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碳纤维风速计风杯的研制
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　　三杯风速仪是气象部门一种常用的测量风速的仪器，这种仪器一般都有三个风速杯组成，然后联结不同的转换、测量、记录装置，它是利用风的力量转动起来，然后计算出风速，一些大型风杯直径约100mm、中型风杯直径60mm、小型风杯直径有20mm，传统的风杯都是由金属材料制成的，而目前一些气象站已经采用碳纤维复合材料制成，这种材料耐腐蚀、抗辐射、不怕风水雨打、比重不到钢的1/4，而强度是钢的7-9倍，是一种实实在在的高科技材料。
（图示：碳纤维风杯）
　　无锡威盛(RSN)新材料科技有限公司今天给大家介绍的就是碳纤维风速计中风杯的研制。采用三杯整体注塑成型的方法，首先需要将短纤维与树脂进行复合，将碳纤维切断成2cm长，经过表面处理后，直接与树脂在挤出机内进行充分的混合挤出，挤出料经过冷却、切粒，测其纤维含量、比重等，固定螺杆速度，定量加入短纤维，可制备出质量稳定的碳纤维复合材料。
　　采用我公司制造的热塑性复合材料，达到一次性三个风杯整体注塑成型，必须先设计、加工模具，要保证三个风杯能均匀地分布在一水平圆周上，流线性好，表面光滑，转动阻力小等。模具加工难度较大，需要采用线切割、电火花等技术。
　　通过无锡威盛(RSN)新材料科技有限公司的以上工艺，碳纤维风杯可以一次性整体注塑成型，而且质量稳定规范，流线性好，表面光滑。转动时阻力小，也不易出跳跃现象，风杯的转速与风俗的线性关系好，碳纤维气象风杯质量轻、强度高、耐老化，备受气象部门的青睐。无锡威盛(RSN)新材料科技有限公司所生产的碳纤维布、棒、管、板以及各种异形件制品深受市场的好评，历年来为欧美市场提供了大量的碳纤维产品，无锡威盛争做市场满意的供货商!
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地面气象六要素智能采集系统
来源： 联系QQ： 作者： 网学
发布时间： 09/06/28
地面气象六要素智能采集系统地面气象六要素智能采集系统是一种以自动代替人工进行大气诸要素测量为目的的智能型设备。它以地面气象六要素智能采集技术为基础，涉及到多种现代技术。文中首先介绍了地面气象六要素采集的发展历史和现状，其次对采集六要素的传感器进行了原理性介绍和比对，尤其是对测量误差的产生机理和减小误差的方法进行了详细的理论探讨，并提出了各类传感器的选择依据。第三，对传感器信息的采集、编码、传输进行了初步研究；在此基础上提出了具体的信号采集及传输方案。第四，对地面气象六要素智能采集系统的硬件进行了方案设计，用模块化的思想进行了具体的分析，在此基础上对本系统的通信进行了研究，最后给出了系统硬件的总体设计方案和部件的选配清单。第五，对系统软件进行了规划与设计，采用模块化的思想对各个子系统进行了设计，在此基础上规划设计了构成各系统软件的基本单元；最后组合总系统。第六，把地面气象六要素智能采集电路板应用的实验室建设中。关键词：地面气象六要素智能采集技术、传感器、2110工程、控制系统&&前言&1第一章 绪论&21.1引言&21.2地面气象六要素采集技术的发展&21.3地面气象六要素智能采集系统的基本构成及各部分的简单工作原理&31.3.1系统的基本构成&31.3.2传感器&31.3.3智能采集数据处理系统&41.3.4显示系统&41.4设计过程中应该考虑的一些问题&41.4.1方案设计所应遵循的几点原则：&41.4.2基本设计构想及分析&51.5本文的安排&5第二章& 传感器&62.1 一般性描述&62.2温度的测量&72.2.1概述&72.2.2气温的测量方法&72.2.3测温元件&82.2.4测量误差分析&82.3湿度的测量&122.3.1概述&122.3.2湿度的测量方法&122.3.3测湿元件&122.3.4误差分析&142.4气压的测量&162.4.1概述&162.4.2压力的测量方法&162.4.3测压元件&162.4.4误差分析&172.5风的测量&182.5.1概述&182.5.2风向风速的测量方法&192.5.3测风元件&192.5.4误差分析&212.6降水的测量&222.6.1概述&222.6.2降水的测量方法&232.6.3测量降水的器件&232.6.4误差分析&242.7本系统传感器的选取(同种传感器的比较)&252.7.1温度传感器：&252.7.2压力传感器&262.7.3湿度传感器&272.7.4风向风速仪&282.7.5翻斗式传感器&292.8本章小结&29第三章传感器信号采集与处理&303.1传感器信号的采集&303.1.1传感器信号的分析&303.1.2传感器信号的处理&303.1.3传感器信号的采集&313.2传感器输出信号的传输&313.3本章小结&32第四章地面气象六要素智能采集系统设计&334.1微处理器（MPU）&334.1.1微处理器概述&334.1.2 系统时序的实现&344.2模数转换器ADC&344.2.1MAX196芯片概述&344.2.2A/D转换器与微处理器的接口&354.2.3保证A/D采样精度的措施&364.2.4 A/D芯片功能的实现&364.3传感器电路&384.3.1AD620芯片概述&384.3.2温度、压力、湿度以及硅压阻信号的采集电路&384.3.5降水的测量电路&414.4系统电源模块&424.4.1MAX675概述&424.4.2系统电源模块组成&424.5系统通信接口模块&434.5.1MAX232概述、&434.5.2与PC机的接口电路&444.5.3 串行通信功能的实现&444.6液晶显示模块&454.6.1显示模块的工作原理&454.6.2与单片机的接口&454.7 系统总体流程图&464.8本章小结&47第五章 地面气象六要素智能采集技术应用&485.1军队气象信息采集实验室&485.1.1军队气象信息采集实验室功能&485.1.2军队气象信息采集实验室仪器设备&485.1.3军队气象信息采集实验室可开设实验项目&485.1.4面向的教学对象&495.1.5对装修的要求&495.2本章总结&49第六章 结论&50致谢&52在校期间的研究成果&53参 考 文 献&54附电路图：306&地面气象六要素智能采集技术研究及应用前言地面气象自动观测系统（AWOS－Automated Weather Observing System ）是用以代替人工进行大气要素测量的一类智能化设备的总称，它是传感器、计算机、网络、信息通信等多项技术发展的结晶。系统最基本的观测项目包括温度、湿度、气压、风向及风速和降水六要素。其核心技术是对地面气象六要素的智能采集技术。AWOS系统的设计与制造不仅涉及的技术领域十分广泛，如传感器技术、数据采集技术、信号传输及抗干扰、数据处理及传输、数据及图形显示、雷电防护技术、无线电和抗干扰、计算机软件及数据库、无线电发射及接受、自动语音实时播报及有效预报、相关资料共享的计算机网络系统等等。根据上述可知，该系统要求掌握的技术多，本文对AWOS系统的传感器技术、数据采集技术、信号传输及抗干扰、数据处理及传输、数据及图形显示技术进行了研究并将其应用到具体的教学实践中。为气象数据采集实验室建设打下良好的基础。&&第一章 绪论1.1引言WMO 1981《气象与仪器观测方法指南》将自动气象站（Automatic Weather Station）定义为“在这种站上，仪器自动地观测，发送或记录观测数据，如果需要，可直接或在编辑站转换成电码形式。”使用自动气象站是为了提高地面气象观测的时空密度和可靠性，从而提高天气预报的技术水平和天气监测与气象保障的能力。鉴于我国技术水平和配套能力的不断提高，目前已经基本具备自行研制生产的条件，为了使得地面气象六要素测量结果更稳定可靠，本文对地面气象六要素智能采集技术进行了研究并将其应用与实验室建设。本人在该试验板设计中担任一些设计工作，相在将自己的一些体会总结如下，恳请各位老师和专家不吝赐教。1.2地面气象六要素采集技术的发展十七世纪40年代，出现了一系列定量测量地面气象要素的仪器（1643年托里拆利发明了水银气压表），在气压表的出现前后，出现了一系列的测量地面气象要素的仪器开始应用，如：液体玻璃温度表，雨量器、毛发湿度表、风杯风速计等。但是当时测量地面气象六要素主要是通过人的介入进行观测。二十世纪20年代，无线电技术的应用和发展，出现了无线电探空仪，从而拉开了使用自动气象观测取代人工观测的序幕。随着测量测量仪器的发展以及半导体技术的发展，低功耗电子设备的性能不断得到改善，使得在严酷的气候条件下，也能保障各个气象要素观测的准确性和可靠性。这样便出现了较为简单的自动气象观测站，当时的自动气象观测站也就是本文介绍的地面气象六要素智能采集技术。二十世纪九十年代以来，随着电子技术的不断发展，尤其是微型技术的普遍和应用，气象自动观测与其他电子设备一样得到了快速发展。在此期间，发达国家开始广泛地建立地面观测自动气象站网。以美国为例，AAI/SMI公司生产的自动气象观测系统1991年起投入业务化使用。并获得成功推广。到1993年6月已有近300套系统在美国各州的机场和气象台站内安装，至1997年已与有关部门签订超过1500套大型系统的生产和安装合同。自动观测系统迅速取代传统的气象观测，成为现在观测的主流。我国对自动气象观测系统的研究起步比较晚，目前已经可以制造自动气象观测系统西，性能稳定，但是价格还是很高，对于局部区域而言，还是有一定的限制。但是随着我国国民经济的迅速发展，各个领域对自动气象系统的需求明显增加。对于局部区域而言，仅仅只需要观测对气象六要素的观测，而不需要对其他的要素进行观测，采用国内或者国外的相关产品，价格及其昂贵，因此对地面气象六要素智能采集技术研究具有重要的社会意义与经济价值。1.3地面气象六要素智能采集系统的基本构成及各部分的简单工作原理1.3.1系统的基本构成
