传感器课程设计报告小型气象监测系统.docx

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传感器课程设计报告小型气象监测系统

摘要

介绍一个小型多功能气象监测系统，该气象监测系统通过各类风速、风向、温度、湿度传感器将检测到的数据自动进展汇总分析并通过LCD显示。

关键词：

风速风向传感器；单片机；温湿度传感器

一课程设计任务和功能要求

现通过传感器设计一款既能测量温湿度也可同时测量风速风向的设备，可效劳于生产、生活的众多领域。

二设计应用背景

现在社会高度兴旺，气象状况变化万千，气象监测和灾害预警工程对于保障社会经济开展和人民生产生活有重要意义，气候状况对经济活动的影响也越累越显著，人们需要实时了解当前的气象状况。

风速、风向以及温度湿度测量是气象监测的一项重要内容。

该气象监测系统通过各类风速风向温度湿度传感器将检测到的数据自动进展汇总分析，并传输到终端平台。

可以到达无人监管，数据自动传输，更加省时省力方便快捷。

三系统分析

1．总体设计方案

小型自动气象站主要由三大功能模块组成，分别为主控模块、信号采集模块、显示模块。

小型自动气象站的组成框图如图1所示

图1小型气象系统框图

2.硬件设计

小型多功能气象监测系统其工作原理如图2所示，它以C8051F020单片机为核心，通过风速、温度、湿度传感器将检测到的数据进展汇总分析，单片机驱动LCD显示屏将风速、温度、湿度显示出来，以便于气象分析人员分析气象数据得出当前的气象特征，进而对气象可能影响到的事物做出规划，起到预防作用，减少不必要的损失。

图2硬件连接图

3.软件设计

单片机软件设计程序主要包括里初始化程序；输出实时风力风向、温度湿度模块；LCD显示屏模块等。

主程序的工作是每2s采样一次风速和风向，向显示控制单元发送气象信息,计算2分钟内的平均风速和多数风向；每10s采样一次气温、相对湿度和气压，并计算平均值。

系统有2级中断，UART0中断和T3中断。

UART0中断优先级高于T3。

当显示控制单元发出联机命令时，那么产生UART0中断，系统执行联机处理子程序系统采用11.0592MHz晶振产生系统时钟，用定时器T3计时，T3每50ms产生一次中断，当产生40次中断，即2s时执行2s子程序；T3产生200次中断时，即10s，系统执行10s子程序。

系统软件流程图如图3所示

图3软件流程图

4.难点分析

该系统如果采用有线传输，并且测量较远的气象环境时，会需要较多线缆才能检测到数据。

如果采用无线传输那么会随着测量距离的原理数据会出现更大误差。

解决方案：

测量近距离的气象情况，或者通过GPRS对数据进展远距离高精度传输。

四实施方案

1.传感器模块设计

1.1风速传感器模块

风速传感器的感应元件是三杯风组件，由三个碳纤维风杯和杯架组成。

转换器为多齿转杯和狭缝光耦。

当风杯受水平风力作用而旋转时，通过活轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率的信号。

风向、风速仪用于测量瞬时风速风向，具有自动显示功能。

主要由支杆，风标，风杯，风速风向感应器组成，风标的指向即为来风方向，根据风杯的转速来计算出风速。

风速传感器的构造图如图4所示

图4风速传感器构造图

风速传感器WAA-15是一种高响应、低门限、三风杯的光电型风速计,转换器由装接于风速计转轴上的齿盘组成，齿盘安置于光电耦合器的发光管与光电三极管之间并能随轴转动，光电耦合器装于印制电路板上。

转盘有多个齿度，当齿盘随轴转动时，发光管LED发射的光束被齿盘上的齿度切割，光电三极管即产生脉冲输出。

每个齿遮住光束时表现为低电平（即0态），轴转动一圈，屡次切割光束而输出一高一低的脉冲信号。

因此VASALA（WAA-15）和国内仿制的风速传感器，均输出频率与风速成正比的信号。

传感器使用DC12V电源，风速信号为时间轴上的12V脉冲频率信号。

风速传感器原理图如图5所示

图5风速传感器原理图

风速与脉冲频率的转换公式为：

即每10个脉冲为1m/s的风速量。

风速传感器主要指标为：

电源为DC12V，启动风速<015m/s，使用环境-40度～+50度（0～100%RH）

1.2温度传感器模块

工作原理：

测温度原理图如图6所示

温度测量是采用AM2301数字温湿度传感器，这是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件（AM2303采用DS18B20测温度），并与一个高性能8位单片机相连接。

