公路環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)設計畢業(yè)設計

本科生畢業(yè)設計（論文）PAGEIV摘要隨著我國高速公路的迅速發(fā)展，及時、有效的對高速公路的環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測是很有必要的，它不但可以減少交通事故的發(fā)生，從而給人們的出行安全帶來很大方便。而且同時也能有效的為高速公路維護工作提供便利。高速公路環(huán)境參數(shù)自動監(jiān)測系統(tǒng)的設計是通過對氣溫、濕度、風向、風速、路面結(jié)冰狀況等氣象要素的采集為工作的基礎。本設計討論了GPRS的無線通訊的高速公路環(huán)境參數(shù)自動監(jiān)測系統(tǒng)的設計，并實現(xiàn)了氣象采集的自動化和網(wǎng)絡化。分析各氣象要素傳感器的接口、參數(shù)、性能、可靠性等關鍵問題，確定了HMP45D型號的濕度傳感器、PT100溫度傳感器、IRS21智能路面狀況傳感器、HW-N1型能見度儀、ZQZ—TF風向風速傳感器、確定了H7000無線DDN系統(tǒng)為用戶提供高速、永遠在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶摂M專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡進行設計。由于高速公路環(huán)境參數(shù)自動監(jiān)測系統(tǒng)因為其本身的地域的局限性，所以通訊方式最好采用無線通訊的方式。隨著計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，GPRS數(shù)據(jù)服務除了高速、永遠在線的特點外，還具備通訊費用低廉的優(yōu)勢。因此得到了廣泛的應用。關鍵詞：GPRS無線通訊；自動監(jiān)測系統(tǒng)；傳感器

AbstractWiththerapiddevelopmentofhighway,timelyandeffectiveenvironmentalparametersonthehighwaymonitoringisnecessary,itcannotonlyreducetrafficaccidents,givingpeopletravelsecuritybringgreatconvenience.Butalsocaneffectivelyfacilitatetheworkforthehighwaymaintenance.Automaticmonitoringofenvironmentalparametershighwaysystemdesignisthroughtheairtemperature,humidity,winddirection,windspeed,icyconditionsandothermeteorologicalelementscollectedforthebasisofthework.ThisdesigndiscussedGPRSwirelesscommunicationhighwayenvironmentalparametersautomaticmonitoringsystemdesignandrealizationofmeteorologicalacquisitionautomationandnetworking.Analysisofthemeteorologicalsensorinterfaces,parameters,performance,reliability,andotherkeyissues,identifiedHMP45Dtypehumiditysensor,PT100temperaturesensor,IRS21intelligentroadconditionsensors,HW-N1typevisibilitymeter,ZQZ-TFwinddirectionandspeedsensor,identifiedH7000wirelessDDNsystemprovidesuserswithhigh-speed,alwaysonline,transparentdatatransmissionvirtualprivatedatacommunicationsnetworkdesign.Becausethehighwayenvironmentalparametersautomaticmonitoringsystembecauseofitsowngeographicallimitations,sothebestuseofthewirelesscommunicationmeansofcommunication.Withthedevelopmentofcomputernetworktechnology,GPRSdataservicesinadditiontohigh-speed,always-onfeatures,butalsohavetheadvantageoflow-costcommunications.Soithasbeenwidelyused.Keywords:GPRSwirelesscommunication;automaticmonitoringsystem;sensor