图1-1地面气象六要素智能采集系统构成传感器采集地面气象六要素，并将其转换成相应的电信号，并通过一定的数据采集方式转换为数字信号，对该信号进行进一步处理，生成适合传输的信号，并通过信号传输通道传入微处理器（MPU），微处理器通过对传感器所传入的信号进行检测、筛选、分类、处理及加工，最终在液晶显示器上显示。1.3.2传感器传感器是整个自动观测系统的眼睛、是信源，传感器对地面气象要素的检测质量决定了系统观测指标的上限。因此从某种意义上说，地面气象六要素智能采集系统本身是一种具有六要素测量功能的、高度集成化的智能传感设备。所以说传感器是该系统的基础，为了构筑性能优良的智能采集系统，必须首先对所需要的传感器进行深入的研究。下面我们对该系统中所使用的传感器作概括性的介绍。地面气象六要素智能采集系统所使用的传感器，从本质上讲，可视为某种信号转换器，即将各种气象要素信息，如：温度、湿度、压力、风向、风速以及降水量转换成相应的电信号。该系统所使用的传感器，主要有以下几种类型：1）&温度传感器温度的测量通常采用铂金属温度传感器。它是利用金属导体的电阻随温度的变化而变化的原理制成的。通过电桥精确检测出测温金属元件在该温度下的电阻值，从而反演出相应的温度。2）&湿度传感器湿度传感器目前采用的大多是高分子薄膜湿敏电容作为敏感元件，其电容随空气湿度的变化而变化。3）&压力传感器气压传感器目前采用大多是电容式金属膜盒、硅单晶膜盒以及硅单晶压敏片等作为气压敏感元件，这些敏感元件的示值随气压变化而不同。4）&风向、风速传感器风向风速传感器一般采用采用风杯式风速计和带尾翼的风向标。风杯风速仪是利用风力推动风杯使得转动轴转动，通过检测转动频率来测量风速的大小；风向标是利用固定在风标转动轴上的编码盘生成相应的电信号，来反演出相应风向大小。目前也可以采用硅压阻测风。5）&雨量传感器目前通常使用翻斗式雨量计作为雨量传感器，使用脉冲计数装置来确定雨量的多少。1.3.3智能采集数据处理系统智能采集数据处理系统（广义信息处理系统的概念）是将各类实测的气象要素进行采集、检验、加工、处理、存储，形成符合相应规范的、用户所需要的气象产品（包括各类使用参数、网络参数、报文、广播等）；长期存储的原始和有关的参数；对系统故障进行诊断与报警；允许用户对系统进行设置和必要的检测和维护。1.3.4显示系统显示系统的用途是让采集系统生成的有关气象数据或信息进行显示，使用户可以方便、直观、清晰的看到或使用这些数据。1.4设计过程中应该考虑的一些问题1.4.1方案设计所应遵循的几点原则：1）&满足系统的性能及可靠性要求；2）&采用模块化设计硬件和软件，是系统具有良好的扩展性，可根据具体用户的不同需要进行合理的系统配置；同时使得系统的维护和管理简便；3）&采用成熟技术的同时，对一些新的技术进行研究；&地面气象六要素智能采集系统基本设计构想及分析1)&为了确保输出参数的准确、可信、可靠，必须对作为信源的传感器（对采集气象六要素的信息）进行比对筛选，对拟用的各种传感器提出具体的各项规定和相关指标，尤其是准确性、稳定性等方面进行严格的界定，同时对这种选择进行客观的分析和评价。2)&对信源（传感器信号）到数据处理系统的通信进行分析和设计。在本设计中主要包括信号的采集、通信方式，使得传输到数据处理系统的信息，在满足数据采集试验板使用要求的同时尽可能的准确可靠。3)&对数据处理系统的设计应重点放在各种传感器的数据采集部分。4)&信息显示，智能采集到的气象六要素应该实时进行显示在试验板上。1.5本文的安排为了便于介绍，本文采用如下章节安排。第一章，对自动观测系统进行概述性和原理性介绍；第二章，对自动观测系统中所使用的传感设备的工作原理进行分析；并重点讨论了产生误差的机理，提出降低误差的方法；在研究和对比的基础上提出选择适合自动观测系统使用的传感器；第三章，对系统中所需的各种传输方案进行比对和分析，在此基础上，规划并设计自动观测系统的信号传输及信号处理；第四章，对系统的硬件和软件进行设计，提出系统硬件的配置方案和清单和系统软件的配置方案；第五章，本系统应用到“2110工程”军事气象实验室和数据采集实验室；第六章,结束语。
&第二章& 传感器2.1 一般性描述从系统结构上分析，大气探测系统主要包括探测平台、观测仪器和资料处理部分。观测平台是安装仪器的基础性设施；观测仪器是指感应和采集各种气象要素的各种传感器或相关组合；资料处理部分则对完成对探测仪器输出的信号进行采集、处理、传送、加工、存储、显示等一系列信息处理工作。如果将传感器作为自动气象观测系统的信源，其重要性是不言而喻。因此，深入了解各类相关传感器的性能和简要的工作原理和性能，是研制自动观测系统的基础和前提。传感器技术是一门庞大而复杂的学科，本文重点不是进行传感器的深入研究，但是为了构成自动观测系统，必须对传感器进行一些基本的了解，只有了解了各类传感器的性能和简要的工作原理、性能特点，才能做到合理选取，设计优化，充分发挥其最大效用。传感器的主要性能指标，首先由其感应原理决定，同时与其使用的材料和制造工艺密切相关。从探测原理上说，主要有直接探测和遥感探测两种，遥感探测有分为主动遥感和被动遥感两种，一般来说，目前使用的遥感仪器的探测精度仍低于直接探测。另一方面，同一要素的测量，由于其探测原理的不同，性能差异可能很大。为此我们通常从以下几个方面对传感器的性能进行评价：1)&线性度：表示实际静态曲线与拟合直线的接近程度，又称为非线性误差 ，用传感器各测试点对于拟合直线的最大偏差 与传感器满量程输出之比 表示： = ×100％2)&灵敏度：传感器在稳态工作时，输出量的变化值 与相应输入量的变化值 之比，称为传感器的灵敏度K ：灵敏度反映了传感器响应变化对激励变化的灵敏程度，可能与激励值有关。&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 3)&灵敏阈：灵敏阈又叫“阈值”，是使传感器产生未察觉的响应变化的最大激励变化，这种激励变化应缓慢而单调的进行；也可以说是传感器的最小检测值。4)&迟滞:迟滞用以表示传感器在输入量增大和减小的不同变化趋势时，输出和输入特性曲线的不一致程度，用全量程中最大迟滞差值 与满量程输出 之比表示,即： ％。5)&重复性：重复性用以表示在相同的条件下重复测量同一被测量，测量仪器提供相近示值的能力。&6)&准确度：测量值与实际值（真值）接近的程度，可通过仪器误差的数值进行衡量。7)&坚固性：是指仪器的坚固程度。这种说明虽然不是很明确与科学，但这个概念却十分重要。则主要是因为它直接关系到系统能否可靠运行；说其不明确主要因为使用者的要求和使用环境的差异很大，所以很难有一个统一的标准。但总体而言也可归纳出坚固性如下一些共同的特点：平均无故障时间(MTBF)；仪器对环境温度、湿度、海拔高度等要素变化范围的适应性；所允许电压供电电压波动范围；抵抗强风和雷击等自然因素破坏的能力；安装件或结构件的坚固程度和抗腐蚀能力；8)&漂移及稳定性:漂移是测量仪器计量特性的慢变化；稳定性是指测量器具保持其计量特性随时间恒定的能力。2.2温度的测量2.2.1概述温度的宏观定义是物体冷热程度的体现，具体体现为热的物体温度高，冷的物体温度低；从热力学的微观角度看，温度是大量物质分子运动平均动能的体现；“气温”是空气这种特定“物体”的温度，是空气分子运动平均动能的体现；气象上指的气温，应具有较好的代表性，是指距离地面1.5m高处，在百叶箱中，空气能够自由流动，而不受太阳和地面辐射影响的空气温度。为了定量表示物体的冷热程度，客观地测量温度，必须建立一个衡量温度的标尺，用数值将温度表示出来；用数值表示温度的方法称为温标。通常，温标有“华氏温标”、“摄氏温标（百份温标）”和“开氏温标（绝对温标）”。2.2.2气温的测量方法气温的测量可分为接触式和非接触式测量两种。接触式测量气温时，感温元件被空气介质所包围，当感温元件与空气达到热平衡时，根据感温元件的感温特性确定空气的温度；非接触式测量气温时，测温设备接收来自空气的电磁波或者声波信息，利用红外辐射、微波遥感等原理探测空气的温度。地面气象观测使用的通常都是接触式测温元件。2.2.3测温元件温度智能采集所使用的传感器必须具有如下的要求：温度测量精度高；能较好地、全面地反映环境温度，而不是某一点的温度；可以方便地将温度信号转换成电信号，并且灵敏度要高；具有较高的稳定性和可靠性；具有很好的互换性；便于校准和维护；通常，气象用测温元件包括：液体（水银、有机液体）、热电偶（铜-康铜或锰铜-康铜）、金属电阻、热敏电阻、集成电路（IC）、石英晶体、热敏电容等。各种传感器的优缺点如所示：根据以上的分析，并参考有关的国内外自动气象观测系统的，应该选取金属电阻作为测温元件。这主要是利用金属的电阻率随温度而变化的特性，电阻的测量可以十分精确，可以方便地转换成电信号，而且金属本身一致性、稳定性较好。下面对技术电阻温度计进行简单的分析&&&&&&&&&& 优缺点感温元件&主要优点&主要缺点液体（水银、有机液体）&精度较高&必须有人的介入热电偶（铜－康铜等）&灵敏度高、线性&导热率高，高温易氧化严格保证参考端为固定温度，不宜于野外工作金属电阻（铂）&测温精度高，复现性好线性好，互换性好&电阻温度系数较小热敏电阻&电阻温度系数大&非线性差和互换性差集成电路&输出稳定&灵敏度偏低，精度低石英晶体&稳定性好，分辨率高&价格昂贵热敏电容&测温范围较大&精度较低表2－1温度传感器优缺点&地面气象六要素智能采集系统测量误差分析使用金属温度计测量温度,总会产生一系列的系统误差,其成因十分复杂,如:电流热效应引起的误差；平衡电桥测量时电桥电阻误差，电源误差；引线电阻引起的测量误差,尤其是引线电阻随温度变化导致的测量误差；转换电路引起的误差；电阻与温度曲线线性化较正引起的误差；有通风量变化引起的误差；湿度变化引起的误差；测温元件热滞效应引起的误差；环境热辐射（如太阳辐射、大气散射、地面反射辐射）所造成的测量误差，等。为使温度数值能较真实地反映实际温度，即：使温度测量误差被限制在测量范围内，必须对误差的各种成因加以详细而深入的分析和研究，并对所使用的元件、工艺、使用条件和环境提出具体要求和规定。这也是选择相应传感设备的基本依据。由于篇幅限制，在此不能一一加以详述。