（物理电子学专业论文）便携式气象检测仪的设计.pdf

摘要本文研究了以单片机a t 8 9 s 8 2 5 2 芯片为核心，基于g s m 移动通信系统的便携式数字气象检测仪，系统集成了温度、湿度、气压、风向、风速、经度、纬度、海拔高度、标准时间等气象参数的测量，其精度已经达到并超过普通气象测量的要求，通过系统机与测量单元的配合，将采集的数据存入气象日志数据库，以备查询及打印，具有良好的人机交互界面和完善的功能，为未来气象测量的小型化、实时化、便捷化，专业化提供了良好的应用前景和坚实保证。首先，文中介绍了当前国内便携式气象检测技术的研究动态，分析了现有气象检测系统存在的主要问题及发展方向，指出研制便携式、高性能的集成化气象检测仪的必要性。其次，提出了便携式气象检测仪系统的总体方案设计，使该系统真正实现智能化，专业化。在选择先进的单片机a t 8 9 s 8 2 5 2 芯片的基础上，依托成熟的全球卫星定位g p s 系统和g s m 公众网络无线通信及短消息服务业务技术，采用多种相应的传感器和单元电路，实现了对基本气象要素的测量和数据信息的现代化管理。最后，设计了该系统的控制测量硬件电路及相应的软件程序，经试验结果表明，所设计的便携式气象检测仪完全实现了系统的性能指标和技术要求，具有高精度，全天候，全球覆盖，方便灵活和优质价廉的特点，适合于在各领域广泛应用。关键词：便携：气象仪；数据检测处理；g p s ；g s m ；a b s t r a c tt a k i n gt h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i ta t 8 9 s 8 2 5 2c h i pa sac o r e ，b a s e do nt h ep o r t a b l ed i g i t a lm e t e o r o l o g yi n s t r u m e n t a t i o no ft h eg s mm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ea r t i c l eh a ss t u d i e dt h a tt h es y s t e mh a si n t e g r a t e dt h em e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e r ss u r v e yo ft e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , b a r o m e t r i cp r e s s u r e ，谢n dd i r e c t i o n ，w i n ds p e e d ，l o n g i t u d e ，l a t i t u d e ，a l t i t u d ea b o v es e al e v e l ，s t a n d a r dt i m ea n ds oo n ，i t sp r e c i s i o nh a da l r e a d ya c h i e v e da n ds u r p a s s e dt h er e q u e s to ft h eo r d i n a r ym e t e o r o l o g i c a ls u r v e y , b yc o o r d i n a t i o no ft h es y s t e mm a c h i n ea n dt h em e a s u r i n gu n i t ，t h ed a t ag a t h e r e ds t o r e st h ew e a t h e rl o gd a t a b a s ef o rr e f e r e n c ei n q u i r e da n dp r i n t i n g ，i th a st h eg o o dm a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o ns u r f a c ea n dt h ec o n s u m m a t i o nf u n c t i o n ,w h i c hh a sp r o v i d e dag o o da p p l i c a t i o np r o s p e c ta n das o l i dg u a r a n t e ef o rm i n i a t u r i z a t i o n ，t i m e n e s s ，c o n v e n i e n t n e s sa n ds p e c i a l i z a t i o ni nt h ef u t u r em e t e o r o l o g i c a ls u r v e y f i r s t ，t h ea r t i c l eh a si n t r o d u c e dt h er e s e a r c ht e n d e n c yf o rt h ec u r r e n td o m e s t i cp o r t a b l em e t e o r o l o