传感器课程设计报告—小型气象监测系统

目录摘要..................................................................................................................................................1一课程设计任务和功能要求.........................................................................................................1二设计应用背景.............................................................................................................................1三系统分析.....................................................................................................................................11．总体设计方案.....................................................................................................................12.硬件设计..............................................................................................................................23.软件设计..............................................................................................................................24.难点分析..............................................................................................................................3四实施方案.....................................................................................................................................41.传感器模块设计..................................................................................................................41.1风速传感器模块........................................................................................................41.2温度传感器模块........................................................................................................51.3湿度传感器模块........................................................................................................72.优缺点分析及成本..............................................................................................................9五设计总结...................................................................................................................................10六参考文献...................................................................................................................................10七成员及分工情况.......................................................................................................................101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行汇总分析并通过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，可服务于生产、生活的众多领域。二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。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2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行汇总分析，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、温度湿度温度传感器数据风速传感器湿度传感器单片机电源电路按键控制LCD显示3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，则产生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。如果采用无线传输则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对数据进行远距离高精度传输。4四实施方案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。风速传感器的结构图如图4所示图4风速传感器结构图风速传感器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，多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5图5风速传感器原理图风速与脉冲频率的转换公式为：10/)()/(HzfsmV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为：校验和温度数据低位温度数据高位湿度数据低位湿度数据高位DATA6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工作原理框图斜率累加器比较计数器1预置低温度系数晶振=0温度寄存器高温度系数晶振计数器2=0加1LSB置位/清除停止预置微控制器DS18B20GNDDQVDDVpc4.7K单总线Vdd（外部电源）连接到另外的单总线器件7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