鉴于测量元件的热滞效应是一种迟滞效应，而迟滞效应是感应元件所共有的一种特性，是影响温度测量的精确度的一个重要因素，其原理分析具有一定的代表性，故作一些简单介绍。目的主要是了解针对这类问题的一种分析方法。元件从外界吸收（或失去）的热量：&&&&& ……………（2-1）其中，T和 分别表示元件以及环境温度，s为测温元件的有效散热面积，h为热交换系数。元件吸收（或失去）热量使得其温度发生变化dT，根据热交换平衡原理有：&…………………………（2-2）其中，c为比热，M为元件的质量，将上面两式合并有：&…………………（2-3）令 （ 被称为热滞系数，其定义为温度表的示值与介质温度之差（ ）减小到起始温度差（ ）的1/e所需要的时间，其单位为s）。 表示温度表响应温度变化的速率。这个速率与热滞系数 成反比。为了减小热滞误差，提高响应速度，应该减小测温元件的质量m，并要选取比热小的测温物质；增大测温物质与被测介质的接触面积s；增大两者之间的热交换系数h，h取决于介质流速的大小。则有：&& ……………………（2-4）解上述微分方程（2.2.4）得：&…………………………（2-5）1）&在环境温度恒定条件下的滞后误差即 为常数，初始条件为 ＝0时， ，则只有当 时，才有 。由此，可以看出示度与环境间存在滞差。经时间 温差为： ，或达到 所需时间： 例如在初始温差为 条件下，一个热滞系数为300s的测温元件，欲使滞差达到 ，则需要1380s，即23分钟。2）&当环境温度呈线性变化时的热滞误差环境温度呈线性变化： 式中： 为环境温度的变化率，即 。初始条件为 ，即开始时温度与环境温度已达到热平衡。解微分方程得到：&…………………………（2-6）1．当时间τ足够大时（一般取 ），热惯性误差 ，为一常数。2．热惯性误差的大小，取决于β、λ。例如：实际气温每小时升温3℃，即：β＝1/1200（℃/s），对一个热滞系数小于300s的元件，滞差可达0.25℃；当热滞系数小于60s时，滞差仅有0.05℃。3）环境温度呈周期性变化时的热滞误差&&& 环境温度以周期 、振幅 呈简单的正弦变化，则：&…………………………（2-7）将上式代入（3－19）式求解可得：&…………………………（2-8）常数 由初始条件确定。当 时，&…………………………（2-9）&&& 由上式可知：1．温度表的示值也呈周期为 的正弦变化；&&& 2．温度表的示值振幅A小于实际振幅 ， &&& 3．温度表示值的正弦变化相位落后，相移角为： .表2－1列出不同 所对应的振幅衰减和相位落后。表2－2 温度表热滞对温度周期性变化的影响&5&2.5&1&0.5&0.25&0.1&0.05&0.025&0.018&0.032&0.064&0.157&0.303&0.537&0.346&0.954&0.988&0.994&88.2&86.4&81.0&72.3&57.5&32.1&17.4&8.9&6.5&&& 根据实际观测资料估计，1.5m高处百叶箱内的气温日变化可看做日振幅取作5℃的周期性变化，若要保证记录下来的日振幅误差小于0.05℃,则可由下式估计出测温元件的热滞系数应小于2000s：&…………………………（2-10）若同时要求最高（和最低）温度出现的时刻相位落后所引起的误差不超过5min，则可估计出测温元件的热滞系数应保持在300s以下，即&…………………………（2-11）再举例来说，对于λ＝50s的温度表，若介质温度变化周期为100s，实际温度变化幅度为1℃，则温度表的示值变化幅度为0.3℃；但若介质温度变化周期为2000s，则温度表的示值变化幅度为0.95℃，与实际变化幅度就很接近了。又如，若想测量周期为1s的气温的微脉动变化，且要求振幅测量达95％的准确度，则测温元件的热滞系数λ应小于0.05s。根据上述讨论可见，进行气象观测时应规定测温元件的热滞系数，以减小测温元件的滞差，保证观测的可比性。WMO要求地面气象观测用温度表当通风速度为5m/s时，热滞系数应在30s~60s之间。通过对测温元件热滞效应的分析，我们可以看出：测量原理所造成的测量误差是一种系统误差，其构成因素较为复杂，且对测量的影响很大。因此，我们在使用某种探测原理进行实际测量时，应尽可能对其加以深入的研究和分析，否则就不可能获得较理想的、真实的测量结果。当然，为使温度测量准确可靠，绝不仅仅如上述这么简单，比如在实际使用中，需用特制百叶箱防辐射，保证良好的通风环境、选择合乎规定的观测地点、对传感器进行提高反射率和抗腐蚀性的加工处理，使用多只铂电阻进行互校及取舍处理，取有效数据的平均值作为测量值等很多实际措施。2.3湿度的测量2.3.1概述空气湿度是表征空气中水汽含量的物理量，通常表征空气湿度的量有以下几个量：水汽压、相对湿度、露点和露点温度、绝对湿度、混合比、比湿等。我们通常所说的湿度指的是相对湿度2.3.2湿度的测量方法湿度的测量方法很多，主要有干湿法、机械吸附法、电元件吸附法、重量法、露点法、光学辐射法。2.3.3测湿元件通常测湿元件有干湿表、冷却式露点传感器（冷却镜面式、石英振子）、湿敏电容（高分子湿敏电容、 湿敏电容）、湿敏电阻、红外线吸收式湿度传感器。干湿球湿度计由于：1）&根据其测量原理其输出信号很难转换为电信号；2）按照我国现行规范，-10℃以下就需要停止使用干湿球湿度表。因此干湿球湿度计一般不适用于自动观测系统使用。光学测量法是基于空气中的水汽对光谱的吸收效应原理，它是目前唯一用来测&地面气象六要素智能采集系统量湿度快速脉动的方法。但是由于目前还有许多技术问题未能得到较满意的解决。随这相关技术的进一步完善，也许将来会更多的使用光学测量法。因此，自动气象观测系统所使用的湿度传感设备，目前仍多为电学湿度测量法。下面就电学测量的一般性原理和应用作一些粗浅的探讨。电学测试法所使用的测湿元件主要有：碳膜测湿片和高分子薄膜湿敏电容等。1）碳膜湿度片使用溶胀性较好的高分子聚合物－烃乙基纤维素和聚丙烯酰胺为感湿材料，加上导电材料碳黑，以及分散剂凝胶配置成的胶状液体，浸渍到聚苯乙烯片基上。片基长边两侧溅射上银电极。简要工作原理：高分子聚合物吸湿后膨胀，使悬浮于其中的碳粒子接触概率减小，元件电阻增大；反之，当湿度降低时，聚合物脱水收缩，使碳粒子相互接触概率增加，元件电阻值减小，通过测量元件电阻值便可以确定空气相对湿度。取相对湿度33％时的电阻值 为基准，在其它相对湿度下建立电阻比值 与相对湿度间的对应关系，据此来测得相对湿度。2）高分子薄膜湿敏电容的构成及其简要工作原理。高分子薄膜湿敏电容的结构如图：
在一个有机玻璃或玻璃片上首先用扩散法制作两个金电极，然后涂上有机膜作为介质，形成一个电容器件。感湿膜厚度仅（0.5～1）m，直接关系到测湿特性；太薄会使表面与底部的电极短路，太厚则使时间常数增大，以至完全不能感湿。基片厚约0.5mm，长、宽约5mm。由于电极引线很短、表面电极薄，难于焊接，因此两根引线都从基片上引出，形成两个电容串联的形式。相对湿度变化时，感湿膜能吸附和释放水汽分子，引起其介电常数发生变化，从而使元件电容量改变。利用电容量与相对湿度的函数关系即可测量湿度。高分子薄膜湿敏材料主要有聚酰亚胺(Polyimide)、醋酸丁酸纤维素、聚砜(Polysulfone)等。当元件吸收（或释放）水汽时，吸湿材料的介质常数发生改变，从而使元件电容发生变化。根据电容的变化量便可测得相应的湿度。在实际是使用中湿敏电容是通过转换为一定的电信号来体现的。由于湿敏元件的离散性，电路应有零点和满量程调整电路，在校准时使用两种不同的恒湿盐，在相对湿度为10％和80％两点调整输出的零值和满量程值，并保证期间的非线性偏差低于1％。2.3.4误差分析湿度的误差主要是原理性测量误差，而这类误差主要由于所使用的测试元件所引起。下面对次问题进行一些分析。主要误差来源:2.3.4.1滞后与迟滞误差
常温条件下，湿敏电容的动态响应较迅速，时间常数在30s左右，如图2-3所示。常温下迟滞误差也较小，约为1％RH～2%RH。饱和水汽压随温度的变化呈指数关系，低温时，即使相对湿度达到了100%，空气中的水汽压也很小。因此，低温下吸附式测湿元件较难达到与空气湿度的平衡，滞后误差和迟滞误差均明显增大。表4－8列出了某厂生产的10支湿敏电容传感器在－30℃时迟滞误差的实际测量结果。可以看出，该批湿敏电容的迟滞误差在相同的温度下有较大的分散性，且随温度的降低明显增大，甚至大到20%RH。表2-3: －30℃时10支湿敏电容迟滞误差的测试结果&&&&&& 单位： %RH&&&&&& 感器号测试点%RH&72&33&39&64&71&60&70&69&38&&12.1&3.6&6.8&4.6&5.8&10.0&4.5&3.6&8.251&4.5&17.0&4.0&8.5&6.0&9.4&14.5&7.1&6.5&11.737&5.3&19.3&5.1&10.3&7.4&11.4&17.5&8.0&6.9&14.922&5.1&18.6&5.3&11.1&8.0&11.1&16.8&8.4&7.1&14.215&4.2&13.1&4.5&8.3&6.4&9.0&12.2&6.8&6.0&11.22.3.4.2温度误差温度不但影响湿敏电容的迟滞特性，也直接影响其感湿特性。图4－29列出的是同一支湿敏电容25℃、5℃和－30℃的测试结果。可以看出，低湿时，三种温度条件下几乎都与标准值相差不大；而高湿时，与标准湿度值比较， 25℃下约偏低3%RH，5℃下约偏低5%RH，－30℃下偏低达30%RH以上。即随着温度的降低，湿敏电容传感器的放大倍率明显变小，从而造成温度误差。温度误差可以在测量电路上采取补偿措施，不同的补偿方法，其整体温度系数差异很大，但仍与元件本身的温度特性有关。一般，将感湿元件和测量电路的温度系数合在一起考虑，采用软件补偿方法，即通过在各温度条件下的湿敏特性测试，采用查表及插值求出温度补偿后的测量值；或采用多元非线性拟合，求出温度补偿公式。经补偿后，温度系数约为0.1～0.4pF/℃。下式是HD公司的HM1500型湿敏电容的温度补偿公式：图2-4& 湿敏电容传感器不同温度时的测湿结果U = V out ×10 C3 （39.1 －0.056Ta）－38.5实现温度误差的软件补偿，必须具备能够在较宽温度范围内进行湿度测试检定的设备，这是我国发展湿度敏感元件的当务之急。