目錄TOC\o"1-3"\f\h\z第1章緒論 11.1研究背景 11.2國內(nèi)外發(fā)展 21.3本設計的解決的問題 3第2章方案論證 52.1方案對比 52.2方案分析 7第3章硬件電路設計 103.1單片機的選型及其外圍電路的設計 103.2A/D轉(zhuǎn)換器 113.3傳感器的選型 133.3.1路面?zhèn)鞲衅?133.3.2溫、濕度傳感器 143.3.3能見度傳感器 173.3.4風速風向傳感器 193.4通訊模塊的設計 203.5人機接口部分的設計 233.5.1按鍵電路的設計 233.5.2顯示電路的設計 243.5.3報警電路的設計 25第4章軟件設計 264.1主流程圖 264.2子程序流程圖 26第5章通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)的功能及實現(xiàn) 305.1GPRS模塊的設置 305.2數(shù)據(jù)中心的實現(xiàn)簡介 30第6章總結(jié) 32參考文獻 33致謝 34附錄I 35附錄II 36附錄III 53PAGE69緒論研究背景近年來，我國高速公路建設的發(fā)展非常迅速，自1988年建成我國第一條高速公路以來，到2010年底，我國高速公路通車里程達到7.3萬km。根據(jù)國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃，我國正在全力以赴地加快國家高速公路網(wǎng)主骨架建設，到2020年，基本建成國家高速公路網(wǎng)，屆時，中國高速公路通車總里程將達10萬km。新路網(wǎng)由7條首都放射線、9條南北縱向線和18條東西橫向線組成,簡稱為7918網(wǎng)。隨著交通運輸業(yè)的飛速發(fā)展，天氣條件對交通運輸?shù)挠绊懸苍絹碓綇V泛，惡劣的天氣條件給交通運輸帶來巨大的損失，甚至威脅人們的生命財產(chǎn)安全。據(jù)統(tǒng)計，在冰雪路面、積水路面與正常干燥路面3種情況下，交通事故發(fā)生的概率之為4.2︰1.61︰1，在寒冷地區(qū)這種現(xiàn)象甚至更為嚴重。所以，及時準確的天氣信息成為交通管制部門決策支持的關鍵組成部分。高速公路交通氣象監(jiān)測系統(tǒng)由分布在高速公路沿線的若干個高速公路自動氣象站聯(lián)網(wǎng)組成，通過對天氣變化、路面狀況、空氣環(huán)境進行實時監(jiān)控，獲取實時數(shù)據(jù)，并實時向外界發(fā)布天氣、交通的變化信息，從而使交通管制部門及時作出相應決策，提高交通道路的安全指數(shù)，充分發(fā)揮交通道路效能。隨著我國公路建設的快速發(fā)展，公路建設的監(jiān)測和維護工作也顯得越來越重要。公路路面在實際使用的過程中，溫度、水分以及載荷等因素均會對整個路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，并極大的增大了交通事故的發(fā)生幾率，帶來了極大的財產(chǎn)和生命損失。根據(jù)對四川、云南、貴州、廣西、甘肅、新疆、西藏、浙江、河南、遼寧等幾個省的事故資料統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，約有44%的道路交通事故與氣象條件有直接或間接的關系。數(shù)據(jù)顯示，在美國每年680萬起交通事故中，20%發(fā)生在像雨、雪或冰雪這樣的惡劣氣象條件下問。目前我國道路交通事故數(shù)、交通事故傷亡人數(shù)及經(jīng)濟損失居高不下，交通安全形勢惡劣。雨、雪、霧天能見度低，路面積水、結(jié)冰等都會使路面光滑、行車發(fā)漂，是形成事故的重要原因之一。低收入和中等收入國家每年有100多萬人因公路交通事故喪生，高收入國家則僅有12.5萬人因公路交通事故喪生。先進的儀器設備來建立健全交通安全環(huán)境，完善的道路情報收集與管理，可以為相關管理部門的決策提供依據(jù)，也可以對道路使用者進行提示、警告、限制，大大減少交通事故的發(fā)生。目前中國高速公路建設快速發(fā)展，中國2008年新修通高速公路6433公里，高速公路通車總里程達到6.03萬公里，繼續(xù)居世界第二位。根據(jù)交通部的規(guī)劃，到2020年，我國將建成國家骨架公路網(wǎng)，全國高速公路總里程預計將達到７萬公里。路面?zhèn)鞲衅魇袌銮熬皬V闊。目前我國路面?zhèn)鞲衅魇袌鲋饕粐獾钠髽I(yè)壟斷，昂貴的價格限制了其應用。實現(xiàn)路面?zhèn)鞲衅鲊a(chǎn)化，有著深刻的現(xiàn)實需求和經(jīng)濟前景高速公路的氣象環(huán)境狀況，特別是惡劣天氣條件，直接影響高速公路的運營管理和行車安全。由于雨、雪、霧、積雪、結(jié)冰等天氣環(huán)境條件對高速公路的運營有直接的影響，所以交通部門對高速公路交通氣象監(jiān)測系統(tǒng)的需求主要從以下幾個因素上加以考慮。(1)安全因素：在大霧等低能見度的氣候條件下，高速公路很容易引發(fā)多車相撞的惡性交通事故，這類交通事故往往造成相當驚人的損失，如北京、上海、陜西、江蘇、廣東等地相繼開始對城市道路或高速公路的頭號殺手霧進行監(jiān)測與預報研究，并取得許多有價值的科研成果。(2)經(jīng)濟效益因素：交通事故不但造成了重大的人員傷亡，還帶來其它重大的經(jīng)濟損失。在大霧、下雪、結(jié)冰等天氣情況下，往往采取關閉高速公路的辦法來有效地杜絕交通事故，但關閉高建公路帶來的直接經(jīng)濟效益損失不容輕視，因此不能準確判斷各類型天氣條件下高速公路的行車等級，也會帶來不必要的經(jīng)濟損失。(3)社會影響因素：由于公路交通重大事故比例高，人員傷亡大，人們對公路產(chǎn)生了潛在的死亡恐懼。據(jù)調(diào)查,在鐵路交通方便的情況下，出行者更愿意選擇鐵路交通。(4)交通問題因素：封閉公路給周邊城鎮(zhèn)的交通帶來了極大的壓力，特別是交通容量小的小城鎮(zhèn)，造成嚴重的大面積的交通阻塞和交通癱瘓。國內(nèi)外發(fā)展瑞典、英國、芬蘭等國家是世界上最早進行高速公路交通氣象監(jiān)測系統(tǒng)研究的國家,許多開創(chuàng)性的應用工作也是從這些國家逐漸推向世界各地的。近年隨著各種遙測技術、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫以及GPRS等技術的應用，國外高速公路交通氣象監(jiān)測系統(tǒng)能夠向道路養(yǎng)護、交通運營管理以及公眾出行提出更加豐富、及時、有效和全面的信息，降低道路的養(yǎng)護運營成本，提高道路的運營服務與安全水平。而我國高速公路交通氣象監(jiān)測系統(tǒng)研究與應用工作起步較晚，交通氣象信息也主要來源于公路沿線的氣象站、霧天能見度檢測儀等檢測設施，公路部門與氣象行業(yè)業(yè)務合作不夠緊密，所以總體上缺乏系統(tǒng)研究，提供專業(yè)服務的能力還很有限。但近年來,隨著我國高速公路的快速發(fā)展，高速公路交通氣象監(jiān)測系統(tǒng)的研究和應用已經(jīng)開始受到相關部門和研究機構(gòu)的重視。如安徽省2009年底已開始建設覆蓋全省高速公路的惡劣氣象條件監(jiān)測系統(tǒng)、山東省已開始建設高速公路氣象觀測系統(tǒng)、山西省也將高速公路氣象監(jiān)測系統(tǒng)納入地方“十二五”建設規(guī)劃，此外河北省交通與氣象部門攜手加強高速公路氣象監(jiān)測及預警服務能力建設等，所有這些都表明了交通部門對高速公路交通氣象監(jiān)測系統(tǒng)的關注,但我國目前該系統(tǒng)的主體框架基本以傳統(tǒng)氣象要素的監(jiān)測為主，能見度儀和路面狀態(tài)傳感器大多數(shù)仍依賴于國外進口設備，可見，我國交通氣象監(jiān)測與服務工作還需進一步加強。由于我國對這方面的設計的不足，所以對高速高速公路自動監(jiān)測系統(tǒng)的研究是很有必要的。國外進行氣象信息采集比較有名的有意大利、法國、日本等一些公司在從事自動氣象站方面的研究。氣象設備的主要生產(chǎn)廠家有芬蘭的Vasiala、意大利的DPS一Pormatic、法國的exMEL、英國的CamPbellseientifie和CasellaCel等。他們的大部分產(chǎn)品也是采用衛(wèi)星和GSM的通信模式，隨著移動通信技術的進步，國外的意大利的一家公司2003年首先推出了基于GPRS通信的相關產(chǎn)品。但是國外進口的自動氣象站觀測系統(tǒng)設備價格昂貴,很難在國內(nèi)大范圍普及。國內(nèi)氣象觀測技術領域也有許多相關研究，并取得了一定的進展。國內(nèi)比較著名的自動氣象站有北京華創(chuàng)科技公司的CAWS600系列自動站，江蘇無錫無線電科學研究所的ZQZ一Cn型自動氣象站。另外還有長春氣象研究所的同類產(chǎn)品。他們的產(chǎn)品主要是數(shù)據(jù)傳輸大多局限于傳統(tǒng)的通訊方式(有線MODEM、GSM等通訊方式)。本設計進行基于GPRS的多要素自動氣象站產(chǎn)品開發(fā)的同時無錫無線電科學研究所也在進行相關產(chǎn)品的研究和實驗。本設計的解決的問題高速公路自動監(jiān)測系統(tǒng)的設計關于環(huán)境參數(shù)的采集需要安裝在現(xiàn)場，通過各種傳感器對氣象參數(shù)進行采集。同時，分析、存儲采集的氣象數(shù)據(jù)。利用GPRS模塊作為數(shù)據(jù)通訊通道。GPRS通信網(wǎng)絡是氣象數(shù)據(jù)中心與現(xiàn)場自動氣象站之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄海髯缘腉PRS數(shù)據(jù)終端將數(shù)據(jù)打成PI包，經(jīng)GPRS接入無線GPRS網(wǎng)絡，由移動服務商轉(zhuǎn)接到hietmet，最終通過各種網(wǎng)關和路由到達統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理中心工作站。使現(xiàn)場自動氣象站的氣象參數(shù)能夠及時傳送到氣象中心的計算機中。氣象數(shù)據(jù)中心是系統(tǒng)的監(jiān)控中心，從各觀測站發(fā)回的氣象資料經(jīng)整理后存入SQLesvrer數(shù)據(jù)庫，并通過網(wǎng)頁瀏覽方式提供給相關部門及其他用戶。它由三臺主機和上位機軟件組成。一方面氣象數(shù)據(jù)中心通過GPRS網(wǎng)絡與現(xiàn)場自動氣象站進行雙向通信收發(fā)數(shù)據(jù)，另一方面進行數(shù)據(jù)庫管理和WEB網(wǎng)頁瀏覽服務。上位機軟件為用戶提供一個可視化界面，實時監(jiān)測各地的氣象參數(shù)。通過此軟件，可查詢歷史數(shù)據(jù)庫，查看各地氣象息的歷史記錄和統(tǒng)計曲線，從而清楚地了解觀測點的綜合氣象信息。本文的主要工作是自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)中的基于GPRS傳輸?shù)淖詣託庀笳镜难兄疲岢霾⒂懻摰闹饕獑栴}如下：1.各氣象要素的信號采集傳感器的選用、接口和性能的分析。2.硬件系統(tǒng)的主處理模塊、氣壓測量模塊、各傳感器接口調(diào)理電路的分析與設計。3.GPRS相關技術，及和單片機的接口問題4.氣壓的非線性校正和溫度補償?shù)膶崿F(xiàn)、溫度傳感器的非線性校正、可靠性分析與設計等若干關鍵技術問題。

