傳感器課程設(shè)計報告小型氣象監(jiān)測系統(tǒng)大學論文

1、目錄1010摘要課程設(shè)計任務(wù)和功能要求 設(shè)計應(yīng)用背景 系統(tǒng)分析 1總體設(shè)計方案 2. 硬件設(shè)計 3. 軟件設(shè)計 4. 難點分析 實施方案 1. 傳感器模塊設(shè)計 1.1 風速傳感器模塊1.2 溫度傳感器模塊1.3 濕度傳感器模塊9102. 優(yōu)缺點分析及成本 . 設(shè)計總結(jié) 參考文獻 成員及分工情況 摘要介紹一個小型多功能氣象監(jiān)測系統(tǒng)，該氣象監(jiān)測系統(tǒng)通過各類風速、風向、溫度、濕度傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)自動進行匯總分析并通過 LCD 顯示。關(guān)鍵詞： 風速風向傳感器；單片機；溫濕度傳感器課程設(shè)計任務(wù)和功能要求現(xiàn)通過傳感器設(shè)計一款既能測量溫濕度也可同時測量風速風向的設(shè)備， 可服 務(wù)于生產(chǎn)、生活的眾多領(lǐng)域。設(shè)

2、計應(yīng)用背景現(xiàn)在社會高度發(fā)達， 氣象狀況變化萬千， 氣象監(jiān)測和災(zāi)害預警工程對于保障 社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生產(chǎn)生活有重要意義， 氣候狀況對經(jīng)濟活動的影響也越累越 顯著，人們需要實時了解當前的氣象狀況。 風速、 風向以及溫度濕度測量是氣象 監(jiān)測的一項重要內(nèi)容。該氣象監(jiān)測系統(tǒng)通過各類風速風向溫度濕度傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)自動進 行匯總分析，并傳輸?shù)浇K端平臺?？梢赃_到無人監(jiān)管，數(shù)據(jù)自動傳輸，更加省時 省力方便快捷。系統(tǒng)分析1總體設(shè)計方案小型自動氣象站主要由三大功能模塊組成， 分別為主控模塊、信號采集模塊、 顯示模塊。小型自動氣象站的組成框圖如圖 1 所示12電源電路風速傳感器溫度傳感器濕度傳感器單片機 丄按

3、鍵控制圖1小型氣象系統(tǒng)框圖2. 硬件設(shè)計小型多功能氣象監(jiān)測系統(tǒng)其工作原理如圖2所示，它以C8051F020單片機為核心，通過風速、溫度、濕度傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)進行匯總分析，單片機驅(qū) 動LCD顯示屏將風速、溫度、濕度顯示出來，以便于氣象分析人員分析氣象數(shù) 據(jù)得出當前的氣象特征，進而對氣象可能影響到的事物做出規(guī)劃，起到預防作用, 減少不必要的損失。圖2硬件連接圖3. 軟件設(shè)計單片機軟件設(shè)計程序主要包括里初始化程序;輸出實時風力風向、溫度濕度模塊；LCD顯示屏模塊等。主程序的工作是每2s采樣一次風速和風向，向顯示控制單元發(fā)送氣象信息， 計算2分鐘內(nèi)的平均風速和多數(shù)風向；每10s采樣一次氣溫、相對濕

4、度和氣壓, 并計算平均值。系統(tǒng)有2級中斷，UART0中斷和T3中斷。UART0中斷優(yōu)先級高于T3。當顯示控制單元發(fā)出聯(lián)機命令時，則產(chǎn)生 UART0中斷，系統(tǒng)執(zhí)行聯(lián)機處理子程序系統(tǒng)采用11.0592MHz晶振產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，用定時器 T3計時,T3每50ms產(chǎn)生一次中斷，當產(chǎn)生40次中斷，即2s時執(zhí)行2s子程序；T3產(chǎn)生 200次中斷時，即10s，系統(tǒng)執(zhí)行10s子程序。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示就機履務(wù)住序2秒鰭子程序WHO 中（fi?N2秒S否?110硏骷N10秒到荀圖3軟件流程圖4. 難點分析該系統(tǒng)如果采用有線傳輸，并且測量較遠的氣象環(huán)境時，會需要較多線纜才 能檢測到數(shù)據(jù)。如果采用無線傳輸則會隨