2.3.4.3基点漂移湿敏电容属于吸附元件，在测量过程中必然会受到污染，引起其基点漂移。一般，湿敏电容传感器的基点漂移较其它气象传感器都要显著，年稳定性约为0.5%～1.0%RH/year。因此，检定周期较短，要求半年检定一次。若污染严重，基点漂移量过大，又不能再生，只能将传感器作报废处理。2.&4气压的测量2.4.1概述气压的概念：单位面积上大气分子运动所产生的压力，称为气压。气压在数值上等于单位面积上从所在地点垂直向上延伸直至大气上界的整个空气的重量，即：&& ―高度为z的测站所受的大气压强； ―空气密度；g ―重力加速度。压强的计量单位：WMO规定，气象上用百帕作为气压的计量单位，符号是 。压力的分类：压力分为绝对压力和表压力。绝对压力是以真空作为参考压力的差压；表压力是以环境气压作为参考压力的差压，其压力是对于大气压的相对值。气象上所的压力是一种绝对压力，气压表是绝压的，是基于与大气重力平衡原理的气压测量仪表，都有一个“真空参考端”。2.4.2压力的测量方法自1963年水银气压表发明以来，气压测量技术有了很大的发展，气压测量通常采用力平衡的方法。这些方法是：液柱式：利用液体压力来平衡，如水银气压表；活塞式：利用专用砝码的重力总用在活塞的有效面积上所产生的压力来平衡压力，传压介质有液体和气体两种；弹力式：利用固体材料形变产生的弹性力来平衡气压，如空盒气压表；随着传感器技术的发展现在还有以下几种：谐振式：振筒气压仪；气体测压：沸点气压仪；半导体式：硅压阻2.4.3测压元件 空盒：利用金属弹力与大气压强相平衡的原理来测定气压；振动筒压力传感器；石英晶体谐振梁压力传感器；硅压阻传感器：其简要工作原理是半导体材料在外界应力的作用下，禁带宽度发生变化，从而使得载流子的浓度和迁移率发生变化，从而使得材料的电阻发生变化。具体是用单晶硅制成硅环，在硅杯感应膜片上，取径向为坐标轴，在膜片边缘&地面气象六要素智能采集系统紧靠坐标轴两侧，利用平面工艺扩散4个相互垂直的等值应变电阻，将硅膜片烧结在陶瓷底座上，点好内引线、封帽、抽气密封制成气压传感器，硅膜片上面处于真空腔内，下面与大气相通，膜片所受压强等于外界大气压力.当大气压力变化时，膜片产生应变，4个应变电阻的阻值会发生改变，通过电桥将应变电阻的变化量转换为电压输出，通过测量电压值，反演出相应的气压值。2.4.4误差分析影响半导体气压计测量误差因素有：温度漂移、器件的非线性、疲劳老化、污染物附着、光辐射的影响、真空度变化、制造工艺缺陷、转换电路产生的测量误差等。1）根据半导体的特性，我们不难看出：测量误差主要由温度变化引起的，为减小这种测量误差，在实际电路中采用扩散技术将4个电阻制作在同一硅膜片上，构成压敏全桥，在外围电路中增加相应的零点温漂补偿调整（如串并联电阻等）电路。但总体来说，这种补偿调整比较困难，封装材料和硅片间的热膨胀系数差异会引起热失配，以及安装紧固时产生的应力不可避免的影响桥路的信号输出，从而引起零位失调的漂移。这些因素引起的失调和温漂比较复杂，补偿较困难，因此在封装结构，材料及紧固方法上必须仔细分析和研究。否则传感器的最后性能便难以保证。2）温度变化引起的另一个重要影响是灵敏度的变化，称之为灵敏度漂移。对于这种误差可以通过改进IC的设计，以及设计合理的接口电路进行一定的补偿。3）器件的非线性表现在：压敏电阻电桥的非线性，即随着压力的增加输出灵敏度呈下降（或上升）趋势，补偿的一种方法是在电路中增设校正电路，随着压力的增加，使桥路电压有一定的提升(或降低)。4）一般说来，半导体压力传感器的抗疲劳老化性能比金属好得多，可限定最大位移量，使其工作在弹性限度范围之内，在此范围内，通常可以不考虑其永久变形，必要时可在接口电路加入相应的补偿。5）大气污染物（如水汽、粉尘等）对测量的影响是显而易见的，为此必须对进气口空气进行过滤和采取相应的防护措施。6）真空度的变化是不可避免的，这可以通过定期检定、校准和及时更换来解决。综上所述，影响压力传感器测量精度和准确度的因素十分复杂，在此只能加以归纳。目的在于：提醒我们在实际使用中必须加以足够的重视并仔细分析和研究，否则是很难达到目的的。2.5风的测量2.5.1概述气象学规定空气的水平运动称作风，风的来向为风向，单位时间内空气的水平位移为风速。气象学上具有统计意义和比较意义的风是距地面10m~12m处的空气水平运动。大气具有湍流特性，气流随时间和空间的变化剧烈，对于某一固定点，风具有阵性，因此，风的观测应包括平均量和瞬时量。一般选取一定时段（10min或2min）内的平均值代表比较稳定的主导方向的分；瞬时值（实际是很短时间内的平均值）则反映大气的湍流特性。风的计量单位：风向一般用方位表示，最常见的是16方位表示法。在测量准确度要求较高时，可以直接用角度的计量单位“度”表示，并规定正北为 ，顺时针方向增加。风速以“米／秒（m/s）”为基本计量单位,另外还有“公里／小时”、“海里／小时”和“节”等。其换算关系是：&&&&&&&& 1小时／公里＝0.227m/s；1海里／小时＝1节＝0.514m/s。平均风和风的阵性：算术平均法――在规定时间内，按等时间隔采样一组测量值，其平均值为：&，&&&& …………………（2-12）WMO建议风的平均时间，天气学和气候学取10min，航空气象取2min,采样时间间隔与传感器的时间常数有关；自动观测系统的采样时间一般为1s。矢量平均法――视风向风速为一个矢量。设某时段有n次风向（D）、风速（v）的测量记录。选取x坐标向东，y坐标向北。第i次记录 、 在x、y方向上的分量为&， …………………………（2-13）则在这段时间平均风速 和平均风向 为：&，& …………………………（2-14）式中： ， 2.5.2风向风速的测量方法自动气象观测系统所测量的为地面风。有关地面风的测量方法有很多种，从探测原理来看，风速的测量主要有：1）利用风压原理的有：压板式风速表；机械旋转式风杯风速仪；螺旋桨式风速表；扭转－定角度的应变式风速仪；纯动静压原理的皮托管及阻力球测风速装置等。2）利用加热物体的冷却速率制作的温度表及热线、热模、热球等风速仪。3）利用气流遇到障碍物会产生扰动并产生涡流的原理，制成的带风标的涡流风速表；开口管式涡流风速表。4）根据声波在大气中的传播速度随空气流动而变化的原理制成的声学风速计。5）根据离子位移、激光、射流等原理的风速仪等等。品种繁多不胜枚举。风向的测量主要有：1）基于风压力矩作用的矩形平板单叶风标；2）为增加低风速时的转矩而采用的张角双叶风向标；3）利用螺旋桨风速仪上的尾翼风标；4）球体风向仪，定向装置（如超声波风速仪、离子射流风速计、射流测风传感器）等。2.5.3测风元件根据对风向风速的观测要求,以及现有的设备成熟程度,目前主要用的风要素测量设备以三杯风速仪和单尾平板风向仪为主，这主要因为：1）三杯风速仪具有较良好的与风速成正比的线性响应，结构简单、耐用、起动风速较小。另一方面，与其它测风感应元件相比，风杯风速仪测定平均风速较好，能较好的适应观测的要求。2）采用叶板式风向标，主要由于其结构简单、质量较轻、稳定性较好、有利于平均风向的测量，同时由设备对环境产生影响而引起的测量误差较小。为了更深入的了解自动观测系统，我们必要简单了解一下三杯风速仪和叶板式风向标的简单原理。三杯风速仪的工作原理：风杯一般有三个碳纤维轻质合成塑料半径（或抛物面、或锥形）空心杯组成，并以120度夹角固定在垂直旋转轴支架上.当风从当风从测面吹来，风对风杯的压力其凹面迎风，承受风压最大；凸面迎风，由于风的绕流作用使其所受风压较小，这种压力差使得风杯向凸面方向旋转，风速越大压力差也越大，风杯转动也越快，于是根据风杯转速便可测得相应的风速。转速的测量方法很多，目前较为常用的有磁电方式和光电方式。磁电转换方式是通过固定在风杯旋转轴上的磁转盘和霍尔检测元件构成的，磁转盘上均匀分布十几(或数十)个小磁体，当风杯组件转动时，磁盘随之转动，于是通过霍尔磁敏元件时感应出脉冲信号，单位时间内脉冲个数（即脉冲频率）与风速呈一定关系。经计数、换算后便可以得到实际风速。其二是光电式测量法，它由连于转动轴上锯齿形圆盘（机械部分）及固定的发光二极管和光敏三极管（检测及转换电路）组成。当风杯转动时，带动夹在发光二极管和光敏三极管间的锯齿圆盘转动，于是圆盘上的锯齿不断地遮挡二极管发出的光线，从而光敏三极管便输出宽窄不等的变频、变宽脉冲信号。该信号经整形放大后，送入相应的处理电路，同样得到风杯转速相关的脉冲信号，使用一定的算法便可以求得相应的风速值。这种方法简洁、可靠、灵敏度好。风向标的简要工作原理：风向标是有头部（亦称平衡重锤）、指向杆（亦称水平杆）、尾翼（或称风尾）以及旋转轴构成。风尾的外形种类很多，如单尾型、双尾型、菱形、翼剖面型等。整个风向标垂直安装在转动轴上，其旋转轴心正好是它的重心。风向标结构和造型的选择主要考虑：其一是灵敏度，即在小风的条件下应该能反映风向的变动；其二是良好的动态特性（稳定性），即能迅速准确地跟踪风向的变化，当然灵敏度和稳定性是一对矛盾，在实际中必须综合考虑。当风的来向与风向标成一定的角度时,风对风向标的尾翼产生压力,这个力可以分解为垂直于尾翼平面的力及与尾翼平面平行的力,平行力对尾翼不产生位移,而垂直于尾翼的力产生使风向标围绕垂直轴转动力矩,当该力矩大于风向标的摩擦力矩时,风向标便围绕转动轴转动,直至风向标的头部针对风向时,尾翼两面受力相等,转动力矩为零,风向标达到稳定状态,此时风向标头部所指示的方位即为风的来向。风向标的机电转换通常有电触点盘，环形电位器、自整角机和光电码盘等方法，其中最常用的是光电码盘。光电码盘是安装在风向标转动轴上的轻质材料圆盘，其上按一定规律（如格雷码编码规则）在不同的半径环路上，顺序刻制不同的弧长的缝隙，在码盘的上方顺序装有数个发光的二极管，每一个发光二极管对应着一位码，下方安装相同数量的光敏三极管，依次对应每个发光二极管。当风向发生变化时，风向标带动码盘转动，镂空部分二极管所发出的光可以到达光敏三极管，从而使其导通光敏三极管，未镂空部分光被阻断，相应的光敏三极管处于截止，于是便可以生成风向标所在方位的代码。