g i c a le x a m i n a t i o nt e c h n o l o g y , a n a l y z e dt h ep r i n c i p a lm a t t e re x i s t e di nm e t e o r o l o g i c a le x a m i n a t i o ns y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o n ，p o i n t e do u tt h en e c e s s i t yf o rd e v e l o p i n gt h ep o r t a b l e ，h i g h - p e r f o r m a n c ei n t e g r a t e dm e t e o r o l o g yi n s t r u m e n t a t i o n n e x t ，i th a sp r o p o s e dt h eo v e r a l lc o n c e p td e s i g no ft h ep o r t a b l em e t e o r o l o g i c a li n s t r u m e n t a t i o ns y s t e m ，w h i c hm a k e st h es y s t e mr e a l i z et h ei n t e l l e c t u a l i z a t i o na n dt h es p e c i a l i z a t i o nt r u l y o nt h ef o u n d a t i o no fc h o o s i n gt h ea d v a n c e dm o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i ta t 8 9 s 8 2 5 2c h i p ，d e p e n d i n go nt h em a t u r es a t e l l i t ep o s i t i o n i n gg p ss y s t e mi nt h ew h o l ew o r l da n dt h eg s mp u b l i cn e t w o r kw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dt h es h o r tn e w ss e r v i c et e c h n o l o g ya n du s i n gm a n yk i n d so fc o r r e s p o n d i n gs e n s o r sa n dt h eu n i te l e c t r i cc i r c u i th a sr e a l i z e dt h es u r v e yo ft h eb a s i cm e t e o r o l o g i c a le l e m e n t sa n dt h em o d e mm a n a g e m e n to ft h ed a t am e s s a g e f i n a l l y , i t h a sd e s i g n e dt h es y s t e m sc o n t r o ls u r v e yh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r er o u t i n e ，t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ep o r t a b l em e t e o r o l o g i c a li n s t r u m e n t a t i o nd e s i g n e dh a sr e a l i z e ds y s t e m sp e r f o r m a n c ei n d e xa n dt h et e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n tc o m p l e t e l y , w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g ha c c u r a c y , a l l - w e a t h e r , t h eg l o b a lc o v e lf a c i l i t a t e dn i m b l e n e s s ，t h eh i g hq u a l i t ya n dm o d e r a t e l y - p r i c e ，a n ds u i t si nw i d e l ya p p l y i n gi nv a r i o u sd o m a i n s k e yw o r d s ：p o r t a b l e ；m e t e o r o g r a p h ；d a t ad e t e c t i o np r o c e s s i n g ；g p s ；g s m ；2长春理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，便携式气象检测仪的设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名少蟛琴年厶日长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名导师签名掣年月日旦年月日f鼍辱蚪墼纽趣第一章绪论弟一早珀y 匕1 1 研究的背景天气预报对现代社会的重要性是不言而喻的。