@小型综合气象系统的研究与开发.pdf

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1、2 0 0 9 定增刊仪表技术与传感器I n s t r u m e n tT e c h n i q u ea n dS e n s o r2 0 0 9s u p p l e m e n t小型综合气象系统的研究与开发封锴，张中平，秦明，黄庆安(东南大学M E M S 教育部重点实验室，江苏南京2 1 0 0 9 6)摘要：基于C 8 0 5 1 F 3 4 0 单片机，集成了温湿度、气压传感器、实验室自主研发的风速传感器，设计了一种小型智能气象系统，具有温湿压、风速风向数据采集、存储、上传等功能。介绍了系统硬件以及软件基本原理，并给出参数补偿方案和实测数据。关键词：智能；气象系统；C 8

2、 0 5 1 F 3 4 0中国分类号：T P 2 7 3文献标识码：A文章编号：1 0 0 2 1 8 4 1(2 0 0 9)增一0 3 5 0 0 3R e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n to fM i n i a t u r eC o m p r e h e n s i v eM e t e o r o l o g i c a lS y s t e mF E N GK a i，Z H A N GZ h o n g p i n g，Q I NM i n g，H U A N GQ i n g-a n(K e yl a b o r a t o r y

3、o fM E M So fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n，N a r d i n g2 1 0 0 9 6，C h i n a)A b s t r a c t：B a s e do nt h eC 8 0 5 1F 3 4 0M C U，t h em i n i a t u r ec o m p r e h e n s i v em e t e o r o l o g i c a ls y s t e mw h i c hc a nc o l l e c t，s t o r ea n du p l o a dt h et e m p e r a t u

4、r e，h u m i d i t y，p r e s s u r ea n dw i n ds p e e da n dd i r e c t i o ni n t e g r a t e st h et e m p e r a t u r e，h u m i d i t ya n dp r e s s u r es e n og o ta n dt h el a b o r a t o r ys e l fd e v e l o p e dw i n ds e n s o r T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g np r i

5、n c i p l eo fh R r d w&l t 七a n ds o f t w a r e，g i v e so u tt h es c h e m eo fp a r a m e t e rc o m p e n s a t i o na n dm e a s u r e dd a t a K e yw o r d s：i n t e l l i g e n t；m e t e o r o l o g i c a ls y s t e m：C 8 0 5 1 嗍0 引言气象环境作为人们日常生活中的一个重要因素，气象检测系统扮演着重要的角色。智能化、高精度、小型化的自动气象站的应用需求

6、愈来愈大，取代传统的机械人工式的气象站将成为必然趋势。随着M E M S 技术的发展，传感器逐渐趋于小型化，C M O SM E M S 技术的成熟，更加速了传感器与处理电路的集成化。该系统采用C 8 0 5 1 乃4 0 作为主控制器，集成了S E N S I R I O N公司S H T 7 5 系列温湿度传感器、I N T E S E M A 公司M s 5 5 3 4 B 压力传感器、以及实验室自主研发的风速风向传感器，能准确采集温湿度、气压、风速风向等气象信息，并存储在内置F L A S H，同时通过R S 一2 3 2 串口上传至上位机。1系统硬件该系统主要分为采集、存储、通信3

7、部分，其硬件原理图如图l 所示。图1小型综合气象系统框图如图1 所示，气压传感器、温湿度传感器、风传感器负责收稿日期：2 0 0 9 0 5 2 6气象信号的采集，其输出均为数字信号，免去了A D 转换部分。F L A S H 芯片负责数据的存储，其8 M 的容量可存储近2 个月的数据。E E P R O M 存储了系统设置参数等固件信息。与P C机采用标准的R s 一2 3 2 通信，P C 机向M C U 发出满足数据通信协议格式的命令后，即可实现如波特率设置、参数设置、数据上传等数十种功能。1 1 单片机该系统所使用的单片机是S I L I C O NL A B 公司生产的C 8 0 5

8、 1 F 3 4 0。该器件是完全集成的混合信号片上系统型M C U 具有高速流水线结构的8 0 5 1 兼容的微控制器内核，主要控制系统的运行，用到了其中的S M B U S，U A R T，S P I 串行接口与外围芯片及上位机相连接。1 2 温湿度传感器采用瑞士S E N S I R I O N 公司生产的S H T 5 系列温湿度传感器。该单芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出温湿度复合传感器。它应用专利的工业c M 0 s 微加工技术，确保产品具有极高的可靠性与长期稳定性。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个1 4 位的A D 转换器以及串行接口电路在同