根据风向标的基准方位（一般在安装时，指北杆与指北线在同一方向上，并以正北为基准0°），通过相应的解码以及计算便可以得到风向方位。目前根据实际使用需要，编码盘多采用7位格雷码编码方式。采用格雷码的目的是为了减小误码对测量的影响，由于格雷码是每进一位只有其中的一位发生0与1之间的变化，因而即使发生误读也只能产生一码的误差。使用这种方式得到的风向值其分辨率约为2.8°（360/27），这个精度能较好地满足使用要求，十进制、通用二进制以及格雷码转换关系见表：十进制&0&1&2&3&4&5&6&7&8&9二进制&10&01&00&1001格雷码&11&11&00&& 十进制、通用二进制以及格雷码转换关系注:二进制 与格雷码间的关系为:&地面气象六要素智能采集系统&…………………………（2-15）式中符号“ ”为不进位加，其运算规则为：0 0＝0，0 1＝1，1 0＝1，1 1＝0。2.5.4误差分析造成风测量误差的因素很多，详细探讨各种因素形成的测量误差不是本课题的研究任务，但是在此有必要讨论一下风杯风速仪的过高效应，目前史载建立这样一个概念，即：在本系统构成中，机械原理所造成的测量误差对整个系统是有很大影响的。因此在本系统中仅仅只能考虑电子部分或者线路造成的误差，应该有一种系统的概念。这一点在实践中很重要。A）&假设外界风速v恒定，风杯相对空气的运动速度为(具体推导过程参考《军用地面气象仪器教程》)：&…………………………（2-16）式中 为扭力矩， 为空气阻力矩， 为动摩擦力矩， 为静摩擦力矩。当摩擦力矩很小，可以略去不计时，上式简化为：&…………………………（2-17）从上式可以看出：当摩擦力矩忽略不计时，风杯的转速与风速成正比。从中我们不难得出以下结论：、1）&当风速较小时，必须考虑两种摩擦力矩（动摩擦力矩和静摩擦力矩）；而风速较大时，摩擦力矩所占比例随风速增加而降低，在实际使用中应根据所要求的测量精度加以考虑和较正。2）&由于摩擦力矩的存在， 曲线在接近零点区域明显弯曲，只有当风速达到某一阈值 时（及曲线与v坐标的交点处的风速值），风杯才开始转动，该阈值成为启动风速：&（即当n=0时的风速值）从上式可以看出：启动风速值与风杯的固有参数有关，而与环境风速无关，可以视为风速仪的一项固有参数，在实际过程使用中，必须注意使用要求和所选风速仪相匹配。B)当风速变化时，如从 跃变为 ，由于惯性的原因，风杯转速不可能在瞬间跃变，需要一个相应过程。设风杯转速为 ，根据风杯风速计的转动方程有：&…………………………（2-18）整理得：&………（2-19）其中： &称为尺度常数（是仅与风杯本身的固有性能有关的参数），而 称为风杯风速仪的时间常数，它与待测风速成反比。风杯风速仪的这种特性所造成的实际影响是：仪器指示的平均风速总是高于实际风速的平均值，这种特性称之为风杯风速仪器的过高效应（当然风速过高效应还会受到垂直风和风向脉动的影响），它使风杯风速仪的测量结果存在系统性误差。通过上述对风向风速仪的机械探测原理引用的系统误差分析，我们可以有这样的结论：探测原理引入的系统误差是十分重要的，要达到较高的测量要求，必须对测量原理有深入的了解，测量原理的变革对测量系统指标的贡献往往大于电路部分改进。因此，在系统设计过程中不能仅考虑电路设计，更应该从探测原理开始分析和论证，以期达到最佳的系统设计目的。2.6降水的测量2.6.1概述降水量是指从天空降落到地面上的液态或固态（经融化后）降水，未经蒸发、渗透、流失而积聚在水平面上的水层深度。地面气象观测规范规定：降水量以毫米为单位，保留一位小数。纯雾、露、霜、雾凇、吹雪不作降水量处理。2.6.2降水的测量方法降水的测量方法主要有承水法、光学法、雷达微波法和卫星遥感法。其中承水法为直接测量法，其它为遥感测量法。承水法有翻斗式、称重式、压敏式、水导式、电容式、虹吸式和电功率法。遥感测量法有光学法、雷达微波法、卫星遥感法。2.6.3测量降水的器件测量降水量的常规仪器有：雨量器、翻斗式雨量计及虹吸式雨量计。除此之外，近年来又研制出很多新型的测量降水设备，如光学雨量计、采集总雨量计、镀金栅极降雨探测器、智能全天候雨量计、天气雷达等。虽然降水测量设备种类很多，但目前自动观测系统中大量使用的仍然是翻斗式雨量计。这主要是因为：1）翻斗式雨量计可以较好地满足使用要求；2）结构简单、性能稳定可靠、维修方便；3）环境适应性好；4）输出为脉冲信号，便于处理和计量。&图2-5翻斗式雨量计结构图翻斗式雨量计由水器、上翻斗、汇集漏斗、计量翻斗、计数翻斗和干簧管等组成。如图所示：上翻斗与计量翻斗是两个对称的三角容器，在对称中心压入不锈钢转轴。计数翻斗是两个对称的的方形翻斗，在中心也压入了不锈钢转轴，在计数翻斗上装有磁钢，磁钢极性与转轴垂直。翻斗转轴有轴承支撑以保证翻斗灵活转动。在上翻斗和计量翻斗两侧分别有一对调节螺钉，调整螺钉位置能调整翻斗的翻转倾角，即改变启动计量翻斗所需的水量。雨水通过上翻斗及汇集漏斗将降水注入计量翻斗。上翻斗与汇集漏斗的主要作用是使不同的自然降水强度积聚成近视固定的量，通过汇集漏斗截流管，人为地使注入计量翻斗的雨水成为一股一股的水流，其流量相当于6毫米／分的降水，既不发生雨水的滞留现象，又不使注入计量翻斗的雨水强度过大。感应器的工作过程：雨水由承水器（口径一般为20厘米左右）汇集，通过装有小圆形护网的小漏斗及其下端的引流管注入上翻斗。当上翻斗承积的水量达到一定数量时，上翻斗反倒，雨水流入汇集漏斗有截流铜管流入计量翻斗，当计量翻斗承积到相当于0.2毫米的降水时，计量翻斗反倒，把雨水倒入计数翻斗，使计数翻斗翻动一次，装在计数翻斗中部的小磁钢，对气上面的干簧管扫描，使干簧管接点磁化而瞬间闭合一次，送出一个电路导通信号,雨量计的记录及处理单元根据该脉冲信号进行计数及计算，从而得到中的降水量以及各规定时段的降水量等参数。2.6.4误差分析测量误差主要由机械和制造原因引起的，尤其是极弱或极强降水的情况下，会出现翻斗延迟或提前误翻。因此为尽量减小这种情况造成的差错（尤其容量较小的翻斗）。于是我们必须注意在制作中应该使用的材料、加工工艺及配合精度、各类技术指标或参数，精心安装、校准、调试、注意保持仪器的清洁并定期保养、维护等。
表2-5& 温度传感器的工作性能传感器类型&薄膜铂金RTD： ＝100 @0 ； ＝0.000385 / /
温度范围&-55 到+150
温度精度&& ，两者取大
基本电阻和换性&& 100 @0
线性度& 0.1%在-40 到125
时间常数&16s在空气中（3.5m/s）操作电流&推荐使用1mA，2 mA时自热引起的误差<1
稳定性&<0.25 /年;0.05 每五年在工作环境
自热&<15mW/
绝缘电阻&>50M&&&地面气象六要素智能采集系统本系统传感器的选取(同种传感器的比较)根据以上分析，经过论证和调研，本实验板温度传感器选取的是薄膜铂电阻（HEL-776）；湿度传感器采用的是湿敏电容（HIH3610）；压力传感器采用的硅压阻（24PC）；风向风速采用的是EZC－1风向传感器，EZC-1风速传感器；降水采用的是SL3翻斗遥测雨量计。下面就具体的传感器给以简单介绍：2.7.1温度传感器：温度传感器的工作性能如上表2-5:温度值与对应电阻值(计算所的结果)如表2-6：表2-6温度值和对应电阻值：温度值&电阻值-60&76.33-55&78.-45&82.29-40&84.27-35&86.25-30&88.22-25&90.19-20&92.16-15&94.12-10&96.09-5&98.040&100.005&101.5&105.5&109.5&113.61&40&115.0&119.0&123.242.7.2压力传感器压力传感器特点：专利的导电密封弹性连接系统消除了传统的导线粘结和带状连接，增加了介质的测量兼容性；基本传感器图：&
&图2-5& 24PC硅压阻传感器结构图技术规格（+5V， ）如下表2-7：表2-7硅压阻技术规格：&最小值&典型值&最大值&单位电源&---&5&12&V零点偏置&-15&0&-30&mV零点漂移&---& ---&mV线性度&---& &%满量程灵敏度&---& &---&%满量程重复性&---& ---&%满量程反应时间&---&---&1.0&ms输入阻抗&---&5.0k &---&ohms输出阻抗&---&5.0k&---&ohms全年漂移&---& ---&%满量程重量&---&2&---&g表2-8 硅压阻传感器环境指标：工作环境&－40&C～+85&C存储温度&－55&C～+100&C冲击&150g认证试验振动&0～2kHz,20正弦试验介质&适用于那些不与多醚酰亚胺，硅，氟硅酮密封片起作用的介质2.7.3湿度传感器Honeywell的相对湿度传感器是热固聚酯电容式具有信号处理功能的传感器，线性放大输出、工厂标定，独特的多层结构，能非常好地抵抗环境的侵蚀，诸如湿气、尘埃、脏物、油及一些化学品。特点：低成本，大批量OEM（Original equipment manufacturer原始设备制造商）设计；0.05in和0.1in两种引脚可选择；精度2%，激光修正互换性至5%；低功耗设计：200uA驱动电流；快速反映：15s；稳定性好、地温漂、抗化学腐蚀性能。HIH－3610湿度传感器是为大批量OEM设计、具有仪表级测量性能、低成本、SIP封装。线性放大的电压输出可使器件直接与控制器或者其它器件连接，一致性好，厂家提供单个传感器标定数据。HIH－3610特性指标如下表2-9：表2-9 HIH－3610特性指标型号&HIH-3610RH精度& RH，0-100%RH非凝结，25&C，供电电压＝5VDC
RH互换性& RH，0-60%RH；& @90%RH
RH线性& RH典型值
RH迟滞& RH满量程（最大值）
RH重复性& RH
RH反应时间&15秒，慢空气流动中RH稳定性& RH（典型值），在50%RH环境，（5年时间内）