为了获得准确的天气预报，很重要的环节就是测量和搜集大量的气象数据、气象资料。在这个过程中，气象仪是必不可少的。气象仪可以测量气压、海拔高度、温度、湿度、风向、风速等等。可是，为了搜集大区域的气象数据，气象仪经常必须在各种恶劣地理环境中工作，及时传回当地的气象信息。目前，应用于工业、农业、渔业、气象等方面的便携式温度、气压、湿度数据采集系统基本上是采用有线式的，其便携式性能主要体现在移动和架设的方便程度等方面，在实际使用过程中仍然需要系统布线、建立连接等，并且体积较大，携带不便，不能满足便携式设备的要求。运用气象仪器进行大气测量，是分析研究大气活动和正确预报天气的必要手段。因此，气象仪器和测量方法的提高和改进，是大气科学研究正常开展和天气预报的关键。微控制技术的发展，已使传统的气象仪器仪表是“精密机械”的概念发生了深刻的变革，气象仪器也朝着智能化、网络化发展，高性能的单片机在自动化气象仪中起着重要的作用。1 2 目前国内外发展现状以前，人们设立气象站，在荒无人烟的地方设立气象站成本很大，而且供电、人员驻站、数据传输等等都是问题。为了彻底解决这些问题，世界各国都在研制自动气象仪或者便携式气象仪2 。自动气象仪，它具有自动工作功能，可以自动采集数据并及时进行传输，并不需要专人看管。气象仪的工作动力由太阳能或风能供电。在气象仪中安装了微型计算机系统，气象数据的采集和传送均由微机控制，这样可以节约人力成本，并提高了工作效率。自动气象仪的性能体现在电力效能、数据准确性和工作稳定性等指标上，但是这样的自动气象仪成本很高，要设计更高性能的气象仪还需要更新的设计和技术。我国从2 0 世纪8 0 年代中期开始研制自动站，目前很多地方还使用着以前国外进口的气象仪，和当今先进的气象仪技术相比相对落后。目前国外最新型的便携式数字气象仪可测风向，风速，风标，侧风，顺风，温度，大气压，相对湿度，雨量，读数并带数字罗盘功能。测量精度更高，外壳符合复杂环境的使用要求。所有可测的参数及功能：以度为单位，顺风读数，温度、风寒指数，显示到小数点后一位，背光功能，可配三脚架、防水是一个一体化设计，太阳能供电的自动气象站，可靠耐用，在无太阳情况下，正常运行6 0 天；无需电力线，避免雷击；可直接测量风速，风向，通过计算可得出露点，风寒等参数，性能非常优异。缺点是价格非常昂贵，不适合中国国情，不容易普及。自动气象站是气象基础设施现代化建设的重要环节，是天气监测自动化项目的重要组成部分，自动站网具有观测站点间距离、观测时间间隔短、时效性强、准确率高、无人值守等特点。在发达国家，自动站已成为城市气象预报、防灾减灾不可缺少的基础设施。如美国耗资4 亿美元的气象站网现代化建设已全部完成，整个现代化站网由系统站点，多普勒雷达和静止和极轨气象卫星组成，采用的自动站观测要素为1 3 个：风速，风向，湿度温度，相对湿度，太阳辐射，叶面蒸发，降水气压以及地温。1 3 课题研究的内容和意义本文研究一种基于无线传输的便携式气象仪系统，包括数据采集与处理，信息通讯与数据管理四个部分。系统是以单片机a t 8 9 s 8 2 5 2 芯片为主要部件，利用各种传感器检测天气数据，实现了风向、风速、温度、湿度和地理位置等要素的测量与显示，并通过无线网络通讯和计算机数据库的管理n 。便携式气象仪就是针对上述市场需求，为适应小区域气候监测而设计的产品，可以广泛用于局域气候参数变化的及时测量，为各种生产生活活动提供及时的气象信息。该系统集成了温度、湿度、气压、风向、风速、标准时间等气象参数的测量，其精度已经达到标准气象测量的要求，通过系统机与测量单元的配合，将采集的数据存入气象数据库，并可以根据需求将当前天气状况通过移动通信网络发送至任何地点，可以将测量数据通过网络传输到终端服务器上，更具有历史查询价值。为未来气象测量的小型化、实时化、便捷化，专业化提供了坚实保证，具有很强实用价值“盯。2第二章系统方案选择与论证本设计以便携式移动气象仪为研发目标，针对环境参数测量与传输的特殊要求，采用各种先进技术，提高系统的集成度，实现移动监测气象参数、精确定位、移动通信传输、气象信息管理等功能，达到数据可靠稳定、实时便捷的设计理念和目的。2 1 设计要求设计并制作一个便携式气象检测仪( 包括测量装置和接收装置，通过无线方式通信)1 基本要求( 1 ) 测量并显示风向、风速、温度、湿度、气压等基本气象要素。( 2 ) 提供测试点的位置( 经纬度、海拔高度) ，时间参数。( 3 ) 主要技术指标：温度范围：一4 0 - - - 6 0 ( 测量精度在2 0 时为0 2 ) ：相对湿度：0 - - 1 0 0 ( 测量精度在2 0 时为4 - 1 ) ：风向风速：0 4 - - 7 5 m s ( 测量精度为0 2 m s ) ；气压：9 5 - - - 1 0 5 k p a ( 测量精度为0 1k p a )2 功能要求( 1 ) 采用g s m 短信模式传输当时的天气实况数据和报文。