部隊、科研、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、教學(xué)、倉庫、實驗室、檔案等有關(guān)部門用來連續(xù)記錄地面某一段時間內(nèi)空氣相對濕度變化的儀器。5%RH，記錄周期26h(日記DHJ1)、176h（周記DHJ11），外形尺寸334x233x195mm，重量小于3kg。該儀器適用于氣象臺站、科研、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、教學(xué)、實驗室等有關(guān)部門。,使用溫度：15~+45℃，儀器尺寸半徑為64x1150mm（DYB1）,半徑為64x1120mm（DYB11）,重量小于5kg。該儀器適用于氣象臺站、軍事、海運、航空、環(huán)保等部門氣象探測需要。國外一些發(fā)達(dá)國家在氣象監(jiān)測方面使用的地面氣象儀器也存在一些差異，其中美國、德國和芬蘭的產(chǎn)品在性能技術(shù)上代表當(dāng)今世界的先進(jìn)水平。因為其價格昂貴，技術(shù)支持和售后服務(wù)得不到保證，維護(hù)成本高，所以目前在國內(nèi)還沒有廣泛應(yīng)用。其標(biāo)準(zhǔn)配置主要包括如下各部分：風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器、雨量傳感器、數(shù)據(jù)處理器、三腳架和桅桿、電纜和軟件光盤。具有128KB的存儲容量。 WS16模塊化氣象站W(wǎng)S16模塊化氣象站是美國一家公司的產(chǎn)品，是一種操作簡便的，可實時監(jiān)測記錄多種氣象參數(shù)的系統(tǒng)。其傳感器指標(biāo)如表12。VAISALA公司自動氣象站的代表系列是MAWS系列，目前在全球的大多數(shù)國家和地區(qū)使用的是MAWS201系列，該系列現(xiàn)已發(fā)展到了MAWS30MAWS410系列。自動氣象站可以根據(jù)用戶的不同需要增減傳感器的種類和數(shù)量，實際操作簡便?；緷M足世界各國各種業(yè)務(wù)應(yīng)用的需要。在裝備使用的機(jī)動性、操作的便捷性、維修的快捷性、惡劣環(huán)境的適應(yīng)性等方面都做得比較好。這是因為國外自動氣象站的結(jié)構(gòu)、傳感器和軟件等都是針對當(dāng)?shù)氐木唧w情況設(shè)計的，并不完全符合我國的實際槍口。目前國外一些發(fā)達(dá)國家已研發(fā)出技術(shù)先進(jìn)集成度較高的產(chǎn)品，但不適合我國國情，主要表現(xiàn)在價格昂貴，技術(shù)支持和售后服務(wù)得不到保證，維護(hù)成本高。根據(jù)中國氣象局第二代地面自動觀測站的功能規(guī)格書要求，地面自動氣象監(jiān)測儀的發(fā)展應(yīng)具有以下特點：a、 高新技術(shù)的應(yīng)用本研究充分運用最先進(jìn)的氣象傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代無線通信技術(shù)，是計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和氣象探測技術(shù)的集成。b、產(chǎn)品統(tǒng)一系列化注重各氣象要素探測系統(tǒng)集成，僅能單氣象要素能獨立探測，更加注重多種氣象要素的綜合探測，能統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行集成，未來的地面氣象監(jiān)測儀將由氣象傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)等部分組成。d、性能價格比高在重視高新技術(shù)含量的儀器開發(fā)同時，注重適當(dāng)價格器件的選項，開發(fā)并生成出適合我國國情的儀器產(chǎn)品，滿足現(xiàn)代氣象探測業(yè)務(wù)的需要。b、控制氣象儀器質(zhì)量地面自動氣象監(jiān)測儀是全天候運行的設(shè)備，部分儀器在特定的惡劣條件下工作。要嚴(yán)格控制各個環(huán)節(jié)，提高氣象監(jiān)測儀的質(zhì)量，滿足氣象業(yè)務(wù)的指標(biāo)要求。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(dǎo)氣象儀器的研發(fā)，促進(jìn)發(fā)展。氣象研究的投入一方面依靠市場利益驅(qū)動外，同時更需要政府的強(qiáng)有力支持，特別是重點課題的公關(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，它由硬件和軟件兩大部分組成。為了實現(xiàn)自動氣象站進(jìn)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(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(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，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)計儀器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，重點介紹單片機(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)計和計算機(jī)處理分析系統(tǒng)軟件功能設(shè)計。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(jìn)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)下可靠運行。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。4. 尋址64kB ROM和64kB RAM。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。 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。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。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。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。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(xì)描述見時鐘設(shè)計部分。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，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(jī)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。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，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，實物圖如圖26所示，該傳感器可以同時測量溫度和濕度。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