9、一芯片上实现无缝连接。每个传感器都在极为精确的温湿度校验室中进行校准，校准系数以程序的形式存在O T P 内存中。经测试补偿后，其温度输出精度达4-0 5，湿度达4-3 R H 与单片机采用标准的1 2 c 接口通信。1 3 气压传感器M S 5 5 3 4 B 是一款由瑞士I N T E R S E M A 公司生产的集成有压阻式压力传感器和A D C 接口的S M D 混合集成电路，可提供依赖于压力和温度的1 6 位数据字。模块中存储了6 个标定参数，用于高精度的软件补偿和校正。其具有低电压、低功耗、自动关闭电源等功能。可通过3 线S P I 串行接口与微处理器进行通万方数据增刊封锴等：小

10、型综合气象系统的研究与开发3 5 l信。1 4 风速风向传感器风速风向传感器为实验室自主研发的热传感器，采用热温差原理测风速，由单独的控制器控制其运行，与单片机采用1 2 c 接口通信。1 5E E P R O M&F L A S H系统使用了E E P R O M 和F L A S H 两个存储芯片，E E P R O M主要用来存储设备I D、密码、参数等非易失性数据，F L A S H用来存储测量所得的数据。系统中使用的E E P R O M 是A T M E L 公司的A T 2 4 C 5 1 2 芯片，具有6 4K 字节的空间，使用标准的I z C 通信。F L A S H 也是A

11、 T M E L 公司的A T 4 5 D B 6 4 2 D 芯片具有8 M 字节的空间，可以存放近两个月的数据。其具有并行和串行两种通信模式，该系统使用的是并行模式。8 个数据引脚与单片机8 个I O 口相连。1 6 时钟芯片系统使用的时钟芯片为日本S E I K O 公司生产的$3 5 3 0 A，能为系统产生准确的1 s 中断，为数据采集和上传提供了时间保证。另外其输出时间也为数据存储及上传保证了实时性。该芯片与单片机采用标准1 2 C 接1=I 通信。2 系统软件其主函数流程图如图2 所示，单片机初始化后，首先读取E E P R O M 中的温湿压、风速风向等标定参数，以及I D 号

12、；然后向上位机发送时间校准请求，接收到时间校准命令后，用接收到的时间初始化时钟芯片；最后进入等待命令循环，接收到命令后处理命令，在等待命令的过程中，系统每s 采样1 次温室度数据，每r a i n 上传1 次平均值，每3s 采样并上传1 次风速风向数据。每s 的采样中断由时钟芯片精确输出，首先从时钟芯片中读出当前时间，然后依次进行温湿压的采样，到38 时再采样并上传1 次风速风向，1m i n 后将采样的温湿压平均，并上传以及存储进F L A S H 中。上位机的功能命令主要分为全局设备和特定设备两大类，全局设备命令包括对I D 的读写，其中I D 存储在E E P T O M 中，特定设备命

13、令包括系统复位、波特率设置、参数设置时间校准以及数据上传等。系统复位采用软复位的方式即对单片机R S T S R C 特殊寄存器的控制达到复位目的。波特率设置通过对串口通信速率的改变来改变。参数设置将修改系统中温湿压，风速风向等补偿参数并存储进E E P R O M 中。时间校准将上位机发出的时间输入时钟芯片，以达到数据输出的实时性。数据上传则从根据所需上传数据的时间从F L A S H 中搜索出数据，并通过2 3 2I：1 传输出去。3 参数补偿及测试测出的温度需经过一定得参数补偿才能保证其数据的线性度、准确度以及一致性。3 1 温度数据补偿温度数据补偿的第一步为S H T 7 5 数据手册