5、著測量距離的原理數(shù)據(jù)會出現(xiàn)更大誤解決方案：測量近距離的氣象情況，或者通過GPRS對數(shù)據(jù)進行遠距離高精 度傳輸。四實施方案1.傳感器模塊設(shè)計1.1風速傳感器模塊風速傳感器的感應(yīng)元件是三杯風組件，由三個碳纖維風杯和杯架組成。轉(zhuǎn)換 器為多齒轉(zhuǎn)杯和狹縫光耦。當風杯受水平風力作用而旋轉(zhuǎn)時，通過活軸轉(zhuǎn)杯在狹 縫光耦中的轉(zhuǎn)動，輸出頻率的信號。風向、風速儀用于測量瞬時風速風向，具有 自動顯示功能。主要由支桿，風標，風杯，風速風向感應(yīng)器組成，風標的指向即為來風方向，根據(jù)風杯的轉(zhuǎn)速來計算出風速。風速傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示圖4風速傳感器結(jié)構(gòu)圖風速傳感器 WAA-15是一種高響應(yīng)、低門限、三風杯的光電型風速計，轉(zhuǎn)換

6、器由裝接于風速計轉(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，光電耦合器裝于印制電路板上。轉(zhuǎn)盤有多個齒度，當齒 盤隨軸轉(zhuǎn)動時，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。每個齒遮住光束時表現(xiàn)為低電平(即0態(tài))，軸轉(zhuǎn)動一圈，多次切割光束而輸出一高一低的脈沖信號。因此 VASALA (WAA - 15)和國內(nèi)仿制的風速傳感器，均輸出頻率與風速成正比的信號。傳感器使用DC12V電源，風速信號為時間軸上的12V脈沖頻率信號。風速傳感器原理圖如圖 5所示圖5風速傳感器原理圖風速與脈沖頻率的轉(zhuǎn)換公式為：V(m/s)= f(Hz)/10即每10個脈沖

7、為1m/ s的風速量。風速傳感器主要指標為：電源為 DC12V，啟動風速 015m/ s,使用環(huán)境-40度+ 50度(0100 %RH)1.2溫度傳感器模塊工作原理：測溫度原理圖如圖6所示溫度測量是采用AM2301數(shù)字溫濕度傳感器，這是一款含有已校準數(shù)字信 號輸出的溫濕度復合傳感器。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期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容式感 濕元件和一個NTC測溫元件(AM2303采用DS18B20測溫度)，并與一個高性能8位單片機相連接。每個傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢

8、測信號的處理過程中要調(diào) 用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極 低的功耗，信號傳輸距離可達 20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。產(chǎn)品為4針單排引腳圭寸裝。連接方便，特殊圭寸裝形式可根據(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、性價比 極高等優(yōu)點。AM2303數(shù)字式溫濕度傳感器輸出數(shù)據(jù)格式為:DATA=濕度數(shù)據(jù)高位+濕度數(shù)據(jù)低位+溫度數(shù)據(jù)高位+溫度數(shù)據(jù)低位+校驗和圖6測溫度原理圖圖7所示為DS18B20的工作原理框圖。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù) 字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能

9、力、強易配處理器等優(yōu)點，特 別適合用于構(gòu)成多點溫度測控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號（按9位二進制數(shù)字）給單片機處理，且在同一總線上可以掛接多個傳感器芯片，它具有三引腳TO-92小體積封裝形式，溫度測量范圍-55+ 125C，可編程為912位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625C，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生，多個DS18B20可以并聯(lián)到三根或者兩根線上，CPU只需一根端口線就能與多個 DS18B20通信，占用微處理器的端口較少,可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。從而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于遠距離多點溫

