基于单片机的气象监测仪设计 - 图文

毕业设计（论文）

题 目 基于单片机的气象监测仪的设计

学院（系）： 自动化

专业班级： 自动化0806班

学生姓名： 杨濛

指导教师： 张丹红

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：杨濛

2012年 5 月 28 日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于1、保密囗，在10年解密后适用本授权书

2、不保密囗。

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作者签名：

年 月 日

导师签名：

年 月 日

武汉理工大学本科生毕业设计(论文)任务书

学生姓名 专业班级 指导教师 工作单位

设计(论文)题目:

设计（论文）主要内容：

要求完成的主要任务:

（提示：要求学生设计的主要项目、具体内容、设计范围，所设计系统的具体结构及工艺要求；，还要指出对学生设计结果的检验要求，例如，是否要制作样机、是否要求有实验或实验方案，有软件设计的如何检查软件是否通过，设计是否达到要求的技术经济指标，最后还要说明学生撰写设计说明书时的一般或特殊的要求等。）

必读参考资料：

指导教师签名 系主任签名

院长签名(章)

附件6

武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告 1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 近年来全球气候变暖，干旱、洪灾、高温天气、低温冰冻等极端天气频发，影响日趋广泛，为了遏制大气环境的进一步恶化和做好公共气象服务，首先要对大气中各种气象要素进行连续监测，获得基本的气象资料，再开展天气预报、气象信息、气候变化评估、气象科学研究和气象服务等研究工作，提高防灾减灾能力，做好应对气候变化的工作，是气象工作者的重要责任。做好这些工作，核心是提高预报预测准确率，根本是增强防御和减轻气象灾害的服务能力，而地面气象监测仪提供的准确、可靠的观测数据，是提高预报预测准确率和服务能力的重要保证。 随着科学技术的不断发展，我国的气象监测仪已具有一定的研究、开发和生产能力。本次设计针对上述的要求和现有的技术基础，采用当今成熟的微电子技术、稳定的、先进的电子测量，数据传输和控制系统技术，设计开发一套地面气象监测仪。 目前国内开展的地面气象监测要素包括:云、能见度、天气现象、气压、空气温度空、气湿度、风速、风向、降水、雪深、雪压、蒸发、辐射、日照、地温、冻土、电线积水和地面状态。能方便实现仪器自动监测的气象要素主要有能见度、气压、空气温度、空气湿度、风向、风速、降水、蒸发、辐射、日照和地温，其他的气象要素监测只能通过工人观测实现。本次设计仅对能实现地面自动气象监测的仪器进行研究。 我国地面气象监测仪主要有常规地面人工监测仪器和地面自动气象站两大类。在功能齐全和性能稳定方面，与国际上的同类产品基本一致，都能满足气象要素监测的需求，国内研发出的仪器具有明显价格优势，技术支持和售后服务良好，维护成本低。气象仪器的趋势都是数字化、智能化、集成化发展。 国外一些发达国家在气象监测方面使用的地面气象仪器水平也存在一些差异，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现今水平。近年来，欧美等发达国家已经相继研发出集成度较高智能型的地面气象监测仪，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。 与国产自动气象站相比，国外的自动气象站和气象传感器具有如下特点：(1)气象传感器技术先进，产品精确度和稳定性优越，除基本的传感器外，土壤和水的温度、太阳辐射、能见度、云等要素的传感器已经有成熟的产品出现。(2)自动气象站可以根据用户的不同需求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。(3)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。(4)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的情况来看，其硬件和软件的使用不尽如人意。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情况。 在地面气象监测仪方面，正向高集成的综合地面观测方向发展，受困于技术原因，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监测仪器，满足我国地面气象观测的要求。 地面气象监测仪的发展应具有以下特点：高新技术的应用，产品同样系列化，适应性强，性能价格比高。这也是我所设计地面气象监测仪所依托的参考条件和要求。 2、基本内容和技术方案 地面气象监测仪，要求能监测风向、风速、雨量、温度、湿度和气压等数据，监测仪包括传感器输入／输出、总线接口电路、单片机（即80C320微处理器）、电源电路、实时时钟电路、存储数据芯片和无线传送电路组成，其硬件系统结构示意图如图1-1所示： 图1-1 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，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传回气象信息中心服务器。 地面气象监测仪主要包括传感器，数据采集、传输、处理等部分，其中最能决定自动气象监测仪性能的是气象要素传感器。随着对气候变化研究的深入，这对各种传感器的精度和长期运行稳定性突出了更高的要求，这里简要的介绍下示意图中的传感器的作用。传感器包括温度传感器、湿度传感器、风速风向传感器、雨量传感器器以及气压传感器。温度传感器可以测量温度，湿度传感器可以用来测量湿度；风速风向传感器也是可以用来一起测量风速风向的；雨量计用来测量降雨量；大气压力传感器用来测量大气压。