接收装置发出请求测量的命令，测量装置回复各项参数。( 2 ) 接受装置可定时、手动查询当前及历史记录，具备打印功能。( 3 ) 尽量减少测量功耗。2 2 总体设计方案整个系统可分为测量发送和接收两个部分，分别实现野外测量作业与监控中心通信、数据处理等功能。测量部分利用风速、风向、气温、湿度、气压等传感器采集气象信息，转化为电流信号，参数显示在l c d 液晶屏幕上，同时显示的还有由g p s 全球定位系统采集的所在地经纬度、海拔高度和标准时间等。应用g s m无线短信模块实现数据的通信传输。接收部分则由键盘、打印机以及l c d 显示模块等组成，可以挂接上位p c 或价人电脑，配备完整的人性化上位机软件界面，记录当前数据，并存入指定数据肛日志系统，实现气象信息的现代化管理。硬件系统实现方案框图如图2 1 所示。图2 - 1 系统组成框图2 3 各模块方案选择和论证2 3 1 主控制器模块的选择根据设计要求，控制器主要用与各个传感器信号的接收和辨认、控制无线传输模块发送和接受数据，控制打印机及液晶显示等。对于控制器的选择有以下两种方案。方案一：采用f p g a 为系统的控制器，f p g a 可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用e d a 软件仿真、调试，易于进行功能控制。f p g a 采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。通过输入模块将参数输入给f p g a ，f p g a 通过程序设计控制其他模块，但是由于本设计对数据处理的时间要求不高，f p g a 的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。方案二：采用单片机作为系统控制的方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，各个领域应用广泛。并且，由于芯片引脚少，在硬件很容易实现。因此，在本设计中采用单片机处理各种工作。4品a t 8 9 s 8 2 5 2 是at me l 公司推出的具有i s p 功能的8 位c m o s 单片机，性能高、功耗低，具有可串行下载的8k bf l a s h 存储器和2 k b e e p r o m 存储器。所谓i s p 是指对器件、电路板或电子系统的功能可随时进行修改和重构的能力，具有i s p 功能的器件不需要使用编程器，只需要通过计算机接口和编程电缆直接在目标器件或系统上进行编程。该器件与工业标准8 0 c 5 1 指令集和引脚完全兼容，可通过s p i 串行接口对片内存储器进行在系统编程。a t 8 9 s 8 2 5 2 功能强大，是嵌入式单片机控制系统灵活高效的解决方案。2 3 2 风向风速测量电路方案一：采用e c 2 1 b 式风向风速传感器起初我们考虑用e c 2 1 b 风向风速传感器。e c 2 1 b 风向风速传感器风杯由三个抛物锥形的空心杯壳组成。空心杯壳固定在互成1 2 0 。的三叉星形支架上，杯的凹面顺着一个方向排列，整个横臂架则固定在一根垂直的旋转轴上。e c 2 1 b 风向风速传感器的外形尺寸如图所示。风杯结构和尺寸决定了风速传感器的技术性能，较小的起动风速和较好的距离常数要求风杯越轻越好；较大的抗风强度要求风杯越坚固越好，即风杯碗壁应该尽量厚；显而易见该二项是相互矛盾的。因此，合理的设计，就是兼顾各种技术性能。三杯式风速传感器的距离常数计算公式为：l 。= 6 p c p t a l l + ( r r ) 2 其中：p c 一风杯材料的比重p - 空气密度t 一风杯厚度a 一与结构、尺寸有关的系数r 一风杯半径l 卜风杯中心回转半径光电码盘发光管盏尼z 粒囫髋电管e c 2 1 b 风向风速传感器的风向尾翼选用图2 - 2e c 2 l b 风向风速传感器单尾型，在选用风向标的结构和造型上主要考虑二点：( a ) 在小风时能反应风速的变动，既有良好的起动性能。( b ) 具有良好的动态特性，既能迅速准确地跟踪外界的风向变化。方案二：采用单总线技术采用单总线技术设计监测系统，只要将一条双绞线( 一根为信号线，另一根为地线) 从控制室拉向测量现场，然后接入符合单总线规范的各种传感器即可。控制室可采用p c 机或单片机实现控制。若以p c 机的串口作通讯控制则需串接一个由r s 2 3 2 到单总线的适配器。挂在总线上的每个传感器均有一个具有6 4 位r o m 码的单总线芯片，确保挂在总浅上后可以被唯一识别出来。这是在单总线上实现定位和寻址通讯的关键所在。整个单总线气象监测系统可以监测的参数很多，例如，温度、湿度、太阳辐射量、雨量、能见度、风向、风速、气压等等，本文由于篇幅有限，仅说明了温度、湿度、太阳辐射量、风向、风速几个参数的测量。数字化单总线技术是利用美国d a l l a s 公司生产的新型器件实现的，它将系统的地址线、数据线、控制线合为一根导线，允许在这根导线上挂接数百个测控对象。这些测控对象所用芯片是由该公司提供的，采用单总线协议，在检测点就把模拟信号数字化了，这样在单总线上传输的是数字信号，使系统的抗干扰性能好，可靠性高。