供电电压&4到5.8V，传感器在5VDC下标定消耗电压&0.2mA@5VDC输出电压&VOUT＝VSUPPLY［0.00629（Sensor RH）+0.16］，（典型值）@25&C所附的工厂标定数据提供类似的、每个传感器单独标定的数据@25&C供电电压＝5V&0.8到3.9VDC输出，@25&C典型值温度补偿&真实RH＝（Sensor RH）/（1.16T），T为摄氏度湿度（工作）&0到100%。非凝结湿度（存储）&0到90%。非凝结工作温度&-40&C～+85&C存储温度&-51&C～+125&C封装&塑封注：&&&&&&&& 1、长时间处于>90%RH，将引起 的漂移；2、当供电电压处于>5V时，上限可以提高；3、传感器对光敏感，为得到最好的测量结果，应避免传感器接受亮光2.7.4风向风速仪2.7.4.1 EZC－1风速传感器EZC－1风向传感器感应元件为三杯旋转式风杯，采用的是高性能增强型工程塑料，耐稀酸、碱、盐的腐蚀，耐高温、低温，耐紫外光化作用，吸水率低，具有很好的环境适应性。根据测试数据拟合出的频速关系为： v=0.1F。其技术指标如下表：表2-10& EZC－1风速传感器技术指标：测量范围&0～60m/s准确度&≤ 30m/s时， （0.5+0.03v）；> 30m/s，
分辨率&0.1m/s起动风速&≤ 0.5m/s距离常数&2～5m2.7.4.2 EZC－1风向传感器EZC－1风向传感器感应元件为单翼风标，前端有带阻尼板的风向标头，尾翼选用在高温高压下成型的炭布板，其比重较小，具有好的刚性、强度、耐腐蚀和耐老化性能。较大的尾翼面积、尾翼板纵横尺寸比及回转半径，较小的平衡锤回转半径及较大的平衡锤重量，都使得风向标具有小的起动风速、小的距离常数和适当的阻尼比，并消除了转动时的抖动现象。风向传感器技术指标如下表：&地面气象六要素智能采集系统表2-11& EZC－1风向传感器技术指标：测量范围&0～360&准确度& 10&
分辨率&2.812&起动风速&≤ 0.5m/s阻尼比&0.3～0.52.7.5翻斗式传感器SL3翻斗遥测雨量计可以较好地满足使用要求；结构简单、性能稳定可靠、维修方便；环境适应性好；输出为脉冲信号，便于处理和计量。翻斗翻转一次翻倒的水量相当于降水量0.1mm。SL3翻斗遥测雨量计技术指标如下表：
表2-12&& SL3翻斗遥测雨量计技术指标测量范围&0～999mm/日准确度&≤10mm时， 0.2mm；>10mm时， 2%
分辨率&0.1mm灵敏阈&0.2mm2.8本章小结本章对自动观测系统中所使用到的各种观测量，以及各类传感设备进行了理论分析；特别是对测量误差进行了深入的研究；提出了提高测量精度的各种对策；为自动观测系统传感器选型提供了技术性依据。这些内容是整个系统研究和开发的基础。可以这样理解：自动观测系统实际是一种各类传感器及测量设备的集成，并将各个传感器的测量数据进行进一步加工应用的系统工程。因此对整个系统的研发而言，这一章是十分重要的基础性工作。
&第三章传感器信号采集与处理3.1传感器信号的采集3.1.1传感器信号的分析在次系统中，由于传感器种类较多，信号类型也多。本系统采用的传感器是非智能的，其输出信号的性质有很大的差异，其不适合与远距离传输。因此需要对此类信号进行处理。目的有二，其一是使得各类信号性质归于统一；其二是使之便于长距离传输。下面对此类信号进行了分析和研究。在本系统实际使用中，测量温度、湿度、压力、风速和风向以及降水都是非智能的，而且各种传感器的输出信号性质也是不同。根据传感器的工作原理，分析其特性，我们可以将这些信号归纳为以下四类：a)&模拟量：温度传感器、湿度传感器、硅压阻传感器、压力传感器。由于测量要素的不同，模拟量的数量级有很大的差异。b)&数字量：风向标的码盘输出。这类信号按照一定的规则进行编码（如格雷码）。c)&频率量：风杯风速计的输出为脉冲信号，所测定的风速值是其输出脉冲频率的单值函数。d)&触发脉冲信号：翻斗式雨量计的输出便是这种类型。虽然其输出同样是矩形脉冲，但所需要记录的是两个脉冲之间的时间间隔，以及规定时间内的脉冲数量，因此对这类信号的处理有别于频率信号。3.1.2传感器信号的处理对于上述四种类型的信号，要实现传输，必须经过加工处理。一种方法是：分别对各传感器的信号加工处理，经各自单独的通信线路进行传送。这种方法适合于分散布置的使用环境。第二种方法是设置集中的信号采集计处理单元，对不同性质的信号进行统一的处理，这种方法在实践中往往是可行的。因为在使用中往往将温度、压力、湿度等等测量设备置于同一地点。采用这种方式构成的基本气象要素观测设备，被称之为自动气象站。这种安排统一处理提供了地理上的方便。另一方面，相对于电子设备的处理和传输速度而言，这几种基本气象要素的获取时间较长，因此可以通过适当降低传输速率来换取信道的共享，从而减少了通信连线。我们在此将这种统一进行信息采集及处理的设备称之为数据采集器。它的功能是对传感器探测到的信息进行摄取、处理，并转化为统一的数字信号，然后按照一定的形式进行编码组合，生成数据文件，为信号的进一步传输提供基础。3.1.3传感器信号的采集根据以上分析可可以知道本系统所用传感器有以下几种信号：模拟信号、数字信号、频率信号和脉冲信号。下面对各种信号的采集进行逐一分析。1）&模拟信号：根据选择的传感器可知，温度传感器、湿度传感器以及压力传感器的输出是模拟信号，通过放大，经过A/D转换，CPU对转换的结果进行采集处理，传输到显示器。具体如下图：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
2）&数字信号：根据选择的传感器可知，风向传感器输出是数字信号，通过寄存器， CPU对寄存的结果进行采集处理，传输到显示器。具体如下图：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 3）脉冲信号：根据选择的传感器可知，降水传感器输出的是脉冲信号，经过跟随器电平的改变来表征脉冲信号，CPU对跟随器电平进行实时监测、处理，传输到显示器。具体如下图：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 3）&根据选择的传感器可知，风速传感器输出是频率信号，通过锁存，CPU对转换的结果进行采集处理，传输到显示器。具体如下图：
3.2传感器输出信号的传输通过对国内外系统分析，我们发现在自动观测系统中，传感器输出信号传输通常有：1）&有线方式：RS-232-C方式；RS-485方式；20mA电流环；调制解调器（Modem）方式；双音频电话通信接口。2）&无线方式：以VHF和UHF调频通信体制对中心站进行数据实时传输；使用卫星调相体制的无线传输。下面对常用的一些通信形式作简要的分析。A)RS－232－C是由EIA（Electronic Industries Association,电子工业联合会）定义的串行接口的电子与电缆连接特性的标准，是数据终端设备（DTE）之间的串行二进制数据交换接口。RS为推荐标准，232是识别代号，C是版本号。使用RS-232-C进行数据通信时，由于传输距离较短，一般对信号不进行信道编码，而是采用负逻辑直接传输，即负电压表示逻辑“1”，驱动器的输出电压必须在－15 ～－5V之间，正电压表示逻辑“0”，驱动电压的输出必须在+5～＋15V之间。电缆的最大物理长度一般不超过15米（使用时一般不超过12米），终端电容不应小于2500Pf（包括电缆电容）。RS-232-C的接口定义如下表：9芯针号&25芯针号&信号缩写&信号流向&信号说明1&8&DCD&DTE&载波检测输出2&3&RXD&DTE&数据输入3&2&TXD&DCE&数据输出4&20&DTR&DCE&数据终端已准备好5&7&GND&&信号地6&6&DSR&DTE&调制解调器已准备好7&4&RTS&DCE&请求发送8&5&CTS&DTE&清除发送9&22&RI&DTE&环路指示注其中的RXD、TXD、GND为必接端子。连接时，插针头用于终端设备，插孔座用于发送设备。使用RS-232-C的 最大好处是简单方便、兼容好，缺点是其传输距离较短，抗干扰能力较差。因此这种通信方式通常被应用于传感器内部的信息传递；或在系统中完成同一室内、子系统间近距离的通信连接（如主备机间、中央处理系统和终端机间的连接）。B)RS-485采用平衡式方式，具有较强的负载驱动能力和抗干扰能力，与RS-232-C相比，信号的传输距离大大增加（通信距离一般在1200米以内），应用领域日益广泛。使用RS-485所带来的最大好处在于：可实现一点对多点的通信，这一点在实际使用中十分有用（如可减少电缆数目、实现信息共享等）。可用来实现室内系统之间的中距离通信，如不同房间子系统间的数据传输等。本实验电路板仅仅只是在室内工作，所以本系统之间的数据传输采用RS-232-C和RS-485方式。3.3本章小结本章讨论了气象传感器的信号采集、信号处理及信号的传输问题。经过对比分析，选择了RS-232-C和RS-485方式进行数据传输，为系统的进一步设计提供了依据&地面气象六要素智能采集系统面气象六要素智能采集系统设计4.1微处理器（MPU）&
4.1.1微处理器概述MCS-51系列单片机是美国Intel公司生产的8位单片机。在该系统中我们采用其中的80C52型单片机作为整个系统数据采集、处理及对外通讯的核心控制单元。内部包含如下功能部件：8位CPU；振荡器和时钟电路；8K字节的程序存储器ROM；256字节的数据存储器RAM；可寻址外部存储器和数据存储器各64K字节；二十多个特殊功能寄存器；32线并行I/O口；一个全双工串行I/O口；3个十六位定时/计数器；6个中断源，有2个优先级，同级中断则按照优先顺序；具有较强功能的位处理（布尔）能力；4.1.2 系统时序的实现整个系统的工作在系统时序的控制下有序的进行。在该系统中，准确的时序是由系统的微处理器提供的。8051的XTAL1和XTAL2引角分别为单级片内反向放大器的输入/输出端，其频率范围为1.2～12MHz。XTAL2又是内部时钟发生器的输入端，这个内部反向器可与外部元件（电容和晶振）组成如图所示皮尔斯（Pierce）振荡器。在任何情况下，振荡器始终驱动内部始终驱动内部时钟发生器向主机提供时钟信号。