方案論證2.1方案對比目前國內(nèi)也有很多基于無線傳輸?shù)母咚俟纷詣託庀笳?，但或多或少都存在一些不足，總結(jié)起來主要有以下幾個方面：1.采用的無線傳輸方式為短信方式，這種方式缺乏靈活性，局限性比較大，而且對于多站點、多時次的信息需求來說，費用比較昂貴。2.部分無線傳輸方式將采集得到的數(shù)據(jù)存于U盤、移動硬盤等介質(zhì)中，實時性無法實現(xiàn)。另外，長時間的數(shù)據(jù)傳輸積累下來的數(shù)據(jù)量比較大，需要人員定時去取存于移動介質(zhì)中的數(shù)據(jù)，需要大量的人力物力，對于沙漠等偏遠地區(qū)來說，實現(xiàn)起來就更加困難。3.隨著計算機網(wǎng)絡的發(fā)展,采集到的數(shù)據(jù)可以存入計算機，通過計算機網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h端服務器，這種方式僅適用于有地面網(wǎng)絡的地區(qū)，無法應用于無人。無氣象站的地區(qū)。我國高速公路環(huán)境參數(shù)自動檢測系統(tǒng)研制工作始于20世紀50年代后期，至今已有40多年的歷史。60年代初，由原中央氣象局觀象臺主持研制無人環(huán)境自動檢測系統(tǒng)，到70年代初研制出環(huán)境參數(shù)自動監(jiān)測系統(tǒng)，在青海省的五個臺站進行試驗，前后達10年之久。與此同時，原中央氣象局硬件所又主持研制出綜合遙測自動氣象站，在杭州、蘇州、北京等地進行了為期6個月的現(xiàn)場考核。80年代中期，由中國氣象科學研究院大氣探測所主持，采用精致氣象衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)的方式，研制出資料收集平臺(DCP)，并在多個省份進行為期1年的試驗。到90年代后期，我國第一批高速公路環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)設計成型，并獲準在業(yè)務中使用。截至2005年，全國有1000多個臺站使用了自動環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并實現(xiàn)了組網(wǎng)。在過去的十幾年間，高速公路自動監(jiān)測系統(tǒng)之所以取得了迅猛的發(fā)展，并得到了應用，取決于多種因素其中技術因素起到舉足輕重的作用，包括微型計算機、通信、傳感器等技術的發(fā)展和推廣應用，為自動環(huán)境參數(shù)監(jiān)測技術性能的提高提供了良好的技術基礎,尤其是微處理器的和通信技術的日趨成熟，簡化了數(shù)據(jù)傳輸設計。降低了成本，提高了效率,使準確獲得數(shù)據(jù)的同時能夠準確、高效的傳輸，達到自動環(huán)境自動監(jiān)測的功能要求。目前國內(nèi)外都有許多研究高速公路環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)的廠家，因此在技術上成熟了許多。國內(nèi)比較知名的是北京華創(chuàng)科技有限公司的CAWS600系列環(huán)境參數(shù)自動檢測系統(tǒng)，長春氣象儀器研究所的同類產(chǎn)品。他們的產(chǎn)品數(shù)據(jù)傳輸主要都局限于傳統(tǒng)的通訊方式。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，科學技術的進步，將進一步推動環(huán)境參數(shù)自動監(jiān)測技術向多功能、智能化、高精度、高可靠性方向發(fā)展，將為航空、水利等社會各部門提供更詳細、更準確的氣象信息。通過以上的分析，我們發(fā)現(xiàn)上述各種方式或多或少的存在一定的弊端，尤其是通訊方式，它是制約環(huán)境參數(shù)自動監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的一個重要因素。GPRS作為一個新的無線網(wǎng)絡通信協(xié)議，是基于GSM的新型移動分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，資源被有效的利用，比現(xiàn)有GSM網(wǎng)具有更高的數(shù)據(jù)率，并具有永遠在線的特點。GPRS數(shù)據(jù)服務除了高速、永遠在線的特點外，還具備通訊費用低廉的優(yōu)勢。GPRS數(shù)據(jù)服務可以按流量或時間或包月固定費等方式收取，就大大降低了用戶使用GPRS進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀?，尤其在?shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中。通過對比，本論文擬采用GPRS通信方式實現(xiàn)氣象要素自動監(jiān)測無線化和網(wǎng)絡化。本課題利用無線GPRS技術傳輸氣象數(shù)據(jù),主要是因為GPRS具有以下優(yōu)點：1.GPRS對于網(wǎng)絡資源利用率高。GPRS采用分組交換技術，對于數(shù)據(jù)吞吐量較小的網(wǎng)絡，可以把大數(shù)據(jù)包先分成若干個小數(shù)據(jù)包，通過不同的路由，以存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳送到目的主機，再按規(guī)則組合成完整數(shù)據(jù)包。2.覆蓋范圍廣。GPRS覆蓋范圍廣，在無線GSN叮GPRS網(wǎng)絡的覆蓋范圍之內(nèi)，都可以完成對無線終端的控制和管理。而且，接入地點無限制，能滿足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。3.數(shù)據(jù)傳輸速率高。GPRS數(shù)據(jù)傳輸速度大于40Kbps，最高可達到115KbPs一170Kbps，完全可以滿足用戶應用的需求。4.建設成本小。由于采用GPRS無線公網(wǎng)平臺，對于行業(yè)應用，只要安裝好GPRS終端即可，不需專門的布線，前期投資小、見效快,后期升級、維護成本低。5.接入時間短，提供了與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的無縫連接。GPRS接入等待時間短，可快速建立連接，平均時間為兩秒。6.提供實時在線功能"用戶將始終處于連線和在線狀態(tài),這使得訪問服務變得非常簡單、快速。7.通訊費用低，按流量計費。GPRS網(wǎng)絡按照用戶接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)量來收取費用，在沒有數(shù)據(jù)傳遞時，用戶即使掛在網(wǎng)上也是不收費的。同時GPRS應用可以采用包月、包年的計費方式，運營的成本將大大降低。8.GPRS系統(tǒng)的傳輸容量大，非常適合數(shù)據(jù)的傳輸應用。GPRS的分組交換技術提供靈活的差錯控制和流量控制，非常適用于數(shù)據(jù)傳輸應用，特別是間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。2.2方案分析經(jīng)過查閱資料和分析，本設計主要是要通過的傳各種類型傳感器對天氣狀況信息溫度、濕度、能見度、風的大小與方向、路面狀況的采集，再將檢測出的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后以及信號處理，再通過通訊技術,按照城區(qū)大約間隔5公里、郊區(qū)10-15公里的建設原則，配無線通訊器通過GSM網(wǎng)可實現(xiàn)遠距離布網(wǎng)監(jiān)測或異地遙測數(shù)據(jù)。不受距離限制，每個氣象監(jiān)測網(wǎng)點配備一個無線通訊端口，由氣象中心監(jiān)測站的主控微機對網(wǎng)點內(nèi)所有氣象站的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一監(jiān)控，以達到整個網(wǎng)點內(nèi)氣象數(shù)據(jù)整合及統(tǒng)計。送入主機中，進行自動的運算和控制，為用戶設計按鍵、顯示電路和聲光報警等模塊。高速公自動監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對天氣狀況的監(jiān)測，把實時信息傳輸給控制室，可采用以單片機為核心的控制系統(tǒng)，因為單片機的內(nèi)部資源豐富，供電電壓只需要5V，并且單片機的體積較小，便于存放；價格也相對便宜。對單片機外加簡單的接口電路及編制不同的應用程序就可實現(xiàn)不同的功能。從節(jié)能和經(jīng)濟效益方面考慮，選用以單片機為核心的控制系統(tǒng)更為合理。基于以上分析，通訊系統(tǒng)的流程圖如圖2.1所示，高速公路自動監(jiān)測系統(tǒng)設計的總體框圖圖2.2所示。主機主機被控對象溫度、濕度、風向、能見度等測量信號被控對象溫度、濕度、風向、能見度等測量信號A/D轉(zhuǎn)換器溫度、濕度、能見度，風向與風的大小顯示A/D轉(zhuǎn)換器溫度、濕度、能見度，風向與風的大小顯示越限報警越限報警鍵盤鍵盤電路實時通訊模塊實時通訊模塊圖2.1總體框圖控制中心控制中心GPRS網(wǎng)絡GPRS網(wǎng)絡基站基站氣象檢測數(shù)據(jù)氣象檢測數(shù)據(jù)氣象檢測數(shù)據(jù)氣象檢測數(shù)據(jù)圖2.2通訊框圖基于以上分析，本設計系統(tǒng)分為以下幾個模塊。(1)天氣狀況監(jiān)測模塊對天氣狀況的檢測采用氣象傳感器。路面狀況傳感器主要有兩大類：一類是埋入式類型的傳感器，需要埋設在路面上，通過電源和信號線接到機箱內(nèi)電源和采集器上；另一類是遙感類的傳感器，無需安裝在路面上，而是安裝在路側(cè)支架上，通過遙感路面上的某一特定區(qū)域來實現(xiàn)觀測目的。第二類的傳感器也稱為主動型路面狀況傳感器，因成本較高，在實際應用中多采用第一種。溫度傳感器主要有四種類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器和IC溫度傳感器。因為本設計對不需要高精度測量，并且熱電阻寬溫度范圍和適應各種和大氣環(huán)境，而且結(jié)實、價格低、無需供電。所熱電阻作為溫度傳感器。由于常見的電阻、電容式濕敏濕度傳感器抗腐蝕能力差、一致性差、線性差。所以選用有機高分子膜做成的介質(zhì)的濕度傳感器，這類產(chǎn)品的互換性好、響應速度快、抗干擾能力強。不需要外部元件，適配各種單片機。該濕度傳感器的測量范圍一般可達到0～100%。但有的廠家為保證精度指標而將測量范圍限制為10%～95%。目前世界上能見度的設計的能見度觀測儀主要有透射式和散射式兩種。其中透射式占地范圍大無法機動使用，所以前向透射能見度能是通過測量小空氣體積對光的前向散射來計算能見度的儀器，它測量范圍大、工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。它由發(fā)射器、接受器、電源控制器和機架等部分組成。通過發(fā)射、接受紅外線，得出相應的電信號數(shù)據(jù)。目前國內(nèi)外風向風速傳感器可以分為三類。第一類為螺旋槳式風向風速傳感器。第二類為風速是三杯式、風向單翼式的風向風速傳感器。第三類為超聲波風向風速傳感器。螺旋槳式風傳感器精度較差，動態(tài)性能一般，超聲波傳感器目前應用還不太成熟?？紤]測量性能、可靠性、價格等因素，本設計采用三杯式風速傳感器、單翼式風向傳感器。風杯式風速傳感器工作原理是：風速傳感器的感應元件為三杯式回轉(zhuǎn)架，信號變換電路為霍爾開關電路。(2)通訊模塊把采集的信號傳輸給主控制室。本地通訊（RS232、RS485）、遠程有線通訊（PSTN、ADSL、光纖等）和遠程無線通訊（SMS、GPRS、CDMA1X、衛(wèi)星DCP等）可同時應用。因此，高速公路自動氣象站終端有可能放置在長期無人值守的地方，基礎設施建設比較差，可能不能提供光纖傳輸，GPRS無線傳輸可以很好的解決這一問題。在本系統(tǒng)應用中，采用了公網(wǎng)固定IP的方式組網(wǎng)。該系統(tǒng)由高速公路氣象信息管理系統(tǒng)、公共以太網(wǎng)服務器、無線通訊基站、高速公路自動氣象終端等設備組成。在這種構(gòu)成下，高速公路自動氣象終端設備首先通過無線通訊基站以無線方式登陸到無線以太網(wǎng)絡，并獲得自動分配的IP地址，然后與高速公路氣象信息管理中心建立點對點網(wǎng)絡連接。由于高速公路氣象信息管理系統(tǒng)的IP地址用的是網(wǎng)絡的子網(wǎng)，所以要將網(wǎng)絡服務器的IP和端口映射到高速公路氣象信息管理系統(tǒng)。之后，終端就可以尋址到高速公路氣象信息管理系統(tǒng)進行雙向通信了。其特點是通信的速度非?？臁⑼ㄐ刨|(zhì)量非常穩(wěn)定，組網(wǎng)時可以利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡資源，建設系統(tǒng)的投資小，能夠適合實時性要求較高、安全性要求適中的應用場合。(3)鍵盤模塊該部分實現(xiàn)對越限報警的設定值。(4)顯示模塊該部分是顯示電路的設計，把傳輸過來的信號顯示出來。采用LCD顯示。(5)越限報警模塊當?shù)教鞖鉅顩r惡劣，滿足一定條件的時候，系統(tǒng)就會提示聲光報警。