另外，单总线技术采用从数据线上“窃电”的方法为挂在单总线上的器件提供电源，这种方法不仅节省了额外的连线和远端电源，有效地降低了成本，更有意义的是单总线上挂接的器件具有全球唯一的序列号，因此简化了气象监测系统的设计。方案一只适宜在风力较小时使用，而对于一个气象仪来说，选择第二套方案更为合理，因此，系统采用方案二。2 3 3 温湿度测量电路方案一：单总线数字温度传感器d s l 8 8 2 0 和电容式湿度传感器h s l1 0 1d s l 8 8 2 0 集温度测量和a d 转换于一体，直接输出数字量，接口几乎不需要外围元件，硬件电路结构简单，传输距离远，可以很方便的实现多点测量：与单片机接口几乎不需要外围元件，使得硬件电路结构简单，广泛使用于距离远，节点分布多的场合。芯片供电电压范围3 3 5 5 v ，且通过编程可实现9 1 2 位分辨率读出温度数据，转换1 2 b i t 的温度数据最大仅需要7 5 0 m s ，温度测量范围一5 5 + 1 2 5，- 1 0 + 8 5 之间测量精度可达0 5 c 。d s l 8 8 2 0 中1 - w i r e 总线的硬件接口如图2 3 所示v ，c图2 - 3d s l 8 8 2 0 接口图6测量湿度则采用h s l l 0 1 湿敏电容式湿度传感器，专业设计的固态聚合物结构，高可靠性与长时间稳定性，适合线性电压与输出回路图2 - 4 为其检测电路。恐胍肇甄口伊哪：。民f图2 - 4 湿度传感器的检测电路方案二：采用s h t15 一高度集成的温湿度传感器芯片s h t l 5 是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出。它采用专利的c m o s e n s 技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这两个敏感元件与一个1 4 位的n o 转换器以及一个串行接口电路设计在同一个芯片上面。该传感器品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、极高的性价比。每个传感器芯片都在极为精确的恒温室中进行标定，以镜面冷凝式露点仪为参照。通过标定得到的校准系数以程序形式储存在芯片本身的o t p 内存中。通过两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。微小体积、极低功耗等优点使其成为各类应用中的首选。s h t l 5 传感器相对湿度、温度和露点的精度曲线如图2 5 所示，满足设计精度要求。产品提供表面贴片l c c 或4 针单排引脚封装。并可根据用户的不同需求，提供特殊封装形式。显然方案一的成本远远大于了方案二，且电路较为烦琐，所以方案二优于方案一，系统采用方案二进行对温湿度的测量。7相埘崖绝对辅度l入lllll 刀n |黔h 磁10i l lils h t l h 7 5卅。、气if 。s l i t l 5，s , 1 7 5l3 。c2 。c1 。c0 。c5 。c4 。c3 。c2 。c1o c0 0 c01o2 03 04 05 06 07 08 09 010 0扣扣历5 髟_t 11 7迨n夕，3 ，1 、=仫少- 、-1 1 、怒 并，一s h t1 5 t7 5、=习1 7t s h l1 04 -1人一- p、心一7 7 1一s h t1 5- t -乙t - a之：一。i4 -ll 一一广一l -11t一01 02 d3 0 4 05 06 0 7 0 8 0 9 01 0 0图2 - 5 相对湿度、温度和露点的精度曲线r h9 0 。i7 2 。l5 4 。l3 6 。i1 8 。lr h2 3 4 气压测量电路系统采用m s 5 5 3 4 a 型气压传感器，具有先进的校准和封装技术特点，经过完全标定和温度补偿，实现全量程绝对气压值数字输出，与微处量器连接结构简单，性能稳定、响应快、精度高、低功耗，适用于电池供电一4 0 。c - - + 8 5 。c 全量程温度补偿，精度l m b a r 。( 1 ) 集成压力传感器( 2 ) 3 0 0 m b a r 至1 l o o m b a r 量程( 3 ) 1 5 位a d c( 4 ) 芯片储存了6 个可供软件补偿应用的参数( 5 ) 3 线串行接口( 6 ) 1 个系统时钟( 3 2 7 6 8 k h z )( 7 ) 电压低、功耗低82 3 5 显示模块的选择系统需要显示画笔的位置，我们考虑有以下两种显示方案。方案一：使用液晶显示器屏显示。液晶显示器屏( l c d ) 具有轻薄短小，低耗电量、无辐射危险，平面直角以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积广，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。方案二：使用v f d 驱动芯片显示。v f d 模块即真空荧光显示模块，是一种新型的显示模块。应用于高档的音响，影碟机及仪器仪表上。其亮度高，工作温度范围大，寿命长，外围电路简单，只需单+ 5 v 电源就可以工作，功耗低。但其编程工作量大，控制的资源占用较多，其成本也偏高。“ o l !