小型氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

電子信息學(xué)院課程設(shè)計(jì)課程名：《信號(hào)監(jiān)測(cè)與處理》題目：小型氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)類別：【設(shè)計(jì)】班級(jí)：BX0904學(xué)號(hào)：姓名：評(píng)語(yǔ)：評(píng)語(yǔ)：學(xué)習(xí)態(tài)度：【很好】【一般】【較差】程序編寫：【完整】【局部完整】【不完整】得出結(jié)論：【正確】【局部正確】【不正確】報(bào)告書寫：【標(biāo)準(zhǔn)】【一般】【不標(biāo)準(zhǔn)】成績(jī)：指導(dǎo)教師：完成時(shí)間：2012年6月8日批閱時(shí)間：年月日1．設(shè)計(jì)任務(wù)和要求現(xiàn)通過傳感器設(shè)計(jì)一款既能測(cè)量溫濕度也可同時(shí)測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的設(shè)備，可效勞于生產(chǎn)、生活的眾多領(lǐng)域。2．設(shè)計(jì)應(yīng)用背景現(xiàn)在社會(huì)高度興旺，氣象狀況變化萬(wàn)千，氣象監(jiān)測(cè)和災(zāi)害預(yù)警工程對(duì)于保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)開展和人民生產(chǎn)生活有重要意義，氣候狀況對(duì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響也越累越顯著，人們需要實(shí)時(shí)了解當(dāng)前的氣象狀況。風(fēng)速、風(fēng)向以及溫度濕度測(cè)量是氣象監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。該氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過各類風(fēng)速風(fēng)向溫度濕度傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行匯總分析，并傳輸?shù)浇K端平臺(tái)。可以到達(dá)無(wú)人監(jiān)管，數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸，更加省時(shí)省力方便快捷。3．難點(diǎn)分析難點(diǎn)：1.該系統(tǒng)如果采用有線傳輸，并且測(cè)量較遠(yuǎn)的氣象環(huán)境時(shí)，會(huì)需要較多線纜才能檢測(cè)到數(shù)據(jù)。如果采用無(wú)線傳輸那么會(huì)隨著測(cè)量距離的原理數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)更大誤差。解決方案：1.測(cè)量近距離的氣象情況，或者通過GPRS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離高精度傳輸。4．實(shí)施方案4.1原理分析與實(shí)施方法方案一：風(fēng)速風(fēng)向傳感器結(jié)構(gòu)圖如下列圖4-1。圖4-1風(fēng)速風(fēng)向傳感器結(jié)構(gòu)圖風(fēng)速風(fēng)向儀原理：風(fēng)向、風(fēng)速儀用于測(cè)量瞬時(shí)風(fēng)速風(fēng)向，具有自動(dòng)顯示功能。主要由支桿，風(fēng)標(biāo)，風(fēng)杯，風(fēng)速風(fēng)向感應(yīng)器組成，風(fēng)標(biāo)的指向即為來(lái)風(fēng)方向，根據(jù)風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算出風(fēng)速。內(nèi)置或外接各種進(jìn)口原裝傳感器，采用微功耗單片機(jī)對(duì)外部數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并將采集的數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)不易失存儲(chǔ)器內(nèi)。風(fēng)向風(fēng)速儀由微處理器和高動(dòng)態(tài)特性的測(cè)風(fēng)傳感器組成。風(fēng)向、風(fēng)速傳感器為機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)式傳感器,感應(yīng)距地面11m處的空氣流動(dòng),對(duì)空氣流動(dòng)速度及方向進(jìn)行檢測(cè)及光電轉(zhuǎn)換,并進(jìn)行數(shù)字量化、時(shí)間平均、存儲(chǔ)等處理,再通過系統(tǒng)的通信設(shè)備及路由傳輸至室內(nèi)氣象觀測(cè)工作站。室內(nèi)數(shù)據(jù)處理工作站(DPU)計(jì)算并作出一個(gè)2分鐘平均風(fēng)速風(fēng)向報(bào)告,依據(jù)傳感器5秒的風(fēng)數(shù)據(jù),產(chǎn)生陣風(fēng)和不定風(fēng)向的報(bào)告,并對(duì)應(yīng)于跑道方向及側(cè)垂方向進(jìn)行矢量風(fēng)的分解。