硬件電路設計3.1單片機的選型及其外圍電路的設計AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

AT89S52具有以下標準功能：

8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。由于89S52本身的I/O不夠用，這里選用8255可編程并行I/O接口。8255是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，有3個8位并行I/O口。具有3個通道3種工作方式的可編程并行接口芯片（40引腳）。其各口功能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強。8255可作為單片機與多種外設連接時的中間接口電路。8255作為主機與外設的連接芯片，必須提供與主機相連的3個總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時必須具有與外設連接的接口A、B、C口。由于8255可編程，所以必須具有邏輯控制部分，因而8255內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為3個部分：與CPU連接部分、與外設連接部分、控制部分。本設計中選用89S52單片機，單片機需要供電、晶振電路與時鐘電路的共同作用，才能工作，本設計采用外部時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需的時鐘信號，外接晶振時，C1、C2值通常選擇30uF左右；C1、C2可穩(wěn)定頻率并對振蕩頻率有微調(diào)作用，振蕩頻率范圍是0到24MHz。為了減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定可靠地工作，諧振器和電容應盡可能安裝于單片機芯片靠近。復位電路采用手動上電復位電路，這種電路利用電容器充電來實現(xiàn)。當加電時，電容C3充電，電路有電流流過，構(gòu)成回路，在電阻上R上有壓降，RESET引腳為高電平；當電容C3充滿電后，電路相當于斷開，RESET電位與地相同，復位結(jié)束。89S52單片機與8255的接口電路比較簡單，如圖3.1所示，8255的片選信號及口地址選擇線A0、A1分別由89S52的T1、P0.0、P0.1經(jīng)地址鎖存提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分別為BFFCH、BFFEH、BFFFH。8255的D0~D7分別于89S52的P0.0~P0.7相連。8255的復位端與89S52的復位端相連，都接到89S52的復位電路上。另外89S52的、一一對應相連。這樣單片機與8255就實現(xiàn)了I/O的并行擴展了。圖3.1單片機及其外圍電路3.2A/D轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡稱ADC，通常是指一個將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為一個輸出的數(shù)字信號。由于數(shù)字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標準，比較常見的參考標準為最大的可轉(zhuǎn)換信號大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。這里選擇ADC0809，ADC0809是美國國家半導體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應用最廣泛的8位通用A/D芯片。1）8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。2）具有轉(zhuǎn)換起停控制端。3）轉(zhuǎn)換時間為100μs(時鐘為640kHz時)，130μs（時鐘為500kHz時）4）單個+5V電源供電5）模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點和滿刻度校準。6）工作溫度范圍為-40～+85攝氏度7）低功耗，約15mW本設計采用了ADC0809與89S52單片機的典型接口電路，由圖3.2可惜看出，其與單片機接口十分簡單。89S52單片機通過擴展接口PB0和讀寫信號來控制轉(zhuǎn)換器模擬輸入通道地址鎖存、啟動和輸出允許，ALE為地址鎖存控制信號。8個模擬輸入通道（IN0~IN7）的地址分別為7FF8H~7FFFH。圖3.2ADC0809與單片機接口電路圖3.3傳感器的選型3.3.1路面?zhèn)鞲衅鱅RS21是一款性能優(yōu)秀的智能路面?zhèn)鞲衅?，主要有路面溫度測量模塊、多頻監(jiān)測模塊、含鹽度和冰點測量模塊、水膜厚度測量模塊組成．它的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)緊湊、易于安裝；很少的維護；良好的抗化學腐蝕和物理破壞；容易更換；數(shù)據(jù)通過RS485數(shù)字輸出，可實現(xiàn)遠距離傳輸：低功耗，測量時間短，少于兩秒，測量結(jié)果受自熱的影響較??；IRS21智能路面路況傳感器可以與任何支持其通訊協(xié)議的智能終端相連，有良好的可移植性和通用性。檢測完畢后，輸出包括3個溫度值、鹽度和冰點值、路面狀態(tài)、水膜厚度，具有精度高、耐磨損和可靠性好、數(shù)字化輸出。IRS21中包含四個傳感器，分別是溫度傳感器、電導率傳感器、水膜厚度傳感器和多頻冰、水分辨?zhèn)鞲衅?。微控制器根?jù)各傳感器的檢測結(jié)果，分析計算后得出精確的路面信息。再通過RS484數(shù)字傳輸。在溶液電導率的檢測方法中，雙脈沖法精度最高，測量最為準確。IRS21在路面?zhèn)鞲衅髦?，采用了一種巧妙的電路結(jié)構(gòu)，在沒有使用雙脈沖發(fā)生器的情況下，使電極兩端得到了所需要的極性相反周期相同雙脈沖。IRS21的表面有一個凹槽，里面有兩個淺埋的電極，通過檢測凹槽中溶液的電導率完成對溶液濃度的檢測。通過對電極成分的檢測發(fā)現(xiàn)，電極上由100%的純金組成的。金具有良好的耐腐蝕性和導電能力，保證了IRS21在溶液濃度檢測時具有良好的可靠性和準確性。IRS21檢測水膜厚度的模塊是一個微波傳感器。微波傳感器是利用微波特性來檢測某些物理量的器件或裝置。由發(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到被測物體時將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過被測物體或由被測物體。采用文利用惠斯通電橋，簡單檢測了敏感電容分別在水和冰中，其電容值隨檢測頻率的變化趨勢。分別用100HZ、1KHZ和10KHZ三種檢測頻率。可以發(fā)現(xiàn)，電容表面的覆蓋物為冰時，隨檢測頻率的增大器電容值急劇減小，而覆蓋物為水時，電容值幾乎不變。敏感電容接觸不同物質(zhì)，它的介電常數(shù)和檢測頻率的變化關系各不相同，如果通過后繼的電路把電容的值轉(zhuǎn)化為相應的電壓值，結(jié)果單片機分析和處理，可把模擬值轉(zhuǎn)化為數(shù)字值，推斷出路面覆蓋物的類型。PT100是鉑熱電阻，它的阻值跟溫度的變化成正比。PT100的阻值與溫度變化關系為：當PT100溫度為0℃時它的阻值為100歐姆，在100℃時它的阻值約為138.5歐姆。它的工業(yè)原理：當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。主要技術參數(shù)：