芝rd d q ) -比，- q、l v口朋ys e gd r vs e g d r vs e g d r vt征n231一it 6 9 6 5lo ll 口 il 凸 i)世吵世吵吵l c dp a n e l岫一t ) (2 4 0x1 2 8d o t s自衍“计，p o w e r一c 0 d r vc o id r vds u p p l y厂广71lc r c u i ti图2 6d v 2 4 0 1 2 8 a 硬件结构图因此，本系统采用的是d v 2 4 0 1 2 8 a 型液晶显示屏如图2 6 所示。它们是图形点阵液晶显示器，它由控制器t 6 9 6 3 c 、行驱动器列驱动器及2 4 0x1 2 8 全点阵液晶显示器组成可完成图形显示，也可以显示1 5 x 8 个( 1 6 x1 6 点阵) 汉字很适合用于气象仪方面。而其他显示屏不是价格过于偏高就是性能不如二者，所以选用d v 2 4 0 1 2 8 a 和r t l 2 8 6 4 来做显示部分。2 3 6 通信传输方案由s i e m e n s 公司的g s m 模块t c 3 5 i 及其外围电路构成的移动终端，可以很好的完成短消息收发、数据和语音通信。该移动终端结合r o y a l t e k 公司的g s i l 0 0g p so e m 板，并由单片机控制而组成的车载移动单元，可以很好的完成利用g s m 短消息传送车辆定位信息的工作。系统还包含tr e b - 3 3 0 0 型g p s 卫星全球定位系统，为系统通信传输提供更加便利的条件。92 4 系统各模块的最终方案确定控制核心采用8 9 s 8 2 5 2 芯片作为控制其他模块的中枢，测量部分采用了具有单总线技术的风向风速传感器：温湿度测量部分采用s h t l 5 型高度集成的温湿度传感器芯片：气压测量部分采用m s 5 5 3 4 a 型气压传感器；显示模块选择的是d v 2 4 0 1 2 8 a 型液晶显示屏；通信传输采用了r e b 一3 3 0 0 型g p s 卫星定位模块和t c 3 5 i 型g s m 通信模块。本系统由下位机和上位机两部分组成。其组成框图如图2 7 所示。g p s 模块r e b - 3 3 0 0弋单片通讯模块温湿度传感器机t c 3 5 1s h t l 5昌嚣器嵌单总线键盘显示l 八n风向风速传感器l c d 2 4 0 x 12 8f ( a ) 下位机电路整体实现框图il1 通讯模块i微叫t c 3 5 1l型叫r s 2 3 2 卜单计r“t pup t f 系列h微型打印机算机机键盘显示卜一数据存储器( b ) 上位机接收电路原理实现框图图2 - 7 整体方案原理图1 0第三章系统的硬件设计与实现3 1 硬件电路整体实现下位机系统是由风向风速检测、温度测量电路以及g p s 全球卫星定位和g s m无线通讯网络组成，实现现场各种气象参数及相关数据的采集和处理。3 2 测量部分的单元电路设计3 2 1 风向风速单元的设计单总线风向传感器( 1 ) 传感器结构风向指风吹来的方向，一般用1 6 个方位或3 6 0 。表示。本次设计的传感器用1 6 个方位来表示风向，即东、西、南、北、东南、西南、西北、东北以及这八个方向之间角分线所指方向。单总线风向传感器由风向标、磁棒盘和磁激励干簧管三部分组成。风向的检测通过风向标来完成，风向标由水平指向杆、尾翼和旋转轴组成。在风的作用下，尾翼产生旋转力矩使风向标转动，并不断调整指向杆指示风向。风向标检测的风向通过磁棒盘和干簧管转换成单片机i 0 口输入高低电平，即产生风向编码。磁棒盘固定在风向标的旋转轴上，它随着风向标的旋转轴一起转动，磁棒盘上装有小块永久磁铁。八个干簧管开关s 1 s 8 以4 5 。的间隔均匀分布于电路板上。其中八个干簧管尾部相连且接地。这八个于簧管开关以及它们中间位置所指方位构成描述风向的1 6 个基本方位。当磁棒盘转动时，磁棒盘上的小块永久磁铁将改变八个干簧管开关s 1 s 8 的通断状态，从而改变单片机输入引脚上的电压，具体过程见工作原理部分。电路正常工作时仅消耗2 5 m w 功率，不工作时消耗2 5pw 。单片机通过读取加在i o 口输入的电压值，从而可知八个干簧管开关的通断情况。( 2 ) 工作原理当风吹动风向标时，固定在风向标旋转轴上的磁棒盘将一起转动，因此磁棒盘上的磁铁将打开或关闭某个( 或两个) 干簧管开关导通，如图3 - 1 所示。f l图3 - 1单总线风向传感器风向编码的产生表3 - 1 列出了1 6 个基本方位对应的单片机p 1 口输入电平。当磁铁处于两个干簧管中间位置时，参见表l 中的位置2 ，此时s 1 和s 2 闭合，p 1 0 和p 1 1输入变为低电平，所以仅用8 个干簧管开关就可以指示1 6 个基本方向。表3 - 1 风向标方位对应的单片机p 1 口输入电平基本方位123456789l o1 11 21 31 41 51 6p 1 00o111l1111lll110p i 1loooll1l1ll111llp 1 211100011l1111lllp 1 3111lloo0l1ll1111p 1 4ll111ll0oo1l1l11p i 5ll1111ll100ol1l1p 1 61l111l1ll110ool1p 1 711111l1111l11000风速测量( 1 ) 传感器结构风速指单位时间内空气的水平位移，常以米秒、公里小时、海里小时表示。