風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)圖風(fēng)速傳感器原理風(fēng)速與脈沖頻率的轉(zhuǎn)換公式為:V(m/s)=011f(Hz)即每10個(gè)脈沖為1m/s的風(fēng)速量。風(fēng)速傳感器主要指標(biāo)為:電源為DC12V,啟動(dòng)風(fēng)速<015m/s,使用環(huán)境-40度～+50度(0～100%RH)風(fēng)速傳感器的感應(yīng)元件是三杯風(fēng)組件，由三個(gè)碳纖維風(fēng)杯和杯架組成。轉(zhuǎn)換器為多齒轉(zhuǎn)杯和狹縫光耦。當(dāng)風(fēng)杯受水平風(fēng)力作用而旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過活軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光耦中的轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出頻率的信號(hào)。風(fēng)向傳感器結(jié)構(gòu)圖風(fēng)向傳感器工作原理風(fēng)向傳感器主要依據(jù)風(fēng)標(biāo)方位及其產(chǎn)生的格雷碼對(duì)照進(jìn)行檢測(cè)。6位格雷碼有64個(gè)方位,檢測(cè)時(shí)選擇典型方位(如0°、90°、180°、270°)所對(duì)應(yīng)的格雷碼判斷檢測(cè)。由格雷碼制對(duì)應(yīng)表可知,四個(gè)典型方位與其格雷碼對(duì)應(yīng)關(guān)系為:0°(360°)00000090°110000180°101000270°011000風(fēng)向傳感器的變換器采用精密導(dǎo)電塑料電位器，當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化，尾翼轉(zhuǎn)動(dòng)通過軸桿帶動(dòng)電位器軸芯轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在電位器的活動(dòng)端產(chǎn)生變化的電阻信號(hào)輸出。風(fēng)向傳感器的變換器為碼盤和光電組件。當(dāng)風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向變化而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過軸帶動(dòng)碼盤在光電組件縫隙中的轉(zhuǎn)動(dòng)。產(chǎn)生的光電信號(hào)對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)風(fēng)向的格雷碼輸出。溫濕度工作原理：溫濕度測(cè)量是采用AM2301數(shù)字溫濕度傳感器，這是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件(AM2303采用DS18B20測(cè)溫度)，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。每個(gè)傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最正確選那么。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。AM2303數(shù)字式溫濕度傳感器輸出數(shù)據(jù)格式：

DATA＝濕度數(shù)據(jù)高位＋濕度數(shù)據(jù)地位＋溫度數(shù)據(jù)高位＋溫度數(shù)據(jù)低位＋校驗(yàn)和

測(cè)溫度原理圖圖4-2DS18B20工作原理框圖DS18B20工作原理：DS18B20的讀寫時(shí)序和測(cè)溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s減為750ms。DS18B20測(cè)溫原理如圖2-6-1所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度存放器被預(yù)置在－55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度存放器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度存放器值的累加，此時(shí)溫度存放器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖3中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。濕敏元件：濕度變化電容變化電壓變化輸出電量收集數(shù)據(jù)HS1101在電路中相當(dāng)于一個(gè)電容器件，它的電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增加而增大，為了能將電容的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，我們?cè)O(shè)計(jì)了振蕩電路、消除零點(diǎn)電容影響電路、整流路、積分電路、電壓—電流轉(zhuǎn)換電路、放大電路等工作原理圖濕度檢測(cè)振蕩電路圖振蕩電路的作用是將電容的變化量轉(zhuǎn)化為頻率可變的方波?