工作環(huán)境：-40~70℃，0~100%RH

供電：9~14VDC，<200mA

數(shù)據(jù)接口：RS-485

路面溫度量程：-40~70℃

路面溫度精度：±0.2℃（-10~10℃），±0.5℃（-40~70℃）

路面溫度分辨率：-0.1℃

冰點量程：-20~0℃

冰點精度：±0.1℃

冰點分辨率：-0.1℃圖3.3IRS21路面?zhèn)鞲衅髋c單片機的接口電路3.3.2溫、濕度傳感器1.溫度其測溫元件是鉑電阻Pt100鉑電阻的阻溫關系線性度很高，在-259.34℃和0℃的范圍內(nèi)可以用下面公式表示：Rt=R0[1+At+Bt2+C（t-100）t3]在0℃~+630.74℃的范圍內(nèi)可以用下公式來表示：Rt=R0（1+At+Bt2）其中，Rt、R0分別代表在t℃和0℃時的電阻值，t為溫度；A、B、C為常量，對于工業(yè)鉑電阻，一般標準為：A=3.96874×10-3℃，B=-5.84×10-7℃-2，C=-4.22×10-12℃-4。因為鉑電阻具有阻值隨溫度改變的特性，因此我們在自動氣象儀的采集器是利用的是四線制恒流源供電方式。在該線性化很好的電路中由此種供電方式將傳感器電阻值的變化轉(zhuǎn)化為電壓值的變化從而達到對溫度進行測量的目的。本設計采用惠斯頓電橋，電橋的四個電阻中三個是恒定的，另一個用Pt100

熱電阻，當Pt100電阻值變化時，測試端產(chǎn)生一個電勢差，由此電勢差換算出溫度。測溫原理：電路采用TL431和電位器VR2調(diào)節(jié)產(chǎn)生4.096V的參考電源；采用RA1、RA2、VR1、Pt100構(gòu)成測量電橋（其中R1＝R2，VR1為100Ω精密電阻），當Pt100的電阻值和VR1的電阻值不相等時，電橋輸出一個mV級的壓差信號，這個壓差信號經(jīng)過運放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。差動放大電路中RB1＝RC1、

RB2＝RC2、放大倍數(shù)＝RB2/RB1，運放采用單一5V供電。

設計及調(diào)試注意點：1.

同幅度調(diào)整RA1和RA2的電阻值可以改變電橋輸出的壓差大??；

2.

改變RB2/RB1的比值即可改變電壓信號的放大倍數(shù)，以便滿足設計者對溫度范圍的要求

3.

放大電路必須接成負反饋方式，否則放大電路不能正常工作。

4.

VR1也可為電位器，調(diào)節(jié)電位器阻值大小可以改變溫度的零點設定，例如Pt100的零點溫度為0℃，即0℃時電阻為100Ω，當電位器阻值調(diào)至109.885Ω時，溫度的零點就被設定在了25℃。測量電位器的阻值時須在沒有接入電路時調(diào)節(jié)，這是因為接入電路后測量的電阻值發(fā)生了改變。

5.

理論上，運放輸出的電壓為輸入壓差信號×放大倍數(shù)，但實際在電路工作時測量輸出電壓與輸入壓差信號并非這樣的關系，壓差信號比理論值小很多，實際輸出信號為4.096*(RPt100/(RA1+RPt100)-RVR1A2/(RA1+RV1RA2))式中電阻值以電路工作時量取的為準。

6.

電橋的正電源必須接穩(wěn)定的參考基準，因為如果直接VCC的話，當網(wǎng)壓波動造成VCC發(fā)生波動時，運放輸出的信號也會發(fā)生改變，此時再到以VCC未發(fā)生波動時建立的溫度-電阻表中去查表求值時就不正確了，這可以根據(jù)式（1）進行計算得知。本次放大電路我選用的是LM324,其內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。

