傳感器課程設(shè)計(jì)報(bào)告—小型氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1、目錄摘要1一 課程設(shè)計(jì)任務(wù)和功能要求1二 設(shè)計(jì)應(yīng)用背景1三 系統(tǒng)分析11總體設(shè)計(jì)方案12. 硬件設(shè)計(jì)23. 軟件設(shè)計(jì)24. 難點(diǎn)分析3四 實(shí)施方案41. 傳感器模塊設(shè)計(jì)41.1 風(fēng)速傳感器模塊41.2 溫度傳感器模塊51.3 濕度傳感器模塊72. 優(yōu)缺點(diǎn)分析及成本9五 設(shè)計(jì)總結(jié)10六 參考文獻(xiàn)10七 成員及分工情況10摘要介紹一個(gè)小型多功能氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)各類(lèi)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)行匯總分析并通過(guò)LCD顯示。關(guān)鍵詞：風(fēng)速風(fēng)向傳感器；單片機(jī)；溫濕度傳感器一 課程設(shè)計(jì)任務(wù)和功能要求現(xiàn)通過(guò)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，可服務(wù)于生產(chǎn)、

2、生活的眾多領(lǐng)域。二 設(shè)計(jì)應(yīng)用背景現(xiàn)在社會(huì)高度發(fā)達(dá)，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)發(fā)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(guò)各類(lèi)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)?？梢赃_(dá)到無(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。三 系統(tǒng)分析1總體設(shè)計(jì)方案小型自動(dòng)氣象站主要由三大功能模塊組成，分別為主控模塊、信號(hào)采集模塊、顯示模塊。小型自動(dòng)氣象站的組成框圖如圖1所示 溫度傳感器數(shù)據(jù)風(fēng)速傳感器濕度傳感器單片機(jī)電源電路按鍵控

3、制LCD顯示圖1 小型氣象系統(tǒng)框圖2. 硬件設(shè)計(jì)小型多功能氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)其工作原理如圖2所示，它以C8051F020單片機(jī)為核心，通過(guò)風(fēng)速、溫度、濕度傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LCD顯示屏將風(fēng)速、溫度、濕度顯示出來(lái)，以便于氣象分析人員分析氣象數(shù)據(jù)得出當(dāng)前的氣象特征，進(jìn)而對(duì)氣象可能影響到的事物做出規(guī)劃，起到預(yù)防作用，減少不必要的損失。 圖2 硬件連接圖3. 軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)程序主要包括里初始化程序；輸出實(shí)時(shí)風(fēng)力風(fēng)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(fēng)速和風(fēng)向，向顯示控制單元發(fā)送氣象信息, 計(jì)算2分鐘內(nèi)的平均風(fēng)速和多數(shù)風(fēng)向；每10s 采樣一次氣

4、溫、相對(duì)濕度和氣壓，并計(jì)算平均值。系統(tǒng)有2 級(jí)中斷，UART0 中斷和T3 中斷。UART0 中斷優(yōu)先級(jí)高于T3。當(dāng)顯示控制單元發(fā)出聯(lián)機(jī)命令時(shí)，則產(chǎn)生UART0 中斷，系統(tǒng)執(zhí)行聯(lián)機(jī)處理子程序系統(tǒng)采用11.0592MHz晶振產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘，用定時(shí)器T3計(jì)時(shí)，T3每50ms產(chǎn)生一次中斷，當(dāng)產(chǎn)生40次中斷，即2s時(shí)執(zhí)行2s子程序；T3產(chǎn)生200次中斷時(shí)，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 圖3 軟件流程圖4. 難點(diǎn)分析該系統(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)線傳輸則會(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：測(cè)量近距離的氣象

5、情況，或者通過(guò)GPRS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離高精度傳輸。四 實(shí)施方案 1. 傳感器模塊設(shè)計(jì)1.1 風(fēng)速傳感器模塊風(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(guò)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、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。風(fēng)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示圖4 風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)圖風(fēng)速傳感器WAA-15 是一種高響應(yīng)、低門(mén)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(pán)組成，齒盤(pán)安置于光電耦合器的

6、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(pán)有多個(gè)齒度，當(dāng)齒盤(pán)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)光管LED發(fā)射的光束被齒盤(pán)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，多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)速傳感器原理圖如圖5所示圖5 風(fēng)速傳感器原理圖風(fēng)速與脈沖頻率的轉(zhuǎn)換公式為： 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< 015

7、m/ 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(cè)溫度原理圖如圖6所示溫度測(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(zhuān)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(guò)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

8、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(lèi)應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則。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(hù)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?xún)r(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)格式為： 微控制器DS18B20GND DQ VDDVpc4.7K單總線V dd（外部電源）連接到另外的單總線器件圖6 測(cè)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、高性能抗干擾能力、強(qiáng)易配處理器等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)

9、控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)（按9位二進(jìn)制數(shù)字）給單片機(jī)處理，且在同一總線上可以掛接多個(gè)傳感器芯片，它具有三引腳TO-92小體積封裝形式，溫度測(cè)量范圍55125，可編程為912位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生，多個(gè)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(gè)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(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。 斜率累加器比較計(jì)數(shù)器1預(yù)置低溫度系數(shù)晶振

10、=0溫度寄存器高溫度系數(shù)晶振計(jì)數(shù)器2=0加1LSB置位/清除停止預(yù)置 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(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和溫度寄存器被預(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)，溫度寄存器的值將加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(kāi)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)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖中

11、的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。 綜上，本系統(tǒng)采用DS18B20溫度芯片進(jìn)行溫度的測(cè)量，采用該芯片直接向單片機(jī)傳輸數(shù)字信號(hào)，便于單片機(jī)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 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。圖8 工作原理圖圖9 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

12、可變的方波?；蚍情T(mén)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(mén)G2的輸入端。G2即可得到一個(gè)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(diǎn)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(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，可見(jiàn)輸出頻率和電容值成反比。通過(guò)這個(gè)電路使?jié)穸刃盘?hào)變?yōu)殡娙葜?，最后變?yōu)轭l率信號(hào)輸出。濕度檢測(cè)振蕩電路圖如圖9所示圖10 線性輸出信號(hào)調(diào)整電路圖濕度的脈沖信號(hào)再經(jīng)過(guò)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)比較微弱，再經(jīng)過(guò)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03的輸出。線性輸出

13、信號(hào)調(diào)整電路圖如圖10所示 采用AM2301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(zhuān)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)。2. 優(yōu)缺點(diǎn)分析及成本優(yōu)點(diǎn)： 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.該設(shè)計(jì)具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。

14、 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(guò)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。成本： 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元五 設(shè)計(jì)總結(jié)在小型氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)里，由上述方案的進(jìn)行綜合分析，我們?cè)趥鞲衅髟羞x取不同的器件完成我們的小型氣象監(jiān)測(cè)模塊的設(shè)計(jì)，測(cè)量溫度濕度，風(fēng)速。擬采用方案如下較為合理：基于風(fēng)速傳感器WAA -15測(cè)風(fēng)速，利用AM2301數(shù)字溫濕度傳感器進(jìn)行溫濕度測(cè)量。設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)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(jī)對(duì)各傳感器模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并驅(qū)動(dòng)LCD顯示屏將溫濕度及風(fēng)速顯示出來(lái)。整個(gè)設(shè)計(jì)以可靠性為目標(biāo)在實(shí)現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上仍有改進(jìn)的余地，如可增加無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，增