小型气象监测系统

#电子信息学院课程设计课程名：《信号监测与处理》题目：小型气象监测系统类别：【设计】班级：BX1105学号：姓名：评语：学习态度：【很好】程序编写：【完整】得出结论：【正确】报告书写：【规范】【一般】【部分完整】【部分正确】【一般】【较差】【不完整】【不正确】【不规范】成绩：指导教师：完成时间：2012年6月8日批阅时间：年月日1．设计任务和要求现通过传感器设计一款既能测量温湿度也可同时测量风速风向的设备，可服务于生产、生活的众多领域。2．设计应用背景现在社会高度发达，气象状况变化万千，气象监测和灾害预警工程对于保障社会经济发展和人民生产生活有重要意义，气候状况对经济活动的影响也越累越显著，人们需要实时了解当前的气象状况。风速、风向以及温度湿度测量是气象监测的一项重要内容。该气象监测系统通过各类风速风向温度湿度传感器将检测到的数据自动进行汇总分析，并传输到终端平台。可以达到无人监管，数据自动传输，更加省时省力方便快捷。3．难点分析难点：1.该系统如果采用有线传输，并且测量较远的气象环境时，会需要较多线缆才能检测到数据。如果采用无线传输则会随着测量距离的原理数据会出现更大误差。解决方案：1.测量近距离的气象情况，或者通过GPRS对数据进行远距离高精度传输。4．实施方案4.1原理分析与实施方法风速风向传感器结构图如下图4-1。图4-1风速风向传感器结构图风速风向仪原理：风向、风速仪用于测量瞬时风速风向，具有自动显示功能。主要由支杆，风标，风杯，风速风向感应器组成，风标的指向即为来风方向，根据风杯的转速来计算出风速。内置或外接各种进口原装传感器，采用微功耗单片机对外部数据进行采样，并将采集的数据保存在系统不易失存储器内。风向风速仪由微处理器和高动态特性的测风传感器组成。风向、风速传感器为机械转动式传感器，感应距地面11m处的空气流动，对空气流动速度及方向进行检测及光电转换，并进行数字量化、时间平均、存储等处理，再通过系统的通信设备及路由传输至室内气象观测工作站。室内数据处理工作站(DPU)计算并作出一个2分钟平均风速风向报告，依据传感器5秒的风数据，产生阵风和不定风向的报告,并对应于跑道方向及侧垂方向进行矢量风的分解。风速传感器结构图

JCC风速传感器原理风速与脉冲频率的转换公式为：V(m/s)=Ollf(Hz)即每10个脉冲为lm/s的风速量。风速传感器主要指标为：电源为DC12V，启动风速＜015m/s，使用环境-40度〜+50度(0〜100%RH)风速传感器的感应元件是三杯风组件，由三个碳纤维风杯和杯架组成。转换器为多齿转杯

和狭缝光耦。当风杯受水平风力作用而旋转时，通过活轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率的信号。风向传感器结构图

风向传感器主要依据风标方位及其产生的格雷码对照进行检测。6位格雷码有64个方位，检测时选择典型方位（如0°、90°、18o°"27o°°）'所对应的格蕾码判断检测。由格雷码制对应表可知，四个典型方位与其格雷码对应关系为:o°（36o9o°18o°27o°风向传感器的变换器采用精密导电塑料电位器，当风向发生变化，尾翼转动通过轴杆带动)000000110000101000011000电位器轴芯转动，从而在电位器的活动端产生变化的电阻信号输出。风向传感器的变换器为码)000000110000101000011000盘和光电组件。当风标随风向变化而转动时，通过轴带动码盘在光电组件缝隙中的转动。产生