圖3.4溫度傳感器溫度參數(shù)：測量范圍：-40~+60℃輸出標定：3線連接電阻溫度感應元件：Pt1002.濕度芬蘭Vaisala公司生產(chǎn)的HMP45D型號的濕度傳感器。目前是全世界氣象部門氣象觀測網(wǎng)內(nèi)使用最普通的濕度傳感器，也是在我國是目前氣象部門地面氣象觀測網(wǎng)內(nèi)自動氣象站上統(tǒng)一使用相對濕度的傳感器。該傳感器的濕度傳感元件是電容式薄膜聚合物濕度傳感器是利用薄膜聚合物材料吸濕后介電特性發(fā)生變化的原理來測量相對濕度的。HMP45D濕度測量傳感器是用有機高分子膜做成的介質(zhì)的小型電容器，該電容的電介質(zhì)具有感濕特性，因此電容量也隨著電介常數(shù)的變化而產(chǎn)生變化。目前這種常用的濕敏電容的材質(zhì)通常有高分子薄膜和氧化鋁兩種類型。HMP45D這里所采用的是Humicap180高分子薄膜傳感器。感濕膜用醋酸纖維素，厚度極薄，約為0.5~1μm。表面金電極用真空蒸鍍法制成，厚度要求為0.02μm，能夠良好的滲透水分子?；鹉る姌O腐蝕法制成，電極材料是貴金屬與碳。當外界的相對濕度發(fā)生變化時，感濕膜的高分子聚合物能對水汽分子吸附時介電常數(shù)ε增加，濕敏電容量也增加，而當聚合物能對水汽分子釋放時其介電常數(shù)ε減小，濕敏電容量也隨之減小。即是說總電容量C應為空氣介質(zhì)電容C0與被測厚電介質(zhì)電容C1相串聯(lián)，即式中，S為電容器極板的有交面積，ε0為空氣的介電常數(shù)，εr為被測厚材料的相對介電常數(shù)，當水氣介電常數(shù)已知后，電容量公與被測厚度d成比例，因此可以測得電容大小，此傳感電容量的變化范圍為48~56pF。我們將傳感器的轉(zhuǎn)換電路把濕敏電容變化量轉(zhuǎn)換成電壓量變化，對應溫度0~100%的變化，使傳感器的輸出呈0~1V的線性變化，由此測得濕度。濕度參數(shù)：測量范圍：0.8％RH~100％RH輸出標度：0~100%RH等于0~1VDC濕度感應元件：HUMICAP180圖3.5HMP45濕度傳感器3.3.3能見度傳感器前向散射式能見度儀工作原理：其發(fā)射器以紅外LED作為光源，通過透鏡、經(jīng)脈沖調(diào)制后光源照射到采樣空間，采樣空間內(nèi)的氣溶膠粒子對光產(chǎn)生散射，散射量大小與氣溶膠粒子的尺寸、濃度相關，氣溶膠粒子的尺寸、濃度又與大氣能見度相關。散射光經(jīng)濾光片濾出、接收器探測到前向散射信號，并根據(jù)一定角度上的散射信號與總散射量的關系確定總散射系數(shù)，由CPU通過專門算法轉(zhuǎn)化為能見度值。HW-N1型能見度儀機械結(jié)構(gòu)主要包括：能見度傳感器、太陽能板、立桿、蓄電池等接收器光軸與發(fā)射器光軸相交的銳角θ為其工作角度。選擇工作角度原則是方向散射量較大、以保證測量信號足夠大、信噪比足夠高，同時，應避免發(fā)射器的輻射光束直接射入接收器。實踐證明，在向前方向30°-50°散射角域內(nèi)，具有更強散射光、且角散射系數(shù)與總散射系數(shù)的比例因子更加穩(wěn)定?；谏鲜鲈瓌t，系統(tǒng)選用35°工作角度。發(fā)射器光路系統(tǒng)由光源、透鏡組成。系統(tǒng)選用880nm紅外發(fā)光二極管作為光源，透鏡我們選取火石光學玻璃并將透鏡的表面加鍍增透薄膜。透鏡作用是將紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光束的發(fā)散角壓窄，使發(fā)射光束能量體積密度增加。加鍍增透薄膜可減少透射光能的發(fā)射損失，提高工作光譜帶的透過率。接收器光路系統(tǒng)由探測光電管、透鏡、濾光片組成。探測光電管作用是探測被發(fā)射器發(fā)射、大氣散射的部分紅外光脈沖，輸出與這部分紅外光脈沖成正比的模擬電源信號。系統(tǒng)選用離子著色選擇性吸收玻璃為濾光片。HW-N1型前向散射能見度儀硬件，包括發(fā)射單元、接收單元、采集控制單元等。HW-N1型前向散射能見度儀發(fā)射器由一個紅外LED、控制、光強度監(jiān)測器等組成。發(fā)射單元按固定頻率發(fā)射。一個反饋光敏二極管監(jiān)控發(fā)射光的強度，并用來反饋調(diào)整光強變化至預置值，其產(chǎn)生的能量信號送到采集控制器處理。其發(fā)射器原理。其接收器由光電傳感器、濾波放大器、交流放大器等組成，接收光敏二極管檢測從大氣氣溶膠散射的光脈沖。這個信號被經(jīng)同步解調(diào)器再經(jīng)過過濾、放大后得到了能見度信號，并將該信號送到采集控制器處理。其接收器原理。主要參數(shù)：技術指標

測量范圍：1～22000m

準確度：±1.5%(≤1000m)；±20%(＞1000m)

工作環(huán)境：溫度-45～+50℃濕度0-100%

前向散射測量角：33°輸出信號：模擬信號0~5V圖3.6能見度傳感器3.3.4風速風向傳感器現(xiàn)設計定型的傳感器型號為ZQZ—TF風向風速傳感器。風杯式風速傳感器工作原理是：風速傳感器的感應元件為三杯式回轉(zhuǎn)架，信號變換電路為霍爾開關電路。在水平風力作用下，風杯組旋轉(zhuǎn)，通過主軸帶動磁棒盤旋轉(zhuǎn)，其上的36只磁體形成18個小磁場，風杯組每旋轉(zhuǎn)1圈，在霍爾開關電路中感應出18個脈沖信號，其頻率隨風速的增大而線性增加。其校準方程為：V=011F(V：風速,單位:m/s；F：脈沖頻率，單位：Hz)。風向傳感器的感應元件為風向標組件。角度變換為格雷碼盤加光電電路。當風向標組件隨風向旋轉(zhuǎn)時，帶動主軸及碼盤一同旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)動2.18125°，位于光電器件支架上下兩邊的7位光電變換電路就輸出1組新的7位并行格雷碼，經(jīng)整形電路整形并反相后輸出。傳感器具有動態(tài)特性好、線性好、精度高、靈敏度高、抗風強度高(≤70m/s)、測量范圍寬(0～60m/s)、互換性好、工作可靠、抗雷電干擾能力強等多種優(yōu)良性能。風杯由特種工程塑料注塑成型，風向標尾翼板用質(zhì)量輕、強度高、剛性好且在高溫高壓條件下成型的非金屬材料制造。具有重量輕,強度好、抗風能力強等特點。主要參數(shù)數(shù)據(jù)：測量范圍：0——70M/S工作環(huán)境溫度：-40℃～50℃；濕度≤100％RH輸出信號：脈沖信號；0-2.5VDC、0-5VDC圖3.7風速風向傳感器實物圖圖3.8風速、風向儀接口圖3.4通訊模塊的設計GPRS是通用分組無線業(yè)務(GeneralPacketRadioService)的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS采用與GSM同樣的無線調(diào)制標準、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結(jié)構(gòu)、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的TDMA幀結(jié)構(gòu)，這種新的分組數(shù)據(jù)信道與當前的電路交換的話音業(yè)務信道極其相似。因此，現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)(BSS)從一開始就可提供全面的GPRS覆蓋。GPRS允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡資源。從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。GPRS理論帶寬可達171.2Kbit/s，實際應用帶寬大約在40~100Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于INTERNET連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢谩PRS是一種新的移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務，在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP或X.25服務。GPRS采用分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，資源被有效的利用，數(shù)據(jù)傳輸速率高達160Kbps。使用GPRS技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，用戶永遠在線且按流量計費，迅速降低了服務成本。

深圳市宏電技術開發(fā)有限公司開發(fā)的H7000無線DDN系統(tǒng)為用戶提供高速、永遠在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶摂M專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡。主要針對電力系統(tǒng)自動化、工業(yè)監(jiān)控、交通管理、金融、證券等部門的應用，利用GPRS網(wǎng)絡平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的透明傳輸，同時考慮到各應用部門組網(wǎng)方面的需要，在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng)。

H7100GPRSDTU特點

1)透明數(shù)據(jù)傳輸：H7118GPRSDTU直接提供RS-232/422/485接口，為用戶的數(shù)據(jù)設備提供透明傳輸通道。

2)無需后臺計算機支持：普通GPRSModem通常需要附著在PC機上虛擬撥號上網(wǎng)，利用PC機的資源進行數(shù)據(jù)收發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換，H7118GPRSDTU內(nèi)置自動網(wǎng)絡連接和協(xié)議處理模塊，無需后臺計算機支持。

3)點對點、點對多點、對等、實時數(shù)據(jù)傳輸：H7118GPRSDTU可以實現(xiàn)點～點、點～多點、中心～多點的對等數(shù)據(jù)傳輸，傳輸時延一般小于1秒。

4)永遠在線：H7118GPRSDTU一開機就能自動附著到GPRS網(wǎng)絡上，并與您的數(shù)據(jù)中心建立通信鏈路，隨時收發(fā)用戶數(shù)據(jù)設備的數(shù)據(jù)。

5)按流量計費：H7118GPRSDTU一直在線，按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費用，沒有數(shù)據(jù)流量的傳遞時，不收費用。

6)高速傳輸：GPRS網(wǎng)絡的傳輸速度最快將達到160Kbps，速率的高低取決于移動運營商的網(wǎng)絡設置，根據(jù)中國移動的網(wǎng)絡情況，目前可提供20~40Kbps的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。

7)組網(wǎng)簡單、迅速、靈活：H7000移動數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可以不依賴于運營商交換中心的數(shù)據(jù)接口設備，通過Internet網(wǎng)絡隨時隨地的構(gòu)建覆蓋全中國的虛擬移動數(shù)據(jù)通信專用網(wǎng)絡。