单总线风速传感器由三杯式感应器、磁棒盘和干簧管三部分构成。三杯式感应器由三个半球形或抛物形空杯构成，都顺一面均匀分布在一水平支架上，支架与旋转轴相连，风杯由碳纤维增强塑料制成。在风力作用下，风杯绕旋转轴旋转，其转速正比于风速。磁棒盘和干簧管主要完成将三杯感应器的转速转变成作用于1 2单片机外部中断源的脉冲。同检测风向一样，磁棒盘固定在旋转轴上，其上装有永久磁铁。( 2 ) 工作原理风杯转速通过固定在旋转轴上的磁棒盘转换成磁棒盘的转速。磁棒盘每转动一周，位于磁棒盘上的小永久磁铁就扫描一次干簧管，瞬间闭合干簧管开关，使得计数器输入端变成逻辑高，而当干簧管打开时，计数器输入端由下拉电阻变成逻辑低，于是计数器加一，总线主机通过比较一段间隔前后存储在计数器里两次不同的值来计算风速。为了减小接受装置主c p u 的工作负荷，在风速风向传感器中增加一片8 9 c 2 0 5 1 对检测数据进行处理，然后用串口发送到主c p u 。3 2 2 温湿度单元的设计s h t l 5 是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出。它采用专利的c m o s e n s e 技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这两个敏感元件与一个1 4 位的a d 转换器以及一个串行接口电路设计在同一个芯片上面。该传感器品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、极高的性价比。每个传感器芯片都在极为精确的恒温室中进行标定，以镜面冷凝式露点仪为参照。通过标定得到的校准系数以程序形式储存在芯片本身的o t p 内存中。通过两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。微小体积、极低功耗等优点使其成为各类应用中的首选。产品提供表面贴片l c c 或4 针单排引脚封装。并可根据用户的不同需求，提供特殊封装形式。( i ) 传感器性能说明表3 - 2 温、湿度传感器性能说明参数条件m i nt y p m a x单位湿度o 50 0 30 0 3r h分辨率81 21 2b i t重复性0 1r h互换性可完全互换非线性原始数据3r h度线性化( ( 1r h量程范围oi 0 0r h响应时i e ( 6 3 )4s间缓慢流动空气迟滞1r h长期稳定性典型值( 1r h y r温度0 0 40 0 10 0 1。c分辨率o 0 70 0 2o 0 2of1 21 41 4b i t0 1oc重复性0 2。f夏任7 匕一4 01 2 3 8。c围一4 02 5 4 9。f响应时1 e ( 6 3 )53 0s间( 2 ) 下图3 - 2 是s h t l 5 的典型应用电路：s h t l x( 8 l a v o )图3 - 2s h t l 5 的典型应用电路( 3 ) 输出转换为物理量( 4 ) 相对湿度为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，建议使用如下公式修正读数：r i d i i n 唧= c l + c 2xs o p , a + c 3xs o r h 2简化的修正算法，可参阅应用说明“相对湿度与温度的非线性补偿 ，修正系数如表3 - 3 ，湿度传感器对电压基本上没有依赖性。表3 - 3 非线性修正系数s o mc ic 2c 31 2 b i t- 40 0 4 0 5- 2 8 1 0 。68b i t40 6 4 87 2 1 0 41 4( 5 ) 相对湿度对于温度依赖性的补偿由于实际温度与测试参考温度2 5 c ( 7 7 下) 的显著不同，应考虑湿度传感器的温度修正系数：r n t n 壕= ( t - 2 5 ) ( t l + t 2 s o r a ) + r h l i n r表3 - 4 温度修正系数温度补偿系数相当于0 1 2 r h c 5 0 r h 。图3 3s h t l 5 输出性能曲线( 6 ) 温度由能隙材料p t a t ( 正比于绝对温度) 构成的温度传感器具有极好的线性。可用如下公式将数字输出转换为温度值：t e m p e r a t u e = d l + d 2xs o t表3 - 5v d dd l 【】d 2 * f 】5v4 0 o o- 4 0 o o4v3 9 7 53 9 5 03 5 v3 9 6 63 9 3 53v3 9 6 03 9 2 82 5v3 9 5 53 9 2 3表3 - 6s c y rd 2 c 】d 2 t 】1 4 b i to 0 l0 0 1 81 2 b i t0 0 40 0 7 2温度转换系数在极端工作条件下测量温度时，可使用进一步的补偿算法以获取商精度。可参阅应用说明“相对湿度与温度的非线性补偿。3 2 3 气压测量单元的设计m s 5 5 3 4 型气压传感器是采用高精度气压传感器瑞士高精度传感器。只需外接l 路3 2 7 6 8k h z 的系统时钟，便可通过3 线串行接口与微处理器进行通信，且易于排版布线。模块的封装外形允许使用柔性p c b 板连接，便于集成和安装。