的光电信号对应当时风向的格雷码输出。温湿度工作原理：温湿度测量是采用AM2301数字温湿度传感器，这是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，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式感湿元件和一个NTC测温元件（AM2303采用ds18B20测温度），并与一个高性能8位单片机相连接。每个传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。AM2303数字式温湿度传感器输出数据格式：DATA=湿度数据高位+湿度数据地位+温度数据高位+温度数据低位+校验和VhDS18B20Vh件测温度原理图件测温度原理图內一1聊勦碼」■>r~1计教鹉內一1聊勦碼」■>r~1计教鹉1■LT.弦L5B買位/■清职1U温度帯学盟I图4-2DS18B20工作原理框图DS18B20工作原理：DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。DS18B20测温原理如图2-6-1所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在一55°C所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。湿敏元件：湿度变化电容变化►电压变化输出电量收集数据HS1101在电路中相当于一个电容器件，它的电容量随着所测空气湿度的增加而增大，为了能将电容的变化转换成电压的变化，我们设计了振荡电路、消除零点电容影响电路、整流路、积分电路、电压一电流转换电路、放大电路等工作原理图湿度检测振荡电路图振荡电路的作用是将电容的变化量转化为频率可变的方波。或非门G1工作在电压传输特性的转折区，把它的输出电压直接连接到或非门G2的输入端。G2即可得到一个介于高低电平之间的静态偏置电压，从而使G2的静态工作点也处于电压传输特性转折区上。反馈环路中电容使电路在两个暂稳态之间往复振荡。由于电容充放电的时间T为2.2RC，所以输出的方波频率f1/2.2RC,可见输出频率和电容值成反比。通过这个电路使湿度信号变为电容值，最后变为频率信号输出。-5DI|4L4SE712IKR41.2IKU3ILC271Ku4Z2KR9ZKR9ZKRIO61.9K线性输出信号调整电路

湿度的脉冲信号再经过后面的二极管整流、RC积分电路，得到随温度变化的电压。由于信

号比较微弱，再经过一个同向比例放大器把信号放大，最终把信号调理为0〜3V的输出。360°平面全风向风速传感器：360°平面全风向风速传感器，它通过多孔压力测试技术可以测量正负180°范围内气流，极大地扩大了可测量的范围。并且可以与计算机通过无线通信实现数据的传输，以方便数据的后续处理。这样的仪器工作可靠，精度较高，维护方便，并适合使用频繁的场合。该系统可以经过改进封装使其适用于更多的场合，比如实时环境监控，非定常流测量，横风校准仪（用于坦克、火炮等的弹道校准）和教学科研中的流动测量。系统分为硬件和软件两部分。系统硬件可以分为模型、压强传感器模块、数据处理模块、显示模块、无线模块和上位机用户平台六部分。六个模块相互对应，共同完成数据从采集、转换、处理、存储和向上位机传输和显示的功能。系统软件包括单片机控制软件和上位机平台。图1系统框图图2圆柱俯视图模型模块为一圆柱，8个测压孔均布于圆柱某一平面。如下图：该模型为流体力学中的经典模型：圆柱绕流，测量原理基于七孔探针。七孔探针可测量气流偏角为78°勺大偏角流动，测试精度为1%，并且可以得到空间流场某点的总压、静压。我们利用七孔探针测量大流动角下的总压、静压及方位角的原理，重新组织公式得到了适合我们使用的公式，并且进行了精度的验证。结果证明我们的公式是有足够的精度的，能够满足工程测量的要求。修正后的公式如下：,P-Pk=亠i-10P-0.5*(P+P)TOC\o"1-5"\h\zii+1i—1九=JP—0.5x(P+P)ii+1i—120Hz--各孔压力随转角的变化曲线)0m压图3根据上述两个公式拟合得曲线对上图进行曲线拟合，则可得到该参考大气压下的实验公式。由压强传感器模块输出的信号经过+1.5V电压偏置后接至MSP430的A/D通道，等待数据处理。与此同时，PC通过编写好的软件控制A/D转换的开始，模拟电压信号经过A/D转换成数字信号，经过单片机处理之后通过AD1602液晶显示速度及风向，并将数据经RS232接口通过无线模块传输至PC。PC终端将数据处理后记录，方便进一步的研究。3.系统硬件设计无线传输模块选用了APC220,该模块是高度集成半双工微功率无线数据传输模块，其嵌入高速单片机和高性能射频芯片ADF7020-1。APC220模块能够透明传输任何大小的数据，而无须编写复杂的设置与传输程序，同时小体积宽电压运行，较远传输距离，应用非常广泛。液晶模块我们选用了1602字符液晶，它是工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符，正好满足了我们显示速度及方向的需求。传感器电路非本项目内容，在此不便使用，其余电路均采用常见的电路，故在此省去。4.系统软件设计单片机程序流程图:图5程序流程图温湿度传感器：DHT11是广州奥松有限公司生产的一款湿温度一体化的数字传感器。该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。通过单片机等微处理器简单的电路连接就能够实时的采集本地湿度和温度。DHT11与单片机之间能采用简单的单总线进行通信，仅仅需要一个I/O口。传感器内部湿度和温度数据40Bit的数据一次性传给单片机，数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。DHT11功耗很低，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。性能指标和特性如下：□工作电压范围：3.5V-5.5V□工作电流：平均0.5mA□湿度测量范围：20—90%RH□温度测量范围：0—50°C□湿度分辨率：1%RH8位□温度分辨率：1C8位□采样周期：1S□单总线结构□与TTL兼容（5V）Vcc正电源Dout输出NC空脚GND地LED1LED?LEDSLED4LED5LED612ITITis1617飞HDT117CC4PINaosongDHTxx1234DHT11封装结构VCCClrF—II—1''!9寸104S2SG3PBOi；ICP)FBI(0C1A)PB2(SS/0C1B)PB3(MOSI>OC2)PB4(MISO)PB5(SCK)PB6(ZTALlfTOSCl)PB7(ZTAL2JTOSC2)ADC7ADC6AVCC