14、中给出的补偿公式：圈2 主函数流程图T=一3 9 6 0+0 0 l r o式中瓦为从S H T 5 数据线中读出的数据。这样补偿后的温度经过测量后发现其数据呈如图3 所示趋势，即在2 5 处温度精度最高，温度越高或越低其偏差越大。毫喜C毫2 Ct CO。C删舯伸W1 7 q n 一圈3 一次补偿后温度曲线鉴于此，系统对温度进行了二次补偿：7 k=a l(r 一2 5)+2 5+a 2式中a，d：为标定后的补偿参数。经过二次补偿后的温度有着较好的准确度及一致性，图4为4 台设备的测量数据。3 2 湿度数据补偿首先进行为湿度非线性补偿，其补偿公式为R l=一4+o 0 4 05+R H o 一2

15、 8 1 0 6 R 丑：由于相对湿度的定义为某一温度下水蒸气压与相同温度下饱和水蒸气压之比。而饱和水蒸气压为此温度下水蒸气压的最万方数据3 5 2I n s t r u m e n tT e c h n i q u ea n dS e n s o r0 c L2 0 0 92 12 01 91 81 7，蝠和d k。一，-与嗣，HoHoH H 口H 口H，。H 位Ho oHH le 1”_ m ooH-oH 劓一时协口卜ooH _ Hd HH _圈4 二次补偿后温度曲线大值，温度越高，饱和水蒸气压越大，所以其受温度影响很大，所以非线性补偿后的湿度数据仍需进行温度补偿以抑制温漂，其补偿公式为R

16、 H 2=(T 一2 5)(0 0 l+0 0 0 00 8 R)+R：此时的湿度数据已基本有着很高的精度以及很好的线性了，但仍然存在一定的零漂问题，所以需进行零点调整：P a l n。=肼2+n l调整之后的湿度值测量数据如图5 所示。圈5 湿度曲线3。3 压力数据补偿M S 5 5 3 4 B 压力传感器内部储存有出厂之前的标定数据，每个传感器使用前从内部存储单元中读出此数据，补偿后的就可达到很高的精度和一致性，精度达0 3h P a 图6 为4 套系统所测数据。3 3 风速风向数据补偿风传感器为实验室自主研发的M E M S 热传感式风速计，有一个配套的处理与控制电路，补偿方案也在那套系

17、统中完成，传送给该系统的已经是补偿后的数据，不再详述。1 0 3 41 0 3 2气1 0 3 0压1 0 2 8营1 0 2 61 0 241 0 2 21 0 2 0一-一-h，、r一o，。：l。一。口c 一ooC-Io e l _ w-I“o e l H“o oo 帕H _ 曲蠕oH IHHH 1e 4 lHH圈6 压力曲线4 结束语该系统设计了一个数字化智能综合气象系统，实现数据的采集、存储以及上传，通过上位机的控制还能完成复位、设置等功能，经过合理的软件补偿后，温度精度达4-0 5，湿度达3 R H，气压达0 5h P a，一致性也有很大提升。参考文献：1 s i l i c o n

18、L 丑b 嘲t 0 妇C 8 0 5 1 F 3 4 0D a t a s h e e t E O O L r w W s i l-丑b s c 咖2 0 0 6 2 S e m i r i o n S H T 7 5 S H T l 5D a t a s h e e t E O O L c 锄2 0 0 8 3 I n t e r s e m a M S 5 5 3 4 BD a t a s h e e t E O O L 2 0 0 5 4 S e i k o S 3 5 3 0 AD a t a s h e e t E 0 0 L W W W s e i k o c o r n 2 0

19、0 8 5 A t m e l A T 2 4 C 0 2D a t a s h e e t E O O L w 蚋r a t m e l m 2 0 0 5 6 赵文博，刘文涛单片机语言C 5 1 程序设计北京：人民邮电出版社，2 0 0 5：1 1 7 8 7】胡立坤，王庆超基于U A R T 的可靠通信与性能分析计算机工程，2 0 0 6，3 2(1 0)：1 5 2 1 8 李怡达便携式气象检测微系统的研究与应用开发：学位论文 南京：东南大学，2 0 0 8【9 张迎新，雷文，姚静波c 8 0 5 1 F 系列S O C 单片机原理及应用北京：国防工业出版社，2 0 0 5：1 5 2

20、 0 0 作者简介：封锴(1 9 8 5 一)，硕士，研究方向为传感器检测电路与系统研究。E-m a i l：矗7 2 1 7 1 6 3 c o i n(上接第3 2 9 页)3 C H E NXX。P E N GCR Y EC，e ta 1 T h e m a l yd r i v e nm i n i a t u r ee l e c t r i cf i e l ds e l I 眦P r o c e e d i n g so ft h e1s tI E E EI n t e r n a t i o n a lC O I l f e r e n e eO nN a n o M i c

