小型气象监测系统

课程设计

课程名：《信号监测与处理》题目：小型气象监测系统

类别：【设计】

班级： BX1105 学号：

姓名：

1．设计任务和要求

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，可服务于生产、生活的众多领域。2．设计应用背景

现在社会高度发达，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发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行汇总分析，并传输到终端平台。可以达到无人监管，数据自动传输，更加省时省力方便快捷。

3．难点分析

难点：1.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。如果采用无线传输则会随着测量距离的原理数据会出现更大误差。

解决方案：1.测量近距离的气象情况，或者通过GPRS对数据进行远距离高精度传输。

4．实施方案

原理分析与实施方法

方案一：

风速风向传感器结构图如下图4-1。

图4-1风速风向传感器结构图

风速风向仪原理：

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。内置或外接各种进口原装传感器，采用微功耗单片机对外部数据进行采样，并将采集的数据保存在系统不易失存储器内。风向风速仪由微处理器和高动态特性的测风传感器组成。

风向、风速传感器为机械转动式传感器,感应距地面11m 处的空气流动,对空气流动速度及方向进行检测及光电转换,并进行数字量化、时间平均、存储等处理,再通过系统的通信设备及路由传输至室内气象观测工作站。室内数据处理工作站(DPU) 计算并作出一个2 分钟平均风速风向报告,依据传感器5 秒的风数据,产生阵风和不定风向的报告,并对应于跑道方向及侧垂方向进行矢量风的分解。

风速传感器结构图

风速传感器原理

风速与脉冲频率的转换公式为: V (m/ s) = 011f (Hz) 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)

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。

风向传感器结构图

风向传感器工作原理

风向传感器主要依据风标方位及其产生的格雷

码对照进行检测。6 位格雷码有64 个方位,检测时

选择典型方位(如0°、90°、180°、270°) 所对应的格雷码

判断检测。由格雷码制对应表可知,四个典型方位与

其格雷码对应关系为:

0°(360°) 000000

90° 110000

180° 101000

270° 011000

风向传感器的变换器采用精密导电塑料电位器，当风向发生变化，尾翼转动通过轴杆带动电位器轴芯转动，从而在电位器的活动端产生变化的电阻信号输出。风向传感器的变换器为码

盘和光电组件。当风标随风向变化而转动时，通过轴带动码盘在光电组件缝隙中的转动。产生

的光电信号对应当时风向的格雷码输出。

温湿度工作原理：

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精确的湿度校验室中进行校准。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佳选则。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：

DATA＝湿度数据高位＋湿度数据地位＋温度数据高位＋温度数据低位＋校验和

测温度原理图

图4-2 DS18B20工作原理框图

DS18B20工作原理：

DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因

分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20

测温原理如图2-6-1所示。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

寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产

生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的

值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数

晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温

度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3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。

湿敏元件：

湿度变化电容变化电压变化输出电量

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