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1.1 国内地面气象监测仪现状

我国地面气象监测仪主要有常规地面人工检测仪器和地面自动气象站两大类。在功能齐全和性能稳定方面，与国际上同类产品基本一致，都能满足气象要素检测的要求，国内研发出的仪器具有明显的价格优势，技术支持和售后服务良好，维护成本低。目前气象系统使用常规地面气象仪器有EN2型测风数据处理仪，SJ1型虹吸式雨量计，DWJ1型自动温度计，DHJ1型自动湿度计，DYJ1自动气压计和最新研制出并投入气象业务使用的自动气象站等。气象仪器的趋势都是往数字化、智能化、集成化发展。

1.1.1 EN2型测风数据处理仪

EN2型测风数据处理仪用于气象台站观测记录地面风，由微型打印机、液晶显示器、键盘、风速风向传感器接口、上位机接口、可选的外接显示器接口、微型处理板和电源等部件组成。

主要特点：1、风速测量范围大，风向测量精度高，尤其适合沿海、高山等高强风地区。2、内部数据存贮器可存贮2个月的气表1内容及2天的风向风速连续数据，即使打印机损坏，数据记录仍可查血。3、具有4个报警风速点。4、增加了大风组报、加密报，可选择打印次数。5、装有串行通讯接口，配有本公司开发的微机专用数据处理软件，仪器使用更方便，操作更直观。

主要功能：1、自动打印整点前十分钟平均风速及最多风向；并在8个整点前6分钟自动打印二分钟平均风速和风向；二十点自动打印全天4次二钟风速合计及平均值；全天24个整点十分钟风速合计及平均值；全天最大风速风向及发生时间；全天极大风速风向及发生时间。2、自动进行4个风速点（自设、20m/s、24m/s、28m/s）的报警，定时自动打印大风组报、加密报。当风速大于报警风速时自动发出报警音响信号，并打印出报警标志、风向风速和时间；当风速小于报警风速的连续时间达到规定值时，打印出报警解除标志及解除时刻的风向风速和时间，并发出音响信号。3、显示和设置时间，显示和设置大风报警风速，显示瞬时风向风速、当前二分钟、十分钟平均风速和最大风向；当天最大风速风向和发生时间，当天的极大风速风向和发生时间，当天整点十分钟平均风速合计。存贮2个月的气表内容及2天的连续风向风速数据。可随时显示2个月内任一天任意整点的风向风速，任一天最大风速风向及发生时间，极大风速风速及发生时间。4、可将EN-2数据通过接口输入微机，进行实时观测或由计算机处理成日报表、月报表、风向频率玫瑰图、风速频率图、连续曲线等。打印输出的月报表与气表1格式相同。

主要技术指标：1、环境温度范围为0-45℃；2、相对湿度不大于95%RH；3、

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风速测量范围为0-90m/s；4、风向测量范围0-360度；5、风速处理精度为0.1m/s；6、风向分辨度为3度；7、时钟误差小于3S/日。