；蚍情TG1工作在電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)，把它的輸出電壓直接連接到或非門G2的輸入端。G2即可得到一個(gè)介于上下電平之間的靜態(tài)偏置電壓，從而使G2的靜態(tài)工作點(diǎn)也處于電壓傳輸特性轉(zhuǎn)折區(qū)上。反應(yīng)環(huán)路中電容使電路在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間往復(fù)振蕩。由于電容充放電的時(shí)間T為2.2RC，所以輸出的方波頻率f1/2.2RC，可見輸出頻率和電容值成反比。通過這個(gè)電路使?jié)穸刃盘?hào)變?yōu)殡娙葜担詈笞優(yōu)轭l率信號(hào)輸出。線性輸出信號(hào)調(diào)整電路濕度的脈沖信號(hào)再經(jīng)過后面的二極管整流、RC積分電路，得到隨溫度變化的電壓。由于信號(hào)比擬微弱，再經(jīng)過一個(gè)同向比例放大器把信號(hào)放大，最終把信號(hào)調(diào)理為0～3Ｖ的輸出。方案二：溫度傳感器：DHT11是廣州奧松生產(chǎn)的一款濕溫度一體化的數(shù)字傳感器。該傳感器包括一個(gè)電阻式測(cè)濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。通過單片機(jī)等微處理器簡(jiǎn)單的電路連接就能夠?qū)崟r(shí)的采集本地濕度和溫度。DHT11與單片機(jī)之間能采用簡(jiǎn)單的單總線進(jìn)行通信，僅僅需要一個(gè)I/O口。傳感器內(nèi)部濕度和溫度數(shù)據(jù)40Bit的數(shù)據(jù)一次性傳給單片機(jī)，數(shù)據(jù)采用校驗(yàn)和方式進(jìn)行校驗(yàn)，有效的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。DHT11功耗很低，5V電源電壓下，工作平均最大電流0.5mA。性能指標(biāo)和特性如下：工作電壓范圍：3.5V-5.5V工作電流：平均0.5mA濕度測(cè)量范圍：20－90％RH溫度測(cè)量范圍：0－50濕度分辨率：1％RH8位溫度分辨率：1℃8采樣周期：1S單總線結(jié)構(gòu)與TTL兼容〔5V〕Vcc正電源DHT11封裝結(jié)構(gòu)Dout輸出NC空腳GND地工作原理圖管腳分配圖兩個(gè)方案都是將傳輸出來(lái)的數(shù)據(jù)匯總到單片上進(jìn)行處理，通過單片機(jī)傳輸?shù)浇K端系統(tǒng)上。4.2兩套方案的選擇與比擬選擇方案一，具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高。溫濕度測(cè)量?jī)x單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最正確選那么。風(fēng)速風(fēng)向儀由風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器組成。1、風(fēng)向局部：由風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)向度盤〔磁羅盤〕等組成，風(fēng)向示值由風(fēng)向指針在風(fēng)向度盤上的位置來(lái)確定。2、風(fēng)速局部：采用傳統(tǒng)的三環(huán)旋轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)，儀器內(nèi)的單片機(jī)對(duì)風(fēng)速傳感器的輸出頻率進(jìn)行采樣、計(jì)算，最后儀器輸出瞬時(shí)風(fēng)速、一分鐘平均風(fēng)速、瞬時(shí)風(fēng)級(jí)、一分鐘平均風(fēng)級(jí)、平均風(fēng)速及對(duì)應(yīng)的浪高。4.3涉及最終擬采用的方案最終選擇方案一，作為本次研究方案。傳感器選擇風(fēng)速風(fēng)向傳感器：光電傳感器：由光通量對(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學(xué)測(cè)控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換風(fēng)速傳感器WAA—15是一種高響應(yīng)、低門限、三風(fēng)杯的光電型風(fēng)速計(jì),轉(zhuǎn)換器由裝接于風(fēng)速計(jì)轉(zhuǎn)軸上的齒盤組成,齒盤安置于光電耦合器的發(fā)光管與光電三極管之間并能隨軸轉(zhuǎn)動(dòng),光電耦合器裝于印制電路板上。轉(zhuǎn)盤有多個(gè)齒度,當(dāng)齒盤隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),發(fā)光管LED發(fā)射的光束被齒盤上的齒度切割,光電三極管即產(chǎn)生脈沖輸出。每個(gè)齒遮住光束時(shí)表現(xiàn)為低電平(即0態(tài)),軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,屢次切割光束而輸出一高一低的脈沖信號(hào)。因此VASALA(WAA-15)和國(guó)內(nèi)仿制的風(fēng)速傳感器,均輸出頻率與風(fēng)速成正比的信號(hào)。傳感器使用DC12V電源,風(fēng)速信號(hào)為時(shí)間軸上的12V脈沖頻率信號(hào)。