4.2模数转换器ADC4.2.1MAX196芯片概述&MAX196是美信公司生产的12位A/D转换器，单电源供电，根据控制字可以选择输入范围， ，0到10V，0到5V输入，提供6通道模拟输入，6 转换时间，100ksps 采样速率，可选内部/外部时钟，两种电源模式；具体结构图如图所示：&图 MAX196内部结构图4.2.2A/D转换器与微处理器的接口A/D转换器与微处理器的接口如图所示：&12位并行接口是MAX196与外围模块通信的唯一通道。外围通道对片内各寄存器的读/写操作时的数据传输都是通过并行口进行实现。其中低八位不仅仅进行数据传输而且进行控制字的传输，实现微处理器对A/D转换器的控制。A/D转换器并行接口由 、 、 、 和12个并行接口组成。 为时钟信号输入端， 、 为读/写控制信号， 为中断输出接口，当新的采样数据准备好输出低电平来通知微处理器可以接收数据。4.2.3保证A/D采样精度的措施4.2.3.1布线和接地由MAX196采集可以直接采集传感器输出信号，因而对于小信号仅仅只要放大输出即可不用加任何处理，但是在设计印制电路板时不采取任何布线措施是行不通的。为了保证A/D的采样精度，在设计电路板时应该注意以下问题：地线要尽量短和粗，数字地和模拟地要分开布线并在一点汇合；模拟地可以布在MAX196芯片下面，但数字地应避免布在MAX196下面；时钟信号要用数字地屏蔽，输入的模拟信号要用模拟地屏蔽；印刷电路板中的剩余部分要用大面积的敷铜来覆盖，以增加抗干扰性能。4.2.3.2A/D工作时序的控制A/D转化器在工作过程中，应尽量保持系统电源的稳定，减少电源的波动对A/D采样精度的影响。这个系统由微处理器控制进行A/D采样、公式运算及通信等操作。其中通信模块工作时，系统电流消耗较大，电源波动变大。若此时进行A/D采样操作，则采样结果误差较大。为此，系统对上述各工作过程进行了一定的限制，即A/D采样结束进行运算操作，运算完成后启动通信操作，当一次通信结束后在进行下一次A/D采样操作。由此可避免通信时系统电源波动对A/D采样精度的影响。4.2.4 A/D芯片功能的实现本系统中，微处理器与A/D转换芯片的连接是通过A/D转换内部并口实现的，通过该接口微处理器可以对A/D转换器进行各种设置，并接收A/D转换结果。要完成MAX196的A/D转换功能，软件上必须先对片内的各控制器进行设置，一般软件的设置过程如图所示：在单片机使用MAX196A/D转换芯片以及数据采集构成中主要涉及到以下几个方面内容：时钟和功耗模式的选择；采集方式的选择；量程和极性选择；采样通道的选择；数据的读取。这些通道和采样方式等内容的选择，主要通过微处理器向MAX196发送控制字来实现的。MAX196的控制字格式如表所示：表：MAX196控制字D7（MSB）&D6&D5&D4&D3&D2&D1&D0（LSB）PD1&PD0&ACQMOD&RNG&BIP&A2&A1&A0&地面气象六要素智能采集系统PD1、PD0：选择时钟和低功耗模式，其设置如表所示：表：时钟和功耗选择PD1&PD0&说明0&0&正常工作，外部时钟模式0&1&正常工作，内部时钟模式1&0&后备低功耗模式，不影响时钟模式1&1&低功耗模式，不影响时钟模式ACQMOD：选择采集方式，0为内部控制采集，1为外部控制采集。RNG、BIP：RNG位选择输入端的满量程电压范围，BIP位选择单极性和双极性转换模式。其设置如下表所示：表：量程和极性和选择BIP&RNG&输入范围0&0&0～5V0&1&0～10V1&0& V
A2、A1、A0：用于选择多路输入/输出的地址。其设置如下表所示：表：通道选择A2&A1&A0&CH0&CH1&CH2&CH3&CH4&CH50&0&0&*&&&&&0&0&1&&*&&&&0&1&0&&&*&&&0&1&1&&&&*&&1&0&0&&&&&*&1&0&1&&&&&&*4.3传感器电路4.3.1AD620芯片概述&AD620是低价格、低功耗的仪器放大器。应用简单，仅仅只要根据给定公式，选取合适的外围电阻即可得到需要的放大倍数，放大倍数在 1～1000之间；输入范围宽（ ）低功耗；最大工作电流是1.3mA；4.3.2温度、压力、湿度以及硅压阻信号的采集电路温度、压力、湿度以及硅压阻信号是模拟信号，其中温度、压力和硅压阻是根据桥路设计，输出为压差，使用AD620放大器放大，放大后连接到A/D转换器进行数据采集。湿度传感器输出量为电压值，由于其阻抗与A/D转换器不匹配，要经过AD620进行数据跟随，使得阻抗匹配，满足数据采集的要求。4.3.2.1温度传感器采集电路和误差分析1）温度传感器的测量电路（信号调理电路）功能是将随温度变化的电阻值变量转换为电压信号。本系统采用了三线不平衡电桥测量线路，其电路图如下图：&2）电桥可用来测量电阻值，通常由于导线电阻的介入会引起误差，在设计电路板时，导线尽可能的粗、短。这样可以忽略导线引入的测量误差。根据上图可以看出，从AD620输出的电压值 利用以下公式计算得出：&根据设计可知R5=R4＝2400(精度千分之一)，R3＝100（精度1/1000），R6＝390（精度1/1000），U=5V（精度1.5/1000），Rt测量误差为所以根据计算结果可知&已知各个参量的系统误差 ，从而可以近似得到函数的系统误差 为&假设测量到的电阻值为真值，有以下公式：&&＝ ＝ ＝0.001。最大测量误差Rt为最大值时Rt为123.24欧，Rt为最小值时Rt为76.34欧的系统误差为：Rt为最大值时误差为 为： Rt为100时误差为 为： ，Rt为最小值时误差为 为： 根据以上的计算结果可以知道，由于电路引起的误差很小，可以满足要求，所以电路引起的误差可以不计。4.3.2.2压力器采集电路和误差分析1）24PC系列绝压传感器1脚：标准电压，2脚：输出（+），3脚：模拟地，4脚：输出（－），输出是差分信号，可以直接连接到差分放大器上，输出正电压到A/D。&2）当选择一个压力传感器时，总误差影响是重要的，下面对压力采集电路的误差进行分析和处理。根据选取得传感器参量可以知道其误差如下表：误差来源&误差典型值&计算公式&计算结果零点漂移&0.002V& X100％0.1％量程误差&0.03&& X100％0.6％线性度&&&0.25％重复性&迟滞&&&0.15％全年漂移&&&0.5％总误差&& 0.84％最坏情况&&0.1+0.6+0.25+0.15+0.5&1.6％4.3.2.3湿度传感器采集电路和误差分析1）湿度传感器输出的是电压信号,输出范围宽,不用再放大,由于其输出和A/D转换器的阻抗不兼容,因此进行了如下电路设计,使得阻抗得以匹配。&地面气象六要素智能采集系统|免费论文2）误差分析：根据测量电路可以知道，输入值等于输出值，没有误差源的介入，电路误差可以。
4.3.2.4风向风速传感器采集电路和误差分析&风速是频率量，我们可以直接使用微处理器的C/T对风速进行频率测量。风向是数字量，可以直接与微处理器相连接，由于电平不匹配，要求中间加一个电平转换模块，再通过74LS244与微处理器相连接。4.3.5降水的测量电路&降水是一个脉冲量，通过使用D触发器建立一个跟随器，通过读取输出端的电平得到降水量。4.4系统电源模块电源是一个电系统能源的提供者，系统中各个部分所需的点能都由各个电源模块来提供。电源性能的好坏直接影响着整个系统是否能够正常工作。本系统选用了一个通用电源模块，提供 的电压，通过两极转换产生 的电压，其次为了使得传感器的输出稳定，本系统还采用MAX675芯片从+9V到+5V的精密转换。下图为MAX675的引脚图。&4.4.1MAX675概述MAX675是一个高精度电源转换模块。输出电压+5V；误差为 ；低温漂；低电流漂移；低噪音等。4.4.2系统电源模块组成根据传感器的要求，温度传感器、湿度传感器和压力传感器要求精密电压源供电，风向风速传感器和降水传感器要求+12供电，AD620仪器放大器需要 供电，所以系统电源有精密+5V、+12V和 电压。具体框图如下：4.5系统通信接口模块4.5.1MAX232概述、MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5V TTL/CMOS电平。这些接收器具有1.3V的典型门限值及&0.5的典型迟滞，而且可以接收 的输入。每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。MAX232特点：当5V电源工作；LinBiCMOS 工艺技术；两个驱动器和两个接收器； 输入电平；低电源电流。MAX232逻辑图如下：&典型工作电路如下图：&4.5.2与PC机的接口电路由于PC机串口使用EIA电平，而本系统串口采用的是CMOS电平，两者之间不能直接相连接。要完成对PC机的通信功能必须有接口转换电路。该电路主要有两个功能，即与系统以外设备电气隔离及个控制信号和通信信号的的电气隔离。具体原理图见附录14.5.3 串行通信功能的实现8051系列单片机上有UART（通用异步接收/发送）用于串行通信，发送时数据由TXD端送出，接收时数据由RXD端输入。有两个缓冲器SBUF，一个作发送缓冲器，另一个作接收缓冲器。它是可编程的全双工的串行口。短距离的机间通信可使用UART的TTL电平，使用驱动芯片（MAX232）可接成RS-232-C和通用微机进行通信。串行口初始化：1）&串行口波特率：本系统选取的是11.0592MHz的晶振，选取波特率为9600k；2）&初始化步骤：确定定时/计数器的工作方式―编程TMOD寄存器；计算定时/计数器初值―装载TH0/1、TL0/1；启动定时/计数器―编程TCON中的TR0/1位；确定串行口控制―编程SCON；串行口在中断方式工作时；须开CPU和源中断―编程IE寄存器；&地面气象六要素智能采集系统液晶显示模块4.6.1显示模块的工作原理本系统采用的是YM12864R汉字图形点阵液晶显示模块，该模块采用台湾矽创电子公司的ST7920驱动芯片，可显示汉字及图形，内置ROM中含有GB2312一级、二级简体中文字库点阵中文字库，同时，为了便于构造用户所需字型，提供了4个16×16点阵的造字空间；为了便于英文和其它常用字符的显示，具有128个16×8点阵的ASCII字符库；为便于构造用户图形，提供了一个128×64点阵的GDRAM绘图区域。