基于单片机的气象监测仪的设计毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的气象监测仪的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

6hr，记录误差177。 ，走时误差：177。 5min,尺寸 350x1182mm，重 量 17kg。 DWJ1 型自动温度计 DWJ1 型自动温度计用于气象台站连续记录近地面某一段时间内空气温度变化，有日记和周记两种型号。 主要技术参数：测量范围 35~+45℃，准确度小于177。 1℃，记录周期： 26h（日记 DWJ1）、 176h(周记 DWJ11),外形尺寸 330x125x195mm，重量小于 3kg。 DHJ1 型自动湿度计 DHJ1 型自动湿度计用于气象台站、国防、部队、科研、农业、林业、环境监测、教学、仓库、实验室、档案等有关部门用来连续记录地面某一段时间内空气相对湿度变化的 仪器。 主要技术参数：测量范围 30%~100%RH，准确度小于177。 5%RH，记录周期 26h(日记 DHJ1)、 176h（周记 DHJ11），外形尺寸 334x233x195mm，重量小于 3kg。 DYJ1 自动气压计 DYJ1 自动气压计是一组真空膜盒作为感应元件，用来连续记录近地面某一段时间内大气压力变化的仪器。 该仪器适用于气象台站、科研、农业、环境监测、教学、实验室等有关部门。 主要技术参数：测量范围 8801070hPa(DYB1)， 6801030hPa（ DYB11） ,最小分度值 ,准确度177。 ,使用温度： 15~+45℃，仪器尺寸半径为64x1150mm（ DYB1） ,半径为 64x1120mm（ DYB11） ,重量小于 5kg。 自动气象站 武汉理工大学毕业设计（论文） VI 自动气象站是近年来才研制出来并投入气象业务使用的综合气象探测仪，可对地面多种气象要素进行自动采集、计算、处理、存储和通信。 该仪器适用于气象台站、军事、海运、航空、环保等部门气象探测需要。 该仪器由数据采集器、各种气象要素传感器、供电系统、存储器、 LED 显示屏、通信单元、键盘等组成，其主要性能参数见 表 11。 国外地面气象监测仪器现状 国外一些发达国家在气象监测方面使用的地面气象仪器也存在一些差异，其中美国、德国和芬兰的产品在性能技术上代表当今世界的先进水平。 今年来，欧美等发达国家已经相继研发出集成度较高的地面自动气象监测仪，并进入我国地面气象观测领域。 因为其价格昂贵，技术支持和售后服务得不到保证，维护成本高，所以目前在国内还没有广泛应用。 EasiData Mark 4 型自动气象站 该型号自动气象站为澳大利亚 Environdata 公司的产品，是一种模块式的地面自动气象监测 系统，可以完成对多个气象要素的实时测量和存储的气象站，用武汉理工大学毕业设计（论文） VII 于气象部门所属地面观测站，还可以用于环境监测、民航、海运、军事、农林、水文、盐场、大型厂矿、大型运动设备等需要气象要素测量及实时气象数据采集处理的场合。 其标准配置主要包括如下各部分：风速传感器、风向传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、雨量传感器、数据处理器、三脚架和桅杆、电缆和软件光盘。 其中数据处理器有下列特点：非易失性存储、数据平均周期可选、 12 位数模转换、两种报警输出方式和 Modem 传输方式。 具有 128KB 的存储容量。 另外带有 120V 交流 电源适配器和 RS232 串行端口，方便与计算机连接，同时为了便于野外或远距离使用，具有交流电和太阳能供电两种方式，配可充电后备电池，以防止气象站连续工作时突然断电。 WS16 模块化气象站 WS16 模块化气象站是美国一家公司的产品，是一种操作简便的，可实时监测记录多种气象参数的系统。 标准配置包括：风速、风向、空气温度、相对湿度、大气压、降雨量、数据采集器、三角支架、线缆和基本装配和设置软盘。 其传感器指标如表 12。 MAWS 系列气象站 目前全世界的 70 多个国家和 20 多个 地区和组织基本上都是使用芬兰 VAISALA公司的气象产品进行气象观测，自动气象站也不例外。 VAISALA 公司自动气象站的武汉理工大学毕业设计（论文） VIII 代表系列是 MAWS 系列，目前在全球的大多数国家和地区使用的是 MAWS201 系列，该系列现已发展到了 MAWS30 MAWS410 系列。 