21、r oE I I g i n e e r e dm dM o l e c u l a rS y 咖，2 0 0 6。Z h I l l I a i C h i n a 4 JK I MCJ，K I MJY，S R I D H A R A NB C o m p a r a t i v ee v a l u a t i o no fd r-y i n gt e c h n i q u e sf o rs u r f a c em i c r o m a c h i n i n g s t m 幅a n dA c t u a t o r sA。1 9 9 8，6 4：1 7 2 6 5 D Y C

22、KCW，S M I T HJH，M I L L E RSL，e ta 1 S u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d es o l v e n te x t r a c t i o nh u ns u d a c e-m i c r o m a c h i n e dm i e r o m e c h a n i c a ls t r u c t u r e s S P I EM i c r o m a c h i n i n ga n dM i c r o f a b r i c a t i o n。1 9 9 6 6 李锐微机械可变电容制

23、作工艺中的牺牲层释放和残余应力分析制造技术，2 0 0 5，1 2：1 4 0 1 4 3 7 M A B O U D I A NR，A S H U R S TWR，C A R R A R OC S e l f-a s s e m b l e dm o n o h y e r s 髓a n t i s t i c t i o nc o a t i n g sf o rM E M S：c h a r a c t e r i s t i c sa n dI pc e n td e v e l o p m e n t s S e n s o r 8a n dA c t u a t o m，2 0 0

24、 0，8 0：2 1 9 2 2 3 8】S R I N I V A S A NU，H O U S T O NMR，H O W ERT，e ta I A l k y l t r i c h l o r o s i l a n e B a s e dS e l f-A 船e m b l e dM o n o l a y e rF i l m sf o rS t i c t i o nR e-d u c t i o ni nS i l l C O nM i c m m a c h i n e s J o u r n a lo fM i c r o e l e c t r o m e c h a n

25、 i c a lS y s t e m s 1 9 9 8，7(2)：2 5 2 2 6 0 作者简介：郭鑫(1 9 8 5 一)，在读硕士，从事传感器技术和M E M S 工艺的研究。万方数据小型综合气象系统的研究与开发小型综合气象系统的研究与开发作者：封锴，张中平，秦明，黄庆安，FENG Kai，ZHANG Zhong-ping，QIN Ming，HUANGQing-an作者单位：东南大学MEMS教育部重点实验室,江苏南京,210096刊名：仪表技术与传感器英文刊名：INSTRUMENT TECHNIQUE AND SENSOR年，卷(期)：2009，(z1)被引用次数：0次 参考文献(9

26、条)参考文献(9条)1.Silicon Laboratories C8051F340 Datasheet 20062.Sensirion SHT75/SHT15 Datasheet 20083.Intersema MS5534B Datasheet 20054.Seiko S3530A Datasheet 20085.Atmel AT24C02 Datasheet 20056.赵文博.刘文涛 单片机语言C51程序设计 20057.胡立坤.王庆超 基于UART的可靠通信与性能分析 2006(10)8.李怡达 便携式气象检测微系统的研究与应用开发 20089.张迎新.雷文.姚静波 C8051F系列

27、SOC单片机原理及应用 2005 相似文献(6条)相似文献(6条)1.期刊论文 孙志于 新疆气象系统计算机网络面临的安全问题与对策-新疆气象2004,27(2)随着互联网的普及和计算机网络技术的飞速发展,网络应用也日益普及.新疆气象系统已经建成了覆盖全疆的广域网络,智能小区网络也已经开始建立.网络给我们带来无尽方便的同时,也让我们陷入无尽的计算机网络安全隐患之中.一般认为,计算机安全包括实体安全(又称物理安全)、人事安全(又称行政安全)、软件安全、数据安全、运行安全诸方面.2.学位论文 王晖 上海市泵闸计算机自动监控系统调度平台技术方案研究 2007 上海市计划在十一五建成居于国内同行业领先水