AREFGND22I/Os19I>'O718--I.>023132JP11P52P49P210Pl11Piti2：30PDO(RZD)PD1(TXD)PD2(INT0)PD3(INTI)PD4(XCKJTO)PD5(Tl)PD6(AINO)PD7(AIN1)(ADCO)PCO(ADC1)PCI(ADC2)PC2(ADC习PC3(ADC4ZSDA)PC4(ADC5ZSCL)PC5(RESET)PC62324o1

ADADmitiidyU1ATMEGAS_TQFP32vcc工作原理图SEMSORJNLEDtxJ>?::■L.ED7,LEPS9LEDS门LED4寸LED3ELED2dEDIaSqoT5or-q-,b£iLED®凶LED7tLEDS9LEDS「LED4寸LEElolLEH_2dLED1P3日4E36LpEt--_>Fpl6设备管脚传感器（HDT11）PC5£2（温度显示）LED[1..B]PB[0..7]P3PC3P4PDSP5PD4Sl（fifS显示）LED[1..8]PB[0..7]PlPD7P2PD6Pm3PDO管脚分配图两个方案都是将传输出来的数据汇总到单片上进行处理，通过单片机传输到终端系统上。4.2两套方案的选择与比较方案一，具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性，品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高。温湿度测量仪单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。风速风向仪由风速传感器和风向传感器组成。1、风向部分：由风向标、风向度盘（磁罗盘）等组成，风向示值由风向指针在风向度盘上的位置来确定。2、风速部分：采用传统的三环旋转架结构，仪器内的单片机对风速传感器的输出频率进行采样、计算，最后仪器输出瞬时风速、一分钟平均风速、瞬时风级、一分钟平均风级、平均风速及对应的浪高。成本：温湿度传感器AM2303,湿度精度+-2%RH;温度精度+-0.2,价格22元/只.风速风向仪裸机1900元，风速传感器300元，风向传感器300元，共2522元。方案二，360°平面全风向风速传感器，无线模块的作用范围在1000~1200m,信号强，可实现信号源与信号接收端分离，减小由于采集装置自身体积带来的流场误差，数据精度更高。传感器、处理模块、接收模块三者分离，安装简便，实用性强，支持扩展、改装以及封装。圆柱模型强度大，可在强风下工作；8通道的模型理论精度高，支持高精度的实验，且迟滞效应弱，任一方向的扰动都能及时地反应在读数上。采用的芯片都是工业级的设计，能在恶劣的环境下正常工作。DHT11温湿度传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。成本：方案一主要应用在小型气象，性价比极高，各方面都比较有优势；方案二主要应用在航空航天，故要求极高，经费高，但精度极高，距离远。4.3涉及最终拟采用的方案最终选择方案一，作为本次研究方案。4.3.1传感器选择风速风向传感器：光电传感器：由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件（光学测控系统）输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲（开关）式光电传感器•模拟式光电传感器是将被测量转换风速传感器WAA—15是一种高响应、低门限、三风杯的光电型风速计，转换器由装接于风速计转轴上的齿盘组成，齿盘安置于光电耦合器的发光管与光电三极管之间并能随轴转动，光电耦合器装于印制电路板上。