先进的校准和封装技术特点：经过完全标定和温度补偿，实现全量程绝对气压值数字输出，同时实现高精度的温度测量两线制总线数字接口，直接与微处量器连接卓越的长期稳定性，响应快，精度高低电压供电，低功耗，适用于电池供电一4 0 + 8 5 全量程温度补偿，精度i m b a r适用范围：气压测量和控制系统、移动海拔测试、天气预报产品、多功能运动表其分辨率0 1h p a ：精度3 0 0 1 1 0 0 0 50 5h p a ：绝对气压值精度3 0 0 - 1 i 0 0 1 51 5h p a ：温度最大误差- 4 0 + 8 5 11h p m长期稳定性6m o n t hlh p a ；v d d 跟随性一1 5o1 5h p a ：湿度精值2 2 3 6 0 8o 8 模数气压计m s 5 5 3 4 应用电路如图3 4 所示。1 63 2 4 通信传输单元的设计图3 4l l s 5 5 3 4 应用电路3 2 4 1g s m 模块外围电路设计t c 3 5 i 是s i e m e n s 公司推出的新一代无线通信g s m 模块，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 和传真。模块的工作电压为3 3 5 5 v ，可以工作在9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 两个频段，所在频段功耗分别为2 w ( 9 0 0 m ) 和1 w ( 1 8 0 0 m ) 。模块有a t 命令集接口，支持文本和p d u 模式的短消息、第三组的二类传真、以及2 4 k ，4 8 k ，9 6 k 的非透明模式。此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话，漫游检测功能，常用工作模式有省电模式、i d l e 、t a l k 等模式。通过独特的4 0 引脚的z i f 连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。通过z i f 连接器及5 0q 天线连接器，可分别连接s i m 卡支架和天线。t c 3 5 i 模块主要由g s m 基带处理器、g s m 射频模块、供电模块( a s i c ) 、闪存、z i f 连接器、天线接口六部分组成。作为t c 3 5 i 的核心，基带处理器主要处理g s m终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持f r 、h r 和e f r 语音信道编码。( 一) 外围应用电路：t c 3 5 i 模块的正常运行需要相应的外围电路与其配合。t c 3 5 i 共有4 0 个引脚，通过z i f 连接器分别与电源电路、启动与关机电路、数据通信电路、语音通信电路、s i m 卡电路、指示灯电路等连接。如图3 5 所示，( 二) 数据通信电路数据通信电路主要完成短消息收发、与p c 机通信、软件流控制等功能。t c 3 5 i的数据接口采用串行异步收发，符合i t u tr s 一2 3 2 接口电路标准，工作在c m o s1 7电平( 2 6 5 v ) 。数据接口配置为8 位数据位、l 位停止位、无校验位，可以在3 0 0 b p s , - - -ll5 k b p s 的波特率下运行，支持的自动波特率为4 8 k b p s , - 一ll5 k b p s ( 1 4 4 k b p s 和2 8 8 k b p s 除外) 。t c 3 5 i 模块还支持r t s o c t s o 的硬件握手和x o n x o f f 的软件流控制。数据通信电路以t i 公司的m a x 3 2 3 8 芯片为核心，实现电平转换及串口通信功能。图3 5t c 3 5 i 的外围电路连接t i 公司的m a x 3 2 3 8 芯片供电电压为3 - - 5 5 v ，符合t i a e i a 一2 3 2 一f 和i t uv 2 8 标准。具有独特的1 5 k v 人体静电保护措施，兼容5 v 逻辑输入，内含3 路接收、5路发送串行通信接口，最大数据传输速率可达2 5 0k b p s 。该芯片的最大特点是，在串行口无数据输入的情况下，可以灵活的进行电源管理，即当f o r c e o n ( 1 3 脚)为低电平、f o r c e o f f ( 1 4 脚) 为高电平时，a u t o p o w e r d o w np l u s 功能有效。在正常运行模式下，约3 0 秒事件内若芯片在接收和发送引脚没有检测到有效信号，将自动进入p o w e r d o w n 模式，此时耗电l u a 。如果f o r c e o n 和f o r c e o f f 弓 脚均为高电平，那么a u t o p o w e r d o w np l u s 功能失效。在a u t o p o w e r d o w np l u s 功能有效的时，如果检测到接收或发送引脚有信号输入，该芯片自动被激活，转入正常工作状态。如果任一接收通道的输入电压高于2 7 v 或小于一2 7 v ，或者位于- 0 3 v - - - 0 3 v 的时间小于3 0 u s ，贝u i n v a l i d ( 1 5 脚) 引脚为高电平( 数据有效) 。如果所有接收通道的输入电压位于- 0 3 v 一- o 3 v 的