1.1.2 SJ1型虹吸式雨量计

SJ1虹吸式雨量计用于气象台连续自动记录大气中的液体降水量，降水起止时间和降水强度。利用虹吸原理排出浮子塞内降水，最大优点：节约能源，降水有记录，不需要人工守候，精度高，但必须定时到现场去更换记录纸。

主要技术指标：盛水口内径200+0.6mm，将于强度0.05-4mm/min，钟筒转一周26hr，记录误差±0.05mm，走时误差：±5min,尺寸350x1182mm，重量17kg。

1.1.3 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±1℃，记录周期：26h（日记DWJ1）、176h(周记DWJ1-1),外形尺寸330x125x195mm，重量小于3kg。

1.1.4 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±5%RH，记录周期26h(日记DHJ1)、176h（周记DHJ1-1），外形尺寸334x233x195mm，重量小于3kg。

1.1.5 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880-1070hPa(DYB1)，680-1030hPa（DYB1-1）,最小分度值0.05hPa,准确度±0.2hPa,使用温度：-15~+45℃，仪器尺寸半径为64x1150mm（DYB1）,半径为64x1120mm（DYB1-1）,重量小于5kg。

1.1.6 自动气象站

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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1-1。

1.2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。

1.2.1 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

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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。

1.2.2 WS-16模块化气象站

WS-16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1-2。

1.2.3 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

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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MAWS301、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：1、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。2、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。3、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。4、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。

1.3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

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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。

1.4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

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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。

1.5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。

1.6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

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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。

2.1 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2-1所示。

图2-1 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，

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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。

2.2气象监测仪单片机的选择与介绍

2.2.1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的功能。

对于已经设计好的单片机应用系统来说,它的技术要求和系统功能都应当十分明确.如果选择功能少的单片机,单片机应用系统就无法完成控制任务;但是如果选择的单片机功能过大,不但没必要,还会造成浪费。只要掌握和运用单片机正确选型的原则,就可以选择出最能适用于应用系统的单片机。 单片机芯片选型时,总的原则是:

1.“芯片含有功能或数量略大于设计需求”,设计需求尽可能用芯片完成； 2.“选大厂生产的、选供应量多的、选名牌的但要量保证。

单片机选型,应从单片机应用系统的技术性,实用性和开发性三方面来考虑. (1)技术性:要从单片机的技术指标角度,对单片机芯片进行选择,以保证单片机应用系统在一定的技术指标下可靠运行;

(2)实用性:要从单片机的供货渠道、信誉程序等角度，对单片机的生产厂家进行选择以保证单片机应用系统在能长期、可靠运行；

(3)可开发性：选用的单片机要有可靠的可以开发手段，如程序开发工具、仿真调试手段等。

结合各种系统电路设计的技术要求，本设计选用微处理器80C320芯片。

2.2.2 80C320单片机的硬件结构

2.2.2.180C320主要性能特点

1.兼容8051单片机汇编语言、管脚及其功能； 2.32个输入/输出端口，可位寻址； 3.3个16位定时器/计数器；256字节RAM; 4.寻址64kB ROM和64kB RAM;

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5.2个全双工串行口，可编程看门狗计数器；

6.实现4时钟/机器周期（8051为12），单指令周期不大于121ns； 7.最大工作时钟达33MHz，有内置的时钟振荡器； 8.低电压自动复位，13个中断源/6个外部中断。

2.2.2.2引脚定义和功能介绍

本论文设计电路将以40脚DIP（双列直插式）封装作例子介绍。其管脚配置如图2-2所示，40条引脚的功能描述见表2-1。

图2-2 80C320机芯片引脚配置图

在40个引脚中有2条专用于电源的引脚，2条外接晶振的引脚，4条控制或

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9、具有电池保护和防雷保护。

仪器的供电单元设有电池过充和欠压保护电路，当电池充电至高于设定电压时，仪器自动切断充电；当电池电压低于设定保护电压时，自动关断直流供电，避免电池受损。过充和欠压值可调。为防御雷击，对容易遭受雷击的电源、通信接口电路、风和雨都加有避雷措施，采集器采用隔离式直流供电，风和雨接口采用隔离供电光隔输入。