28、平的水闸泵站综合调水调度系统，通过基于广域网的实时监测系统，完成对水闸、泵站调水运行数据、图像等的监测，并通过与水情、气象系统的联网，协调处理水文、水质、气象、设备运行等各种数据信息，为水资源的科学调度和优化配置提供现代化管理手段。水闸泵站计算机自动监控系统调度平台是建立在远程监控平台基础之上的应用系统，上承水力/水质数学模型，下接监控系统，是水利信息化实现从远程集中监控向计算机自动监控发展的一个重要跨越。为配合此项工作的顺利实施和完成，我们选择了上海松江区4个圩区的水闸站、泵站进行了计算机自动监控系统调度平台技术方案的研究，拟建成集数据采集、调度监控和行政管理为一体的智能化系统，对圩区内水闸

29、闸位、泵站的工作状态、关键处的水位、雨量、灌排流量等信息进行实时采集，将尝试把监控系统、水力数学模型、决策支持系统等多个系统有机结合起来，并最终实现智能决策和自动控制的目标，给管理者提供必要的水文信息，为排涝、挡潮提供依据，做到防洪标准化、排涝分流化、管理科学化，3.期刊论文 黄传坤.赵梅珠.肖子牛.杨肖鸳 农业气象智能决策信息系统功能分析与信息集成方法研究-中国农业气象2003,24(4)在分析农业系统特点的基础上,分析了农业气象信息系统的功能需求.同时对实现农业气象系统信息集成的6S技术(ES、DSS、MIS、GPS、GIS、RS)进行了研究,建立了Internet环境下的农业气象信息集成

30、模型框架.4.期刊论文 孙嫣.Sun Yan 省级气象计量管理服务系统-山东气象2007,27(3)根据气象计量管理服务工作的实际需要,综合运用软件工程的观点、方法,分析了气象计量管理服务系统的需求,基于C/S(Client/Server)以及B/S(Browser/Server)模式,采用ASP.NET等技术,开发了省级气象计量管理服务系统.该系统不仅在气象系统内部实现了信息共享和业务网络化管理,而且通过Web与外界的信息交换,为社会各类用户迅速提供了全面、准确的信息服务,具有完善的服务功能、较强的实用性和可操作性.省级气象计量服务管理系统的建立,为气象计量检测部门提供了一个智能化的业务平台

31、,使得仪器检测、查询等实现了由手工操作到自动化处理的转变,提高了工作效率,取得了较明显的社会和经济效益.5.期刊论文 熊安元 数字气象发展的战略分析-地球信息科学2002,4(4)从气象信息的数字化获取、智能化加工、可视化发布和网络化服务等方面论述了数字气象的基本概念和系统组成,讨论了数字气象系统建设的主要技术、基本思路和发展战略.6.学位论文 高超 人工影响天气指挥系统设计与实现 2008 气象部门经常开展人工影响天气作业活动，通过高炮、火箭、飞机播撒、地面燃烧等方式将催化剂播散到云层中，以此米达到人工增雨、人工防雹等目的。为了提高工作效率，需要开发一套完整的人工影响天气指挥系统。本文详细介

32、绍了基于GIS、J2ME和GPRS的人工影响天气指挥系统的设计与实现过程。本系统采用Client/Server结构，由指挥系统、指令中转服务器程序以及指令接收程序三部分组成。指挥系统使用GIS技术显示作业地区的地理信息，实时获取并显示气象局内部网络中的雷达图、卫星云图、风向图等资料，为作业指挥人员的决策提供数据支持。指挥人员确定作业区域和时间后，软件自动为相关火箭、高炮作业点生成详细作业参数，并将作业指令通过中转服务器发送给一线作业人员。指令中转服务器程序安装在具有独立公网lP地址的服务器上，接收来自指挥中心和作业点的数据包，对其进行数据校验和格式调整，并转发到对应的目的地。此外指令中转服务器还通过心跳包机制实现连接故障的确认和自动重连功能。系统使用智能手机作为指令接收终端，指令接收程序使用J2ME开发，通过GPRS网络连接剑指令中转服务器，接收并显示来自指挥中心的作业指令，并能够将作业人员输入的回执信息反馈到指挥中心。系统在实现基本工作流程外，还拥有较为完善的人员点名、操作确认、操作日志和数据库记录功能。本系统已经在山东省气象系统内得到推广，在实际运行过程中具有运行稳定可靠、指令接收延时小等优点，基本达到了预定的设计目标。本文链接：http:/