每个传感器都在极为准确的湿度校验室中进展校准。

校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最正确选那么。

产品为4针单排引脚封装。

连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

AM2303数字式温湿度传感器输出数据格式为：

图6测温度原理图

图7所示为DS18B20的工作原理框图。

DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，特别适合用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号〔按9位二进制数字〕给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片，它具有三引脚TO-92小体积封装形式，温度测量范围－55～＋125℃，可编程为9～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到三根或者两根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

从而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于远距离多点温度检测系统。

图7DS18B20工作原理框图

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。

高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度存放器被预置在-55℃所对应的一个基数值。

计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进展减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度存放器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开场对低温度系数晶振产生的脉冲信号进展计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停顿温度存放器值的累加，此时温度存放器中的数值即为所测温度。

图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

综上，本系统采用DS18B20温度芯片进展温度的测量，采用该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。

1.3湿度传感器模块

湿度传感模块的工作原理图如图8所示

湿敏元件：

湿度变化电容变化电压变化输出电量收集数据

HS1101在电路中相当于一个电容器件，它的电容量随着所测空气湿度的增加而增大，为了能将电容的变化转换成电压的变化，我们设计了振荡电路、消除零点电容影响电路、整流路、积分电路、电压—电流转换电路、放大电路等。

图8工作原理图

图9湿度检测振荡电路图

振荡电路的作用是将电容的变化量转化为频率可变的方波。

或非门G1工作在电压传输特性的转折区，把它的输出电压直接连接到或非门G2的输入端。

G2即可得到一个介于上下电平之间的静态偏置电压，从而使G2的静态工作点也处于电压传输特性转折区上。

反应环路中电容使电路在两个暂稳态之间往复振荡。

由于电容充放电的时间T为2.2RC，所以输出的方波频率

，可见输出频率和电容值成反比。

通过这个电路使湿度信号变为电容值，最后变为频率信号输出。

湿度检测振荡电路图如图9所示

图10线性输出信号调整电路图

湿度的脉冲信号再经过后面的二极管整流、RC积分电路，得到随温度变化的电压。

由于信号比拟微弱，再经过一个同向比例放大器把信号放大，最终把信号调理为0～3Ｖ的输出。

线性输出信号调整电路图如图10所示

采用AM2301温湿度测量是采用AM2301数字温湿度传感器，这是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件（AM2303采用DS18B20测温度），并与一个高性能8位单片机相连接。

每个传感器都在极为准确的湿度校验室中进展校准。

2.优缺点分析及本钱

优点：

1.数据记录仪全程跟踪记录数据，数据准确、记录时间长。

2.记录风速风向的参数的变化，可以随时记录数据。

3.该设计具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

该系统适用于气象、能源、环保、农林以及军工等场所测量风向风速，湿度及温度。

本仪器体积小，重量轻，功能全，可广泛用于农林、环保、海洋、科学考察等领域测量气象的参数。

缺点：

目前还无法实现超远距离传输，如果技术成熟的话，可以通过GPRS/GSM对收集数据进展远距离传输到终端系统，更准确。

就现在的技术而言如果传输距离很远会使得测量数据误差很大，对结果造成影响。

本钱：

温湿度传感器AM2303，湿度精度+-2%RH；温度精度+-0.2，价格22元/只.

风速风向仪裸机1900元，风速传感器300元，风向传感器300元

五设计总结

在小型气象监测系统的课程设计里，由上述方案的进展综合分析，我们在传感器元件中选取不同的器件完成我们的小型气象监测模块的设计，测量温度湿度，风速。

拟采用方案如下较为合理：

基于风速传感器WAA-15测风速，利用AM2301数字温湿度传感器进展温湿度测量。

设计过程中通过查阅资料了解熟悉各传感器的工作原理及使用方法，利用单片机对各传感器模块数据进展处理并驱动LCD显示屏将温湿度及风速显示出来。

整个设计以可靠性为目标在实现根本功能的根底上仍有改良的余地，如可增加无线传输模块实现数据无线传输，增加其他传感器如风向、雨量测量传感器可实现更多功能的气象检测系统。

六参考文献

[1]河道清,X禾,谌海云.传感器与传感器技术,:

科学,2021.6

[2]李建忠.单片机原理及应用,XX:

XX电子科技大学,2007.11

[3]何希才.传感器及其应用实例,:

机械工业,2003.8

七成员及分工情况

小组成员

分工

InfiniteWu

资料整合，报告撰写

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风速传感器资料整理

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温度传感器资料整理

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湿度传感器资料整理