10、适合二次开发。

硬件电路基于CAN总线设计，需要增加硬件电路时，不需要更改原硬件电路就可以接入；硬件控制程序芯片采用电擦除类型存储器，可根据不同的需要，编写不同软件，实现不同的功能系统，方便仪器更新换代。

综上所述，仪器性能满足目前中国气象局第二代自动气象站功能规则书要求，适用于我国地面气象探测的需要。

第六章 论文工作总结和下一步的研究工作

6.1 论文工作总结

本论文设计的地面自动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，根据我国的实际气象业务要求，指出新一代地面自动气象监测仪应该具有的功能特点，提出一个较完整的系统设计方案。

仪器硬件设计采用低功耗微处理器作为中央处理单元，和数据存贮芯片、程序存贮芯片组成最小可执行系统；结合仪器探测气象要素的需求，对风向、风速、雨量、温度、湿度和气压传感器选项和硬件接口电路进行了详细的介绍。文章在仪器电路原理图设计方面，详细描述如何进行电路图文件建立，介绍电路原理图设计方法，并按照该设计方法给出地面自动气象检测仪的硬件电路和实际原理设计图。描述PCB板设计过程和实现步骤，给出设计完成的PCB板实物图；提出电路板焊接的注意事项，完成气象监测仪实物电路板的焊接工作。软件设计方面，重点介绍气象数据采集处理器软件的方案设计和编写，在最后对所设计的程序进行了系统测试，结果表明此次设计的作品是符合中国气象局第二代气象站规则书的要求。

6.2下一步的研究工作

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本论文只是实现对部分地面气象要素实现自动观测，由于时间关系，未能对能见度、辐射、日照和蒸发等已经技术成熟的气象要素实现测量；在仪器二次开发应该实现对这些气象要素的测量。目前我国对降雪、云高、云量和天气现象等方面的测量技术还不是很成熟，未来几年应该加强这方面的研究，实现我国地面气象观测仪对气象全要素的自动测量，全面实现自动化观测，进一步提升我国地面气象的自动化观测水平。

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致谢

本人在武汉理工大学自动化学院的本科学习生涯即将结束，在此期间，我和同学们一起度过了人生最美好、最难忘的一段时光。课程学习和毕业设计的完成，得到了老师、同学和家人的关怀和帮助。

首先感谢武汉理工大学自动化学院组织了这次毕业论文的设计，让我和同学们一起有机会学习和探讨新的知识，以及温习和整理我们大学所学习的知识，从而获得更多新的知识和心得，在老师的关怀和指导下，在同学的帮助下，我们顺利的完成了这次学习任务。

感谢张丹红老师在学术上的精心指导，正是因为她的指导，本论文中所涉及的理论研究工作得以完成。但更重要的是，她给了我们很多人生道路的指引，在毕业论文期间，我们许多同学为考研和找工作烦恼，她的耐心的分析和指引，让我们正确认识到我们需要正视各种选择，不要逃避，不要慌张，要仔细分析和接受这种难题，然后选择出适合自己的道路，让我们不再为此彷徨失措。有这样的导师，我们真心偷着乐。