与国产自动气象站相比，国内的自动气象站和气象传感器具有如下特点： 气象传感器技术先进，产品精确性和稳定性优越，除基本的六要素传感器外，土壤和水的温度、太阳辐射、土壤湿度、能见度、云等要素的传感器已经有成熟的产品出现。 自动气象站可以根据用户的不同需要增减 传感器的种类和数量，实际操作简便。 采用通用的数据传输格式，用户能自由配置数据的输出格式。 基本满足世界各国各种业务应用的需要。 自动气象站采用良好的防护措施，能够适用于各种复杂环境。 在装备使用的机动性、操作的便捷性、维修的快捷性、恶劣环境的适应性等方面都做得比较好。 尽管国外自动气象站和传感器性能优越，但是通过进口自动气象站在中国长期运行来看，其硬件和软件的表现都不尽如人意。 这是因为国外自动气象站的结构、传感器和软件等都是针对当地的具体情况设计的，并不完全符合我国的实际枪口。 地面气象监测仪发展趋 势 在地面气象监测仪器方面，正向高集成的综合地面观测方向发展，基本技术原因，地面所有观测气象要素还不能全部实现自动观测。 目前国外一些发达国家已研发出技术先进集成度较高的产品，但不适合我国国情，主要表现在价格昂贵，技术支持和售后服务得不到保证，维护成本高。 针对这种情况，通过学习国外先进技术，研发既适合我国国情又尽可能与国际接轨的检测仪器，满足我国地面气象观测的需求。 根据中国气象局第二代地面自动观测站的功能规格书要求，地面自动气象监测仪的发展应具有以下特点： a、 高新技术的应用 本研究充分运用最先进的气 象传感器技术、微电子技术、计算机技术和现代无线通信技术，是计算机技术、微电子技术和气象探测技术的集成。 开发地面自动气象监测仪集成当今成熟的、稳定的、先进的电子测量、数据传输和控制系统技术，设计基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建的自动气象站，满足地面气象观测多要素自动观测。 b、产品统一系列化 注重各气象要素探测系统集成，仅能单气象要素能独立探测，更加注重多种气象要素的综合探测，能统一标准进行集成，未来的地面气象监测仪将由气象传感器、数据采集系统、数据处理系统、通信系统和数据发布系统等部分组成。 c、适应性 强 武汉理工大学毕业设计（论文） IX 地面自动气象监测仪适应地温到高温，低湿到高湿野外环境的变化，也能在高盐分腐蚀海洋环境中应用。 d、性能价格比高 在重视高新技术含量的仪器开发同时，注重适当价格器件的选项，开发并生成出适合我国国情的仪器产品，满足现代气象探测业务的需要。 在适应现代气象监测的要求下，还应加强一下几方面的工作： a、 加强地面自动气象监测仪应用理论研究 一方面要通过引进、学习国外先进技术和设备，提高我们的气象探测技术水平，同时加强气象专业和微电子技术专业的研究，提高理论研究水平。 b、控制气象仪器质量 地面自动气象监测仪是全天候运 行的设备，部分仪器在特定的恶劣条件下工作。 它是多学科、多专业的综合开发。 要严格控制各个环节，提高气象监测仪的质量，满足气象业务的指标要求。 c、制定和修改相关气象规范 中国气象局应加强修改、制定相关气象的探测规范，是指导专业气象探测业务进步的重要内容。 规范不能落后于现代化地面气象监测仪器发展的步法，这样才能更加规范和指导气象仪器的研发，促进发展。 d、加大科研投入，建立地面气象监测仪研究专项资金 气象部门是公共气象服务机构，财力有限。 气象研究的投入一方面依靠市场利益驱动外，同时更需要政府的强有力支持，特别是 重点课题的公关和大型气象装备的研制，都需要上级主管部门的组织和政府资金的支持。 面对新的发展机遇和挑战，开发一套适合我国气象观测应用的地面自动气象监测仪任重而道远，要在气象传感器技术和微电子技术上下功夫，使得开发出来的气象仪器长期运行稳定，监测数据可信，能准确、真实反应大气状况和变化规律，为天气预报人员提供科学的决策服务依据。 本论文提出研究的背景 通过对国内外自动气象站现状的分析可以看到，目前我国地面自动气象观测站能实现自动气象监测的仪器绝大部分都是单个要素进行，集成度低，尽管国内的自动气 象站基本能满足气象业务的需要和环境的要求，但存在不足和缺陷也较大。 必须充分认识到我国气象观测水平与国外先进技术相比还有很大的差距，为了满足不断提高的气象观测需求，提高我国气象观测事业的整天水平，应重点发展新一代自动气象站，对气象传感器、数据处理等关键技术进行改进，使我国的武汉理工大学毕业设计（论文） X 新一代自动气象站能够进入世界一流的行列。 