利用上述功能，YM12864R可实现汉字、ASCII码、点阵图形、自造字体的同屏显示。为便于与多种微处理器、单片机接口，模块提供了4位并行、8位并行、2线串行、3线串行多种接口方式。该模块具有3.3～5.0V的宽工作电压范围(显示负电压，也由模块自动提供，从而简化了系统电源设计。)，且具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可满足系统各种工作电压及便携式仪器低功耗的要求。模块同时还提供LED背光显示功能。除此之外，模块还提供了画面清除、游标显示/隐藏、游标归位、显示打开/关闭、显示字符闪烁、游标移位、显示移位、垂直画面旋转、反白显示、液晶睡眠/唤醒、关闭显示等操作指令。4.6.2与单片机的接口其接口时序如下图所示。一字节（8位）数据分三字节传输：&&&&&&&&&&&&&&&& 1．第一字节：串行控制格式11111ABC&&& A为数据传输方向：H表示数据从LCD到MCU，L表示数据从MCU到LCD；B为数据类型选择：H表示显示数据，L表示控制指令；C=0。2．第二字节：高4位数据―格式DDDD0000。3．第三字节：低4位数据―格式DDDD0000。&&& 当模块的PSB脚接低电平时，模块即进入串行接口方式。串行方式使用串行数据线SID与串行时钟线SCLK来传送数据，即构成2线串行模式。YM12864R还允许同时接入多个液晶显示模块以完成多路信息显示功能。此时，要利用片选端“CS”构成3线串行接口方式，当“CS”接高电位时，模块可正常接收并显示数据，否则模块显示将被禁止。通常情况下，当系统仅使用一个液晶显示模块时，“CS”可连接固定的高电平。4.7 系统总体流程图地面气象六要素智能采集系统软件在硬件系统的支持下，主要完成各种传感器信号的采集、处理、输出、显示等，可以分为主程序和中断响应程序及实现特定功能的子程序两大部分。程序的设计思想基于事件驱动的原理，程序初始化后，进入中断子程序，直到外部事件响应中断，进入下一个子程序。具体流程图如图所示：4.8本章小结本章对系统的硬件和软件设计进行了全面的方案对比和设计，提出了模块化设计的思想。并详细论证了各个部分的选择依据，最后完成了这个系统的硬件和软件设计。&地面气象六要素智能采集系统地面气象六要素智能采集技术应用地面气象数据智能采集电路板通过调试成功后，经过测试无故障，可以应用于军队气象信息采集实验室并实施。下面介绍军队气象信息采集实验室的功能、设备、可以开设的实验项目、面向的教学对象、以及装修的要求等。5.1军队气象信息采集实验室5.1.1军队气象信息采集实验室功能提供地面气象六要素智能采集实验及有关数据处理实验。5.1.2军队气象信息采集实验室仪器设备地面气象六要素智能采集实验电路箱（8套）；计算机（8台），伟福仿真器（8套），8个UPS。5.1.3军队气象信息采集实验室可开设实验项目温度的采集实验（模拟信号）：深刻理解铂电阻传感器的工作原理，采集与处理电阻信号。压力的采集实验（模拟信号）：深刻理解硅压阻传感器的工作原理，采集与处理硅压阻信号。湿度的采集实验（模拟信号）：深刻理解电容传感器的工作原理，采集与处理湿敏电容信号。风向的采集实验（数字信号）：深刻理解风向传感器的工作原理，采集和处理数字信号（格雷码）。风速的采集实验（频率信号）：深刻理解风速传感器的工作原理，采集和处理频率信号。降水的采集实验（脉冲信号）：深刻理解风速传感器的工作原理，采集和处理脉冲信号。串行口数据传输实验：深刻理解微处理器串行通信口，进行微处理器和间的通信。液晶显示实验：深刻理解液晶显示模块的工作原理；液晶显示模块汉字显示（包含扩充符号制作及显示）； 液晶显示模块字符显示； 液晶显示模块图形显示。进行实时气象信息的显示。综合实验：针对以上的各个实验，整合各个模块，深入理解微处理器的工作原理，了解中断、定时/计数器、串行口、并行口、时序的工作原理以及系统的总体设计原理。5.1.4面向的教学对象大气探测本科、测控技术与仪器本科、雷达工程本科、电子工程本科、信息工程本科、大气物理学与大气环境硕士研究生、信号与信息处理硕士研究生和对信号采集感兴趣的学员。5.1.5对装修的要求电源、空调及防静电实验台桌。5.2本章总结本章实现了地面气象六要素智能采集技术的技术应用，并分析了实验室的功能、设备、可以开设的实验项目、面向的教学对象、以及装修的要求和应用。第六章 结论本文对地面气象六要素智能采集技术进行较全面深入地研究。从本质上说地面气象六要素智能采集技术是“自动观测系统”的一部分，但是涵盖了现实中的基本的信号类型：模拟信号、数字信号、频率信号以及脉冲信号。让我们从根本上理解了自动观测系统从根本上变革了气象观测依靠人力的状况。本文的研究成果可以让理论很快的与实践相结合。在此对本文的工作作如下一些总结：1．首先详细介绍了自动观测系统的发展历史和现状并对系统的构成和工作原理进行了初步的分析和介绍。2．详细研究了用于该系统的各类传感器的工作原理，着重对产生测量误差的各类原因进行了研究和分析，并提出了有效降低测量误差的多种方法，并对系统进行了传感器的选取，为系统进一步设计提供了基础。3．在充分分析了使用环境和使用要求的基础上，对如何将传感器信号采集和传输，提出了良好的解决方法。4．在系统硬件方面：对系统硬件进行了深入的分析，设计了满足实验室建设的电路板，给出了系统硬件配置方案与清单。在系统的软件方面：对系统软件进行了深入的分析，根据实验的需要提出了模块化的思想，进行了模块功能设计，使软件运行的可靠性和灵活性得到了提高。最后给出了系统的总体设计方案。5．在分析地面气象六要素智能采集技术的基础上，把技术应用于实践，分析了建设的目的和意义以及实验板的应用对象和应用前景。本地面气象数据智能采集电路系统有以下的特点：1．硬件方面：1）模块化：分为模拟信号区、数字信号区、频率信号区和脉冲信号区，使得系统配置十分灵活。2）可扩展：输入和输出信号都进行了扩展，为系统的进一步扩展打下了基础。2．软件方面：模块化：功能清晰，使用方便，配置灵活，可靠性高。为系统的进一步扩展打下基础。更有利于学员进行扩展。
本论文的研究工作还存在着一些缺陷和不足，需要进一步改进和完善：1．传感器的问题：国内在传感器方面的研究水平与国外相比差距很大，制造技术差距就更大。特别是气象传感器所处工作环境极其恶劣，本系统的温度传感器、压力传感器和湿度传感器采用国外产品，由于技术封锁，购买的传感器可靠性不高，没有高性能。而传感器作为信源，是系统的基础，是决定系统性能的关键因素之一。2．经费和试验环境有限：经费有限使得我们不可能购买过多的传感器进行传感器进行筛选；试验环境有限使得我们不可能对传感器进行老化处理。（我们8套设备，仅仅只买了10套传感器）。3．实践太少：由于参加人员和时间的原因，我们仅仅只能对数据进行粗糙的比对，不可能对比对的结果进行大量的统计和概率分析，从而获得很好的算法。4．系统的可靠性设计环节薄弱：本系统的机型是在今年4月份定性并投产，虽然经过验证系统可以正常运行，但是天气的特殊性，要求我们需要在低温对系统进行验证，本系统没有进行低温验证。&地面气象六要素智能采集系统致谢值此论文完成之际，对在研究生学习及论文撰写过程中给过我指导、帮助和关心的所有老师、各级领导、同学及朋友们表示诚挚的感谢！首先感谢我的导师，解放军理工大学气象学院的杨*业副教授。三年来，导师以其渊博的知识、开阔的学术思路和严谨的治学态度指导我的学习，使我掌握了基本的科研思路和工作方法，为今后的工作打下了基础。在此，谨向杨教员在学习上给予的指导和生活上给予的关心表示衷心的感谢，并对杨教员的敬业精神表示深深的敬意！感谢探测与信息工程系、研究生管理大队的教员和领导在学习其间给予的关心和帮助！感谢我的师兄贾伟中尉和师弟杨朝辉中尉、景嘉洲中尉在平时学习和生活中对我的帮助。最后，我要感谢我的家人，是他们给了我求学成才的坚定信念，鼓励我顺利的完成自己的学业。&
在校期间的研究成果1、&张联超，杨长业，VSAT小站及其在气象远端站中的应用，气象水文海洋仪器，2004年第1期。2、&张联超，杨长业，小区以太网气象六要素实时广播系统，气象水文装备，2005年第1期。3、&林& 捷，张联超，单片机实现交通灯实时控制系统设计，气象水文海洋仪器，2004年第1期。
参 考 文 献1.Behrouz Forouzan．Introduction to Data Communications and Networking．北京：机械工业出版社，.潘新民，王燕芳．微型计算机控制系统．北京：人民邮电出版社，.孙育才．MCS-51系列单片微型及其应用．南京：东南大学出版社，.马忠梅．单片机的C语言应用设计．北京：北京航空航天大学出版社，.清源计算机工作室．Protel 99 SE 原理图与PCB设计．北京：机械工业出版社，.梁恩主，梁恩维．Protel 99 SE电路设计与仿真应用．北京：清华大学出版社，.陈龙三．C语言控制与应用．北京：清华大学出版社，.张玉存，军事气象气象仪器计量，解放军出版社，2000.59.MAX196 data sheet，MAXIM产品资料CDROM，200310.MAX675 data sheet，MAXIM产品CDROM，200311.MAX232 data sheet，MAXIM产品CDROM，200312.MAX490 data sheet，MAXIM产品CDROM，200313.周秀骥，高等大气物理学，气象出版社，.费业泰，误差理论与数据处理，机械工业出版社，.潘新民、王燕芳，微型控制技术，人民邮电出版式社，.李家瑞，气象传感器教程，气象出版社，.越家贵，付小美，董平，传感器电路设计手册，中国计量出版社，.赵负图《国内外最新常用传感器和敏感元件性能数据手册》&& 辽宁科学技术出版社；19.李科杰《新编传感器技术手册》 国防工业出版社；20.强锡富《传感器》第2版 哈尔滨工业大学 机械工业出版社 2000年；&地面气象六要素智能采集系统
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