風(fēng)向傳感器也是光電型傳感器,由單風(fēng)標(biāo)、格雷碼盤、光電組件組成,紅外LED和光電三極管分別安裝于6位格雷碼盤上下兩側(cè)的6個(gè)窩型孔內(nèi)。當(dāng)風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向變化而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過其軸帶動(dòng)軸下端固定著的格雷碼盤,在光電組件的狹縫中轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生的光電信號(hào)經(jīng)放大整形后,輸出對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)風(fēng)向的幅度為12V的六位格雷碼(每位格雷碼只有電平上下的區(qū)別,習(xí)慣上高電平為1,低電平為0),轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)風(fēng)向信號(hào)以516度的分辨率為步進(jìn)變化。測(cè)量范圍為0～360°,64個(gè)方位。測(cè)量溫濕度傳感器：AM2301數(shù)字溫濕度傳感器：傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。傳感器參數(shù)：采樣周期:次大于2秒信號(hào)輸出:單總線數(shù)字信號(hào)感測(cè)元件:濕敏電容工作范圍:濕度0-100%RH;溫度-40~80℃精度:濕度精度+-2%RH(Max+-5%RH);溫度精度+-0.5℃分辨率:濕度0.1%RH;溫度0.1℃重復(fù)性:濕度+-0.5%RH;溫度+-0.2℃遲滯:+-0.3RH%穩(wěn)定性:+-0.5%RH/年互換性:可完全互換響應(yīng)時(shí)間：6S規(guī)格:14*18*5.5mm測(cè)量范圍：風(fēng)速：0～60m/s風(fēng)向：0～360°測(cè)量精度：風(fēng)速：±0.4+(0.05x實(shí)際風(fēng)速)m/s風(fēng)向：±1°測(cè)量分辨率:風(fēng)速：0.2m/s風(fēng)向：1o啟動(dòng)風(fēng)速:≤0.5m/s輸入電壓:DC18V～DC24V輸出信號(hào)：雙路4～20mA傳輸距離:300米優(yōu)缺點(diǎn)分析及本錢優(yōu)點(diǎn)：風(fēng)速風(fēng)向儀的特性：1.數(shù)據(jù)記錄儀全程跟蹤記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、記錄時(shí)間長(zhǎng)。2.記錄風(fēng)速風(fēng)向的參數(shù)的變化，可以隨時(shí)記錄數(shù)據(jù)。3.記錄時(shí)間間隔可以在記錄儀應(yīng)用軟件上進(jìn)行設(shè)置，2秒至24小時(shí)任意可調(diào)，風(fēng)速風(fēng)向的變化隨著時(shí)間的變化而變化，監(jiān)測(cè)過程中風(fēng)俗風(fēng)向的變化值實(shí)時(shí)保存在電腦的硬盤中，十分方便。AM2301數(shù)字溫濕度傳感器，這是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件(AM2303采用DS18B20測(cè)溫度)，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。每個(gè)傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最正確選那么。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)適用于氣象、能源、環(huán)保、農(nóng)林以及軍工等場(chǎng)所測(cè)量風(fēng)向風(fēng)速，濕度及溫度。本儀器體積小，重量輕，功能全，可廣泛用于農(nóng)林、環(huán)保、海洋、科學(xué)考察等領(lǐng)域測(cè)量氣象的參數(shù)。缺點(diǎn)：目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離傳輸，如果技術(shù)成熟的話，可以通過GPRS/GSM對(duì)收集數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)浇K端系統(tǒng)，更精確。就現(xiàn)在的技術(shù)而言如果傳輸距離很遠(yuǎn)會(huì)使得測(cè)量數(shù)據(jù)誤差很大，對(duì)結(jié)果造成影響。本錢：溫濕度傳感器AM2303,濕度精度+-2%RH;溫度精度+-0.2，價(jià)格22元/只.風(fēng)速風(fēng)向儀裸機(jī)1900元，風(fēng)速傳感器300元，風(fēng)向傳感器300元5收獲與體會(huì)這次我們的課題是設(shè)計(jì)一個(gè)小型氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量溫度濕度，風(fēng)速風(fēng)向并傳輸。開始時(shí)感覺這跟實(shí)際生活聯(lián)系比擬密切，應(yīng)該會(huì)很簡(jiǎn)單。當(dāng)動(dòng)手要做時(shí)發(fā)現(xiàn)，很多東西都是沒想到的，根本不想想象的那樣簡(jiǎn)單。光找傳感器就