按照中国气象局第二代自动气象开发功能规则书要求，第二代自动气象站基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建，采用了国际标准并遵循标准、开放的技术路线进行设计，它由硬件和软件两大部分组成。 硬件包括采集器、外 部总线、传感器、外围设备四部分；软件包括嵌入式软件、业务软件两部分。 为了实现自动气象站进行不同的配置，以实现不同观测任务或满足不同类别气象观测站的需要，以最大限度的方便维护和降低维护成本。 本论文的主要研究工作 本论文所设计的地面自动气象监测仪采用 INTEL 公司生产的低功耗 CMOS 微处理器 80C320 芯片作为中央处理器，配以 NEC 公司生产的低消耗 CMOS 并行接口芯片 82C55，实现对多种要素气象传感器进行控制和数据采集，并通过 GPRS 无线数据传输技术，将气象数据传回到气象信息中心服务 器。 本论文通过对微处理器 80C320 和大规模集成接口电路的研究，设计出地面自动气象监测仪系统的硬件方案，给出相应的原理图。 硬件主要解决气象传感器、时钟芯片、 LED 显示、通信接口、硬件运行监控等与微处理器的接口电路设计，并对研制出来的地面气象监测仪进行气象数据采集。 软件设计给出程序设计流程图，按照气象业务规范编写出能自动进行气象数据采集、处理、传送、存储和输出的应用程序。 主要工作内容包括 : a、需求调研，总体方案设计，根据系统需要进行硬件部件选定。 b、具体硬件电路设计，并进行电路布设 合理性分析。 c、软件系统的软件设计。 d、对研制出来的地面自动气象监测仪性能进行分析。 本论文的主要内容构成 本论文第一张叙述国内、外地面气象监测仪的现状和未来发展趋势，知道开发研究适合我国地面气象业务需求的气象监测仪的必要性，列出本论文要完成的主要工作。 在论文第二章里，根据气象业务的需求，设计仪器硬件系统结构示意图，重点介绍单片机、存贮芯片的选型，详细介绍六种气象要素传感器的原理。 在论文第三章设计各个分电路的方案，介绍电路原理图的设计和 PCB 电路板制作，展武汉理工大学毕业设计（论文） XI 示仪器实物图。 第四章分别介绍数据 采集处理器软件各功能模块设计和计算机处理分析系统软件功能设计。 最后对论文工作进行了总结，提出下一步需要研究的工作。 第二章 智能地面气象监测仪总体设计和部件选择 本文设计的地面气象监测仪以中国气象局地面观测站规范和中国气象局第二代自动气象站开发功能规格书要求为指导，采用当今成熟的、稳定的、先进的电子测量、数据传输和控制系统技术，设计基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建的自动气象站，满足地面气象观测多要素自动观测。 它是一套能长期稳定运行无人值守的监测系统，全程记录各种气象要素数据及其出现的时间。 它是一个数据采集系统，从各种气象传感器中自动采集气象信息。 数据采集接口有 RS232,A/D转换，脉冲等多种形式，方便各种不同型号、各类通信接口的气象传感器介入，数据可暂时存放在 RAM 芯片中，可记录 1 个月以上的气象数据，并且可实时传回到信息中心服务器中。 采用 CMOS 数字电路技术，最大程度减少能耗，可使用市电220V 或太阳能系统供电。 气象监测仪系统的总体设计 根据设计要求，地面自动气象监测仪由硬件和软件两大部分组成，其中硬件部分由单片机、总线接口电路、气象传感器、电源、时钟电路、显示电路、存储数据芯片和无线 传送电路组成。 硬件系统结构示意图如图 21 所示。 图 21 硬件系统结构示意图 该气象监测仪主要采用单片机控制技术， 80C320 作为整个系统的主处理器，武汉理工大学毕业设计（论文） XII 通过接口电路，从不同的气象传感器获取不同的气象要素，从时钟芯片读取时间数据，按照气象规范要求进行运算处理，将实时资料经驱动后由 LCD 显示器显示出来，方便现场阅读；同时将气象资料存放在本地数据存储器 RAM 中，另外气象资料按照气象编码要求进行编码后，通过无线通信模块 GPRS DTU 传回信息中心。 气象监测仪单片机的选择与介绍 单片机的选型 单片机的的选型是一件重要而费心的事情 ,如果单片机型号选择得合适 ,单片机应用系统就会得经济 ,工作可靠。 如果选择得不合适 ,就会造成经济浪费 ,影响单片机应用系统的正常运行 ,甚至根本就达不到预先设计。