感谢自动化08级的全体同学，和你们一起度过了大学丰富多彩的学习时光，是你们的存在，让我的大学过得如此充实和快乐。

最后，把嘴真诚的谢意给我的女友涂画及所有关心我的亲人们，是她们给了我最大的精神支持，她们就是我前进的动力，谢谢，谢谢，感谢你们对我的支持和关爱。

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参考文献

[1]中国气象局.地面气象观测规范.气象出版社,2003

[2]胡大可,李培红,方路平.给予单片机8051的嵌入开发智能.电子工业出版社,2003

[3]高太长,刘西川,刘磊等.自动气象站及气象传感器发展现状和前景分析.仪器仪表学报, 2009.04

[4]徐爱军,彭秀华.单片机高级语言C51应用程序设计.北京:电子工业大学出版, 2006

[5]冉晓蓉,杨志义,张凡,孙林等.基于CAN总线在线更新机制的设计与实现.计算机工程与科学,2008,125-128

[6]刘文斌,干树川.极低式CAN总线电机执行器设计.电子设计工程，2009 [7]谭建荣.利用ICM7218设计LED显示器实用电路.广东气象,1999,36-37 [8]谭建荣,李建勇,伍光胜.模数转换器AD7714及其应用，气象科技,2007(1期)134-138

[9]贾振国.开门狗电路DS1232在单片机产品中的应用.国外电子元器件,2003 [10]黄晓伟,梁杰申.基于CAN总线的超声波液位检测系统.微计算机信,2009 [11]Protel DXP 2004 SP2印刷电路板设计教程.机械工业出版社出版,2009

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附录

主程序（节选） #include \ extern unsigned int S1RxTotal; extern unsigned int S0RxTotal; extern unsigned char DialRingMark; extern unsigned int RingSecCnt; extern unsigned int Z_RingCnt; extern unsigned char OneMinuteFlag; extern unsigned int S1TxCntl; extern unsigned int S1TxTotal; extern unsigned char KeyBuf; extern unsigned char AutosendSign; Main()

{ unsigned char tempkeybuf; Interrupt_Master_Disable(); Tempkeybuf=NONE; Delay_1ms(200); S0_interruptDisable(); S1_interruptDisable(); InitClock(); InitCntl(); InitT0Interrupt(); InitvalClk(); InitProcessVarSub(); InitCommuVal(); InitTTValSub(); InitPPValSub(); Initgetwindval(); InitRainDataval(); InitDisplaySub(); InterruptT0Disable(); Interrupt_EX1_Disable(); Init_EX1();

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返回 写入显示寄存器地址 写入命令字，设置显示方式 开始 写入控制字，初始化显示芯片 写入显示气象数据 图4-6 LED显示模块工作流程图

4.7计算机处理分析系统软件的功能设计

计算机终端处理软件是用户收集和查看气象资料的主要界面，它包括下面功能：数据采集功能，通信功能，数据处理，显示方式，参数设置，状态监控等。 根据所需功能编写的计算机处理分析系统软件界面如图下4-7所示。

4.7.1数据采集功能

数据采集功能是指按用户使用计算机通过传送媒介采集地面自动气象监测仪的气象数据。按时间的顺序，在软件画面分为瞬时资料采集，正点资料采集和过时资料采集三个按键。1、选择瞬时资料采集按键回车后，程序就会按你选定的通信站点逐一进行瞬时资料采集，将返回的数据显示；2、选择正点资料采集按键回车后，程序就会按你选定的通信站点逐一进行正点资料采集，将返回的数据显示并保存下来，方便以后查阅；3、选择过时资料采集按键回车后，程序就会按你选定的通信站点名逐一进行过时资料采集，时段取你屏幕上设定的时间。并将返回的数据显示、保存下来，方便查阅。

4.7.2通信功能

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通信功能包括下列七项内容：1、终止当前通信任务，选择这项回车后，就会将当前进行的通信任务全部取消，包括你选择的和你定时正在进行的通信任务。2、检查自动站状态，选择这项按回车后，程序就会按你选定的通信站名进行逐一检查，并将返回的“自动站状态信息”部分显示和记录下来，方便查阅。3、校对自动站时间，选择这项按回车后，程序就会按你选定的通信站名逐一进行时间校对，校对时间按计算机当前时间进行，并将返回的结果显示和记录下来。4、设自动站发报时次，选择这项按回车时，程序就会按你选定的通信站名逐一进行报时次设定，并将返回的结果显示记录下来，方便查阅。发报时次是指自动站自动向中心采集站发送正点资料。发报时次分“0”，“10”，“20”，“30”，“60” 五种。