10、度檢測系統(tǒng)。圖7 DS18B20工作原理框圖圖中低溫度系數(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 信號送給計數(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 號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55C所對應(yīng)的一 個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1,計數(shù)器1的預置將重新被裝入,計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計 數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其

11、輸出用于修 正計數(shù)器1的預置值。綜上，本系統(tǒng)采用DS18B20溫度芯片進行溫度的測量，采用該芯片直接向 單片機傳輸數(shù)字信號，便于單片機處理及控制。1.3濕度傳感器模塊濕度傳感模塊的工作原理圖如圖8所示濕敏元件：濕度變化電容變化電壓變化輸出電量一收集數(shù)據(jù)HS1101在電路中相當于一個電容器件，它的電容量隨著所測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， 我們設(shè)計了振蕩電路、消除電壓 一電流轉(zhuǎn)換電路、放大電路等。零點電容影響電路、整流路、積分電路、圖8工作原理圖HSIKd4FB50IMPU16T-I-4US +1D4D0IU2Q 3&1HaKDKm圖9濕度檢測振蕩電路圖振蕩電路的作

12、用是將電容的變化量轉(zhuǎn)化為頻率可變的方波。或非門G1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即可得到一個介于高低電平之間的靜態(tài)偏置電壓，從而使G2的靜態(tài)工作點也處于電壓傳輸特性轉(zhuǎn)折區(qū)上。反饋環(huán)路中電容使電路在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間往復振蕩。由于電容充放電的時間T為2.2RC，所以輸出的方波頻率f=1/2.2RC，可見輸最后變?yōu)轭l率信9所示圖10線性輸出信號調(diào)整電路圖出頻率和電容值成反比。通過這個電路使?jié)穸刃盘栕優(yōu)殡娙葜? 號輸出。濕度檢測振蕩電路圖如圖 濕度的脈沖信號再經(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。由于信號比較微弱， 再經(jīng)過一個同向

13、比例放大器把信號放大， 最終把信號調(diào)理為03V的輸出。線性輸出信號調(diào)整電路圖如圖10所示采用 AM2301 溫濕度測量是采用 AM2301 數(shù)字溫濕度傳感器，這是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。 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期穩(wěn)定性。 傳感器包括 一個電容式感濕元件和一個 NTC測溫元件（AM2303采用DS18B20測溫度），并與一個高性能 8 位單片機相連接。每個傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行 校準。2. 優(yōu)缺點分析及成本優(yōu)點：1. 數(shù)據(jù)記錄儀全程跟蹤記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)準確、記錄時間長。2.記錄風速風向的參數(shù)的變化，可

14、以隨時記錄數(shù)據(jù)。3.該設(shè)計具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。該系統(tǒng)適用于氣象、能源、環(huán)保、農(nóng)林以及軍工等場所測量風向風速，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 學考察等領(lǐng)域測量氣象的參數(shù)。缺點：目前還無法實現(xiàn)超遠距離傳輸，如果技術(shù)成熟的話，可以通過 GPRS/GSM 對收集數(shù)據(jù)進行遠距離傳輸?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 離很遠會使得測量數(shù)據(jù)誤差很大，對結(jié)果造成影響。成本：溫濕度傳感器AM2303，濕度精度+-2%RH ;溫度精度+-0.2，價格22元/只.風速風向儀裸機 1900 元，風速傳感器 300 元，風向傳感器 300 元在小型氣象監(jiān)測系統(tǒng)的課程設(shè)計里，由上述方案的進行綜合分析，我們在傳感器元件中選取不同的器件完成我們的小型氣象監(jiān)測模塊的設(shè)計，測量溫度濕度，風速。擬采用方案如下較為合理：基于風速傳感器WAA -15測風速，利用AM2301數(shù)字溫濕度傳感器進行溫濕度測量。 設(shè)計過程中通過查閱資料了解熟悉各傳感器的工作原理及使用方法，利用單片機對各傳感器模塊數(shù)據(jù)進行處理并驅(qū)動LCD顯示屏將溫濕度及風速顯示出來。整個設(shè)計以可靠性為目標在實現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上仍有改進的余地，