系統(tǒng)中采用GPRS網(wǎng)絡進氣象信息的遠程傳輸，所以選用的就是深圳宏電公司的模塊H7118GPRS模塊。用GPRS網(wǎng)絡平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的透明傳輸，時考慮到各應用部門組網(wǎng)方面的需要,在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng)。H7118GPRSDTU：TL電平及RS232/422/485接口、性能，適用于使用環(huán)境惡劣的各種工業(yè)監(jiān)控、交通管理、氣象等應用。H7118GPRSDTU技術指標：GPRS數(shù)據(jù)：PRSclass2一10；編碼方案：Sl一CS4；符合SMG31bis技術規(guī)范。接口：天線接口50Ω/MMCX陰頭SIM卡3V；串行數(shù)據(jù)接口；H7118D標準TTL電平；H7118C標準RS232D/CE；H711852兼容RS422和RS485；串行數(shù)據(jù)速率：10一115，200bit/s；配置接口：TTL電平接口及RS232/422/48；話音接口耳機和麥克風；告警輸出接口電平輸出；數(shù)據(jù)接口類型：20Pin2.0DIP/BxoHeader。供電：電壓+7.5一+26vDCOH7118的引腳的介紹1、+7.5~26VDC電源供電正極平均工作電流450mA2、+7.5~26VDC電源供電正極平均工作電流450mA3、保留4、保留5、GND地線6、GND地線7、RTS(RS485-/B)、RS422RX-請求發(fā)送RS485接口中為RS485-/B；RS422模式下RX-8、DTR(RS485+/A)、RS422RX+數(shù)據(jù)終端準備好RS485接口中為RS485+/A；RS422模式下RX+9、RING、RS422TX+拔號信號RS422模式下TX+10、Tx、RS422TX-發(fā)送的數(shù)據(jù)RS422模式下TX-11、DSR數(shù)據(jù)設備準備好12、CD載波信號檢測13、Rx接收到的數(shù)據(jù)14、CTS數(shù)據(jù)設備準備好接收數(shù)據(jù)15、PWCON-電源控制信號系統(tǒng)外部電源控制信號：ON：+2.4V～+5.5VOFF：0～0.6V16、(V3.0及V3.0以下硬件版本的產(chǎn)品)POWERON電源開關信號NC/高(3~26V)：電源默認為開，通過47K(1/8W)電阻與P1、P2(電源供電正極)聯(lián)接。L/低：接地(GND)，電源關。(V5.X硬件版本的產(chǎn)品)PWCON+電源控制信號系統(tǒng)外部電源控制信號：ON：0～0.6VOFF：+2.4V～+5.5V17、MIC-GND麥克風接地V5.X硬件版本的產(chǎn)品支持18、GND接地19、MIC+麥克風正極20、SPK+耳機正極單片機的TXD接到GPRS的13腳RXD端；RXD接到GPRS的10腳TXD端；PB4和GPRS的7腳RTS端相連；PB3和GPRS的15腳RES端相連；PB2和GPRS的14腳CTS端相連。PB1和GPRS的16腳電源控制端相連。每分鐘通過PB4發(fā)出請求發(fā)送的信號，然后檢測PB2腳，判斷GPRS模塊是否準備好,如果準備好，說明模塊和數(shù)據(jù)中心都沒有問題。如果模塊沒有準備好,通過軟件判斷是否超過三次，再檢測然后檢測PB2腳,判斷是否正常,否則模塊可能工作不正常,可以通過PB3口復位GPRS模塊，使模塊重新啟動進入工作狀態(tài)。再次判斷三次是否正常，否則認為數(shù)據(jù)中心有問題，關掉GPRS模塊的電源6小時。然后再打開電源，重復上述過程。在GPRS模塊故障其間漏掉的數(shù)據(jù),可以在網(wǎng)絡正常時,通過數(shù)據(jù)中心向自動站索要丟失的數(shù)據(jù)。這比只用TXD、RXD、地三根信號線通訊要可靠的多。圖3.9H7118的實物圖和與單片機的連線圖3.5人機接口部分的設計3.5.1按鍵電路的設計按鍵電路分兩種，一種是獨立式按鍵，一種是矩陣式按鍵。矩陣式按鍵適合于按鍵數(shù)量較多的場合。所以這里選用獨立式按鍵。獨立式按鍵是指直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵單獨占用一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他I/O口線的工作狀態(tài)。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時，I/O口線浪費較大。故在按鍵較少時，常用這種按鍵電路。本設計中采用四個按鍵S1、S2、S3、S4。S1是加按鈕，S2是減按鈕，S3是變換按鈕，S4是確定按鈕。四個按鍵分別接到單片機的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口，當有按鍵按下的時候，相應的I/O口會產(chǎn)生一個低電平，單片機識別以后會調(diào)用其相應按鍵的子程序，來實現(xiàn)按鍵的作用。圖3.10按鍵電路3.5.2顯示電路的設計顯示電路是選擇LCD12232液晶顯示屏，因為由于液晶顯示器顯示質(zhì)量高，每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。而且液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。液晶顯示器通過LCD顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它LED顯示器要少得多。由于本設計需要對測量的溫度、濕度、風速、風向、能見度、路面的結(jié)冰狀況的監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行顯示，所以選用了兩塊LCD12232的顯示液晶屏對以上數(shù)據(jù)進行顯示。一片LCD12232能顯示兩行，每行8個字，并且可以顯示數(shù)字、漢字、字母，LED+：背光源正極，接+5V；LED-：背光源負極，接地；V0：液晶顯示偏壓信號，通過電位器R2調(diào)節(jié)；RS：決定傳輸類型是數(shù)據(jù)或命令，1表示傳送的是數(shù)據(jù)，0表示傳送的令；R/W：讀/寫控制，1表示讀，0表示寫；E：使能端；DB0~DB7：數(shù)據(jù)端口；圖3.11LCD顯示電路3.5.3報警電路的設計系統(tǒng)的主報警電路由一個自我震蕩型蜂鳴器和一個三極管組成，P2.7口輸出低電平，蜂鳴器蜂鳴，報警電路開始工作。晶體管的基極加上一只限流電阻，防止晶體管因輸入電流過大而損壞。當P2.7為高電平的時候，LM9011三極管導通，\o"蜂鳴器價格詳情"LAl6一B蜂鳴器實現(xiàn)報警工作。圖3.12報警電路圖

軟件設計4.1主流程圖主程序流程圖如圖4.1所示，通過軟件設計系統(tǒng)的主程序的框架，控制著單片機系統(tǒng)按預定操作方式運轉(zhuǎn)。監(jiān)控程序的主要作用是能及時的響應來自系統(tǒng)內(nèi)部的各種服務請求，有效地管理系統(tǒng)自身軟硬件及人機對話設備與系統(tǒng)中其它設備交換信息，并在系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障時，及時作出相應處理。開始開始初始化顯示電路子程序按鍵電路子程序報警電路子程序A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)束下次采集判斷是否超出設定路面?zhèn)鞲衅黠L速風向傳感器GPRS無線通訊模塊NY標度變換有按鍵按下NY該通道是否采集下一路模擬通道發(fā)送通道地址YN圖4.1主程序流程圖4.2子程序流程圖4.2.1顯示流程圖顯示程序是用來實時顯示所測質(zhì)量的值，該部分程序是將顯緩單元數(shù)據(jù)進行實時顯示，采用的是LCD12232液晶顯示屏既可以顯示漢字，又可以顯示字母，兩片顯示屏，可以把所有數(shù)據(jù)顯示出來，其流程圖如4.2所示。開始開始初始化1602延時設置第一行顯示位置設置第二行顯示位置返回是否顯示完顯示第二行內(nèi)容循環(huán)顯示YN顯示第一行內(nèi)容圖4.2顯示程序流程圖4.2.2按鍵流程圖按鍵程序是個人機交互的過程，為用戶提供設定初始值的。按鍵有獨立式和矩陣式，由于按鍵較少，所以這里我們選用獨立式按鍵。如圖4.3所示。開始開始按鍵按下按鍵1按鍵3按鍵4按鍵2NY保持原來的狀態(tài)返回返回返回返回返回P2.0=0P2.1=0P2.2=0P2.3=0鍵盤掃描加指令減指令變換指令確定指令圖4.3按鍵程序流程圖4.2.3GPRS通訊流程圖GPRS無線通訊程序是為了把所測量的所有的數(shù)據(jù)與上位機進行通訊。首先初始化GPRS通訊模塊，然后再判斷單片機的I/O是否檢測到數(shù)據(jù)，當檢測到單片機的I/O有數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，就把所有的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊H7118，以無線的方式發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上，上位機就可以通過互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)與現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)即時通訊。開始開始H7118GPRS模塊初始化單片機測量口是否有數(shù)據(jù)串口收到GPRS數(shù)據(jù)NNYY將數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送出去數(shù)據(jù)發(fā)送是否完畢NY單片機處理數(shù)據(jù)圖4.4GPRS無線通訊流程圖4.2.4報警流程圖與ADC0809啟動流程圖當所測得的數(shù)據(jù)超出設定值的時候，需要進行報警提醒，這就是報警程序所起的作用。當超出超出設定值的時候，P2.7輸出高電平。電路開始工作。數(shù)據(jù)采集由ADC0809芯片來完成，主要分為啟動、讀取數(shù)據(jù)、延時等待轉(zhuǎn)換結(jié)束、讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果、存入指定內(nèi)存單元、繼續(xù)轉(zhuǎn)換幾個步驟。ADC0804初始化后，就具有了將某一道輸入0到5V模擬量信號轉(zhuǎn)換成對應的數(shù)字量00H到FFH，然后再存入89S52內(nèi)部RAM的指定單元中，其轉(zhuǎn)換方式可以采用程序查詢方式，延時等待方式和中斷方式三種。本設計采用延時等待方式，如圖4.5所示。開始開始初始化P2.7高電平報警電路工作返回開始初始化啟動ADC0809開始轉(zhuǎn)換延時轉(zhuǎn)換結(jié)束返回比設定值大NY圖4.5報警程序流程圖與ADC0809流程圖