图4-7计算机处理分析系统软件界面图

“0”----自动设为不自动发报，一般自动站的默认值。 “10”----自动设为每10分钟向中心采集站发送正点报资料。 “20”----自动设为每20分钟向中心采集站发送正点报资料。 “30”----自动设为每30分钟向中心采集站发送正点报资料。 “60”----自动设为每60分钟向中心采集站发送正点报资料。

5、设自动站报警电话号码，选择这项按回车后，程序就会按你选定的通信站点逐

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一进行报警电话号码设定，并将返回的结果显示和记录下来，方便以后查阅。自动站工作在有线方式，当自动站检测到异常情况时，就会按该电话号码进行拨号并将报警信息发回中心采集站。自动站工作在无线方式，当自动站检测到异常情况下，就会通过电台将报警信息发回中心采集站。6、设自动站大风、大雨报警，选择这项回车后，程序就会按你选定的通信站名逐一进行大风、大雨报警设定，并将返回的结果记录下来，方便以后查阅。大风报警值为0-99随意设定，其中0-98为大风报警值，99视为不报警处理。若超出范围视为99处理。7、自动站复位，做选择这项按回车后，程序会按你选定的通信站名逐一进行自动站复位，并将返回的结果显示和记录下来，方便以后阅读。

4.7.3数据处理

数据处理包括下列五项功能：1、生成月报表D文件，选择此按键回车后，进入到重新生成S文件画面，你可以随意选定要重新生成S文件的站，按“确定”按钮后，程序就会按你选定的站名按地面观测规范格式要求逐一重新生成S文件，并有相应的说明。该文件能用通用编辑软件打开和编辑，也可以用专用气象审核月报表软件编辑，校对，审核和打印输出。2、生成月报表A文件，选择此按键回车，本程序按地面观察规范格式要求生成A文件，该文件能用通用编辑软件打开和编辑，也可以用专用气象审核月报表软件编辑，校对，审核和打印输出。3、月雨量统计，选择此按键回车后，本程序按选择的月份进行月雨量自动统计，每天的统计时段从20点到次日20点，统计出1日到30（或31日）的降雨量，根据每天的降雨量形成柱状分布图表。4、重新生成S文件，选择此按键回车后，本程序将贮存在计算机气象资料提取出来，重新生成一份S文件，按设定要求上传到指定的服务器。5、日极值统计，选择将此按键回车后，本程序将存贮在计算机气象资料提取出来，通过统计对比分析，获得当天出现的温度，湿度，气压，风速最大值和出现的时间，通过表格形式显示出来。

4.7.4显示方式

显示方式包括下列四项功能：1、一站一时显示，选择这项按回车后，可以进行显示任意一个自动站某一时次的资料；屏幕上出现三个指向手，而且站名变成可选项，再选择该项回车，关闭一站一时显示。2、多站一时显示，选择这项按回车后，进入显示全部自动站某一时次的资料。可以通过更改日期时间或点击前翻、后翻来显示你想查看的时次资料。3、日资料显示，选择这项按回车后，进入显示某一个自动站一天的资料。可以通过更改日期或点击前翻、后翻来显示你想查看的资料。站名为可选项，你可随意更选你想查看的自动站站名，日资料显示框中

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的数据也随之改变。通过点击“打印屏幕”，可将屏幕显示的数据送到打印机输出。4、地图加载，选择这项按回车后，进入地图显示所有自动站某一时次资料。可以通过前翻、后翻来显示你想查看的资料。