转盘有多个齿度，当齿盘随轴转动时，发光管LED发射的光束被齿盘上的齿度切割，光电三极管即产生脉冲输出。每个齿遮住光束时表现为低电平（即0态），轴转动一圈，多次切割光束而输出一高一低的脉冲信号。因此VASALA（WAA-15）和国内仿制的风速传感器，均输出频率与风速成正比的信号。传感器使用DC12V电源，风速信号为时间轴上的12V脉冲频率信号。风向传感器也是光电型传感器，由单风标、格雷码盘、光电组件组成红外LED和光电三极管分别安装于6位格雷码盘上下两侧的6个窝型孔内。当风标随风向变化而转动时,通过其轴带动轴下端固定着的格雷码盘，在光电组件的狭缝中转动，产生的光电信号经放大整形后，输出对应当时风向的幅度为12V的六位格雷码（每位格雷码只有电平高低的区别，习惯上高电平为1,低电平为0）,转动时风向信号以516度的分辨率为步进变化。测量范围为0〜360°,64个方位。测量温湿度传感器：AM2301数字温湿度传感器：传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。传感器参数：采样周期：次大于2秒信号输出：单总线数字信号感测元件：湿敏电容工作范围：湿度0T00%RH;温度-40~80°C精度：湿度精度+-2%RH(Max+-5%RH);温度精度+-0・5°C分辨率：湿度0・1%RH;温度0・1°C重复性：湿度+-0・5%RH;温度+-0・2°C迟滞：+-0.3RH%稳定性：+-0・5%RH/年互换性：可完全互换响应时间：6S规格：14*18*5.5mm测量范围：风速：0〜60m/s风向：o〜360°测量精度：风速：±0・4+(0.05x实际风速)m/s风向：±1°测量分辨率：风速：0.2m/s风向：1°启动风速：W0.5m/s输入电压：DC18V〜DC24V

输出信号：双路4〜20mA传输距离：300米4.3.2风速风向电路设计三个互成120度固定在架上的抛物形或半球形的空杯都顺一面，整个架子连同风杯装在一个可以自由转动的轴上。在风力的作用下风杯绕轴旋转，其转速正比于风速。转速可以用电触点、测速发电机或光电计数器等记录。当风杯转动时，通过主轴带动多齿转盘旋转,使下面光敏三极管接收上面发光二极管照射下来的光线，处于导通或截止状态，形成与风杯转速成正比的频率信号，通过计数器计数，换算后得到实际风速值。图是风速检测的仿真图，图中RV2主要用于模拟风速，通过D/A(DAC0832)转换后再LCD1602A液晶显示风速。1L：[>1LM-itLt-TTrT-卍-2_elk罪2扣姑匚CrTd-L1Ft-.lUIFtdtlli:■:Td-LJ-KlWM-.Ti<|T1L：[>1LM-itLt-TTrT-卍-2_elk罪2扣姑匚CrTd-L1Ft-.lUIFtdtlli:■:Td-LJ-KlWM-.Ti<|TF-J-jf-tf-dPJT卅Xl&rarFJ-J^-ll■ME"PHU1EFP）沁1」PhisFiATJ-fJ.iiTiiPUFJJfnFFlJP」」*rrrFl^F-J.-iTt-F'l£PiEF-JilTiPJMHTTfi.TF1.TRTT”FFFHFFF-宣耳亍FFFSCLhUti工吩iOhDLCD1LivQia-Vrtxr*FS:000R/S迪血B□BBe<SE□X-□-F1-1aS□Arn=i2•■rEJ.r*D29HD9人・1>3・raB»LCD1LivQia-Vrtxr*FS:000R/S迪血B□BBe<SE□X-□-F1-1aS□Arn=i2•■rEJ.r*D29HD9人・1>3・raB»r・□r3HFUHJDOPD.UWPDMEFUXJUMmJiJDQpaJIADDPn.HJDrn.iiuP233AIQPZJAiiP2jMA>2P2^A>3FTHJUAFT.HAISPSII1R4DPS.IIHJDrajwrpmaiirTPS/fro