通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)的功能及實現(xiàn)5.1GPRS模塊的設置由于每個GPRS終端的SIM卡號是唯一的號碼,所以數(shù)據(jù)中心可根據(jù)SMI卡號確定監(jiān)測地點的氣象數(shù)據(jù)。GPRSDTU內(nèi)置自動網(wǎng)絡連接和協(xié)議處理模塊，無需后臺計算機支持。GPRSDTU一開機就能自動附著到GPRS網(wǎng)絡上，并與數(shù)據(jù)中心建立通信鏈路，隨時收發(fā)用戶數(shù)據(jù)設備的數(shù)據(jù)。在使用自動氣象站之前。要對GPRS數(shù)據(jù)終端在使用前必須進行設定，以便迅速建立用戶專業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)進行正確的設置，只有正確地進行了設置，才能使采集器準確可靠地向數(shù)據(jù)中心發(fā)送各種氣象數(shù)據(jù)。必須設定的初始參數(shù)有：通信接口參數(shù)；數(shù)據(jù)服務中心的地址或注冊服務器的地址；DTU網(wǎng)絡識別DI；TDU在線工作模式。H7118GRPS無線DDN數(shù)據(jù)終端屬智能性數(shù)據(jù)通信終端,安裝設置完成后，接入用戶數(shù)據(jù)源即可使用，正常運行時無需用戶介入，為用戶構(gòu)建全透明傳輸、永遠在線的數(shù)字數(shù)據(jù)專用網(wǎng)絡。5.2數(shù)據(jù)中心的實現(xiàn)簡介數(shù)據(jù)中心工作站是自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)的控制中心。它主要有三臺主機構(gòu)成:主服務器，無線數(shù)據(jù)接收處理服務器和WEB服務器，如圖5.1：基于GPRS的多要素自動氣象站第五章網(wǎng)絡系統(tǒng)的功能及實現(xiàn)圖5.1數(shù)據(jù)中心站構(gòu)成示意主服務器安裝Wlndwos7操作系統(tǒng)，并安裝了SQLSevrer2000數(shù)據(jù)庫管理軟件。所有來自終端自動氣象站的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡首先進入具有固定的PI地址的主服務器。但是考慮到服務器的穩(wěn)定運行問題通常不允許在服務器上安裝其他應用軟件，為了降低主服務器的負荷，系統(tǒng)中需要另外增加兩臺服務器來分擔主服務器的數(shù)據(jù)處理任務。這三臺服務器共同構(gòu)成數(shù)據(jù)中心工作站(DSC)。雖然數(shù)據(jù)中心站有多臺服務器，但它對外部公網(wǎng)只提供一個PI地址，因此在架設過程中采用了一種網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換(NAT)技術。NAT端口映射功能將一臺主機的假PI地址映射成一個真PI地址，當用戶訪問提供映射端口主機的某個端口時，服務器將請求轉(zhuǎn)到內(nèi)部提供這種特定服務的主機?？梢宰寖?nèi)部網(wǎng)絡中某臺機器對外部提供WWW服務，而不是將真PI地址直接轉(zhuǎn)到內(nèi)部提供WWW服務的主機。兩臺處理服務器對外具有不同的PI端口，來自無線自動氣象站的信息通過主服務器的端口映射由無線數(shù)據(jù)接收處理服務器接收，然后再送回到主服務器保存在SQLSever數(shù)據(jù)庫；WWW服務器則從主服務器上調(diào)用SQL數(shù)據(jù)庫，將氣象信息在WBE頁上實現(xiàn)動態(tài)更新顯示，以供外部用戶通過hietmet訪問。

總結(jié)本文在完成了高速公路自動監(jiān)測系統(tǒng)的設計。設計的基礎上。本文介紹了高速公路自動監(jiān)測系統(tǒng)的自動化和網(wǎng)絡化的意義及GPRS通訊的優(yōu)點，分析了自動監(jiān)測系統(tǒng)的的設計要求后，主要討論了下面幾個主要問題：1.完成了各氣象要素的信號采集傳感器的選用和性能的分析，根據(jù)氣象部門的要求，選擇了合適的傳感器，分析了各傳感器的對外接口和性能，為我們的電路和處理軟件設計提供了設計依據(jù)。2.完成了系統(tǒng)硬件電路設計與傳感器的接口，并設計了接口處理電路。同時對濕度、風向、風速、溫度信號設計了調(diào)理電路。3.GPRS通訊技術相對其它方式的優(yōu)點，分析了接口參數(shù)和技術要求，設計了可靠的通信接口電路，使氣象數(shù)據(jù)可以可靠地通過GPRS通訊網(wǎng)絡傳給數(shù)據(jù)中心。該自動站經(jīng)過調(diào)試后表明系統(tǒng)工作正常，GPRS通訊實時可靠，技術指標達到設計的要求。GPRS通訊技術相對其它方式的優(yōu)點，結(jié)合具體的GPRS模塊H7118分析了接口參數(shù)和技術要求，設計了可靠的通信接口電路。使氣象數(shù)據(jù)可以可靠地通過GPRS通訊網(wǎng)絡傳給數(shù)據(jù)中心

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致謝非常感謝老師在我大學的最后學習階段——畢業(yè)設計階段給自己的指導，從最初的定題，到資料收集，到寫作、修改，到論文定稿，她們給了我耐心的指導和無私的幫助。為了指導我們的畢業(yè)論文，她們放棄了自己的休息時間，她們的這種無私奉獻的敬業(yè)精神令人欽佩，在此我向她們表示我誠摯的謝意。同時，感謝所有任課老師和所有同學在這四年來給自己的指導和幫助，是他們教會了我專業(yè)知識，教會了我如何學習，教會了我如何做人。正是由于他們，我才能在各方面取得顯著的進步，在此向他們表示我由衷的謝意，并祝所有的老師培養(yǎng)出越來越多的優(yōu)秀人才，桃李滿天下！

附錄II#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitADC_START=PB^0;sbitADC_ALE=P3^3;sbitADC_OE=P3^2;sbitADC_EOC=P3^1;sbitD0=PA^0;sbitD1=PA^1;sbitD2=PA^2;sbitD3=PA^3;sbitD4=PA^4;sbitD5=PA^5;sbitD6=PA^6;sbitD7=PA^7;ucharad_dat;/*函數(shù)名：delayus(i)功能：延時t=(12*i+14)us參數(shù)：i返回值：無備注:晶振12MHz*//*voiddelayus(i){for(i;i>0;i--);}*//*dac0809初始化*/voidinit0809(){ADC_START=0;ADC_OE