4.7.5参数设置

参数设置包括自动站参数设置和中心采集软件参数设置两个功能。 自动站参数设置，选择这项按回车后，进入到设置自动站参数画面，自动站参数画面，自动站参数画面记录行各项参数在此不作介绍。1、选择“添加”按回车，就会在记录的最后面增加一个空记录行。2、选择“插入”按回车，就会在当前光标记录行后面增加一个空记录行。3、选择“移除”按回车，就会将当前光标所在的记录行删除。4、选择“确定”按回车，程序就会将改变过的内容保存起来，并返回到主屏幕。5、选择“应用”按回车后，程序就会将改变过的内容保存起来，且仍在自动站参数画面，你可以继续进行修改。6、选择“取消” 按回车后，程序将不保存更改过的内容，并直接返回到主屏幕。

中心采集软件参数设置，选择这项后，进入到设置中心采集参数画面。其参数画面各记录项参数在此不作介绍。1、选择“确定”按回车，程序就会将全部内容保存起来，并返回到主屏幕。2、选择“取消”按回车，程序将不保存更改过的内容，并直接返回到主屏幕。

4.7.6状态监控

状态监控包括三方面的监控：1、自动站来报检测，选择这项按回车后，进入到自动站来报情况画面。所有站来资料情况一目了然。2、数据采集记录检测，选择这项按回车，进入到自动站采集资料记录情况画面，可以了解采集资料的情况。3、程序运行记录，选择这项按回车，进入到程序运行情况记录画面，可以了解本中心采集软件系统运行的总体情况。

第五章 地面自动气象监测仪性能特点总结

地面自动气象监测仪实际测量测试（这里就不用列出详细的测试过程了）结果证明，该仪器性能符合气象业务要求，系统整体性能特点归纳如下：

1、总线结构。

基于CAN总线结构，易于系统扩展，增加其他气象要素探测，不需要重新进

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行原有硬件设计。满足中国气象局第二代自动气象站功能规则书的主/分采集器具备同意的物理接口和应用接口，从而达到兼容、互换的目的。

2、功耗低。

系统采用硬件和软件相结合的方法，硬件方面，在保证硬件电路功能基础上，简体硬件电路设计，全部芯片尽可能采用CMOS集成电路；在软件方面，在非工作时段，编程软件采用待机和掉电方式；通过上述方法设计，系统功耗很低。

3、高精度模数转换。

仪器硬件电路该芯片采用的是24位分辨率的模数（A/D）转换器，能分辨更微弱模拟信号变化量。

4、数据读取和参数设置方便。

该仪器配备LED显示器和键盘，在单设备没有联计算机的情况下，能正常工作并及时获得实时气象资料。也可以通过键盘方便设置或修改仪器相关的工作参数。

5、要素选择方便。

系统采用硬件自动接入识别技术，自动识别仪器接入的气象传感器；也可以通过键盘菜单改变气象传感器工作状态。

6、自检功能强。

仪器自检项目包括：市电检测，直流电压高低，内存好坏，接口芯片的状态，A/D芯片的可信性检测，所有气象传感器的好坏检测等。仪器的检测项目可自动检查外，也可人工进行更详细的检查，人工菜单选择，与随仪器配备的检测工具配合，可对自动站的显示器、键盘、各数据采集接口及通信口进行自检，极其方便维护人员对整套系统在现场安装时校准调整和日常的检查维护。另外可通过资料接收站发送指令，遥测检查自动站的供电电源、风向传感器及自动站运行记录等运行情况。功能齐全的自检功能与配置的检测工具，无需配备专用仪表和拆开设备，就可以方便准确地检测数据采集器、传感器等重要部件的好坏。

7、装拆方便，可移动。

系统全部接口采用商用接插件，系统电缆接通电电气标准统一制定，系统安装方便，自动默认系统参数，系统安装后即能进行气象资料测量采集。该仪器配备一体化可移动安装支架，方便临时开展野外气象探测。

8、组网方便。

该气象监测仪组网方式主要有四种：电话，电缆直连，无线电台，GPRS无线通信。既可以选择其中一种通信模式，也可以多种通信模式同时并存，目前最流行的是GPRS无线通信组网方式。对于GPRS信号覆盖不到的高山和海岛边远地区，无线电台通信还是最佳的选择。

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