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PH.HFri"VCCcTOJ-：.o-nDICHI风速检测电路风向传感器的感应组件为前端有辅助标版的单板式风向标。本设计角度变化采用六位格雷码光电码盘。当风向标随风旋转时，通过主轴带动码盘旋转，没转动一定度数，位于码盘上下两侧的六组发光与接收光电器件就会产生一组新的六位并行格雷码，经过整形、倒相后输出。图风向检测电路，图中开关模拟6位格雷码，经过单片机数据处理后再数码管上显示相应的度数（及风向方位），规定正东方为0度。liL_13_U1?XTAL1PaOLADDPD.1IAD1FDZKiDZXTA12PDILADIPD硼*pasjADfR3TPDOADEP2OL強陀仏阳陀3■和口PSEMPZ3TA11ALEPZ.*'ATZEAPZffA-BRZffXUFZWASSpiim鬥nn>；Dpi.vnatps-irr^bP12□WFDPU?j31NT1F1fF3fH1P1j5PSuMuRF1.7呂±A13C5E::7E：-.T-风向检测电路4.3.3温湿度检测电路设计AM2303数字式温湿度传感器，采用DS18B20作为温湿度传感器进行数据的采集，在进行数据采集，由于是多个地方数据进行采集，为了确定是哪个点的数据，必须先读取DS18B20的序列号（16位），如图所示，最后通过序列号确定是哪个点的数据。图A、B、C、D、为4个DS18B20，都可以进行数据的采集，并把数据传给单片机处理，然后显示相应的结果，如图所示。J_4AXIL-□cC=L.DLCCH00号L■»TEZFrKTALIrODT.WEJ_4AXIL-□cC=L.DLCCH00号L■»TEZFrKTALIrODT.WEPD.i'.KDIFDZXD2KTA12FDhAD：!FDSAD5■□MXPJBTFWADT吃MSP2-LTOruA-c阳E・FZJK11吃护17PZSfNI*FZWftlErj.ir™'miiiDrzwicri.iP1IP13F1.f[a15円总迴P1.fiF37iaKE'■U4■TE：T；LCCdUIDI6L■yA：-0Q.lB：-60.lC：-00.1D：-00.1tiF-•X1ISCRTETAL•-DeC3■■IFM...FUOU口FCL1IAHXTM2PU3A口RSTrariiJTPZJ7ASPZ.V.^5PIZMOFBBIP23A11ALER■f.'klSD.P2£TA13LCCdUIDI6L■yA：-0Q.lB：-60.lC：-00.1D：-00.1tiF-•X1ISCRTETAL•-DeC3■■IFM...FUOU口FCL1IAHXTM2PU3A口RSTrariiJTPZJ7ASPZ.V.^5PIZMOFBBIP23A11ALER■f.'klSD.P2£TA13P2ETAHP2伽弓F10FHATCOF1.1FairroP12P3^!£E!P13F31':IT1P14F3*nnF1SF3ST1FiaFJ7F3JIHD3U1兰土弍11S畫暑欝签蟄豐U5.P冬晦-U4P5IS3®U3PW51温湿度检测电路4.3.4优缺点分析及成本优点：风速风向仪的特性：1•数据记录仪全程跟踪记录数据，数据准确、记录时间长。2•记录风速风向的参数的变化，可以随时记录数据。3•记录时间间隔可以在记录仪应用软件上进行设置，2秒至24小时任意可调，风速风向的变化随着时间的变化而变化，监测过程中风速风向的变化值实时保存在电脑的硬盘中，十分方便。AM2301数字温湿度传感器，这是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，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式感湿元件和一个NTC测温元件（AM2303采用DS18B20测温度），并与一个咼性能8位单片机相连接。每个传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。