论文总字数：22922字

目 录

1 绪论 3

1.1 课题背景 3

1.2 国内外现状及其发展趋势 4

1.3 本论文的主要工作和内容安排 5

2 系统硬件设计 6

2.1 硬件整体设计 6

2.2 单片机的选择与性能分析 6

2.3 STM32及其外围电路设计 7

2.3.1 系统启动方式选择电路 8

2.3.2 按键电路 8

2.4 基于Modbus串行总线的风速风向测量模块 9

2.4.1 风速风向测量原理 9

2.4.2 传感器的选型 9

2.4.3 Modbus串行通信技术原理 10

2.4.4 基于Modbus的风速风向测量接口电路 11

2.5 基于Modbus串行总线的雨量测量模块 11

2.5.1 雨量传感器的原理 11

2.5.2 测量特性 12

2.5.3 基于Modbus的雨量测量接口电路 12

2.6 基于IIC总线的温湿度测量模块 13

2.6.1 传感器的原理和测量的特性 13

2.6.2 与单片机的接口电路 13

2.6.3 与单片机通信协议 14

2.7 基于SPI串行总线的显示模块 15

2.7.1 与单片机接口电路 16

2.7.2 与单片机通信协议 16

2.8 存储器模块 16

2.9 电源电路 17

2.10 本章小结 18

3 系统软件设计 19

3.1 软件开发平台简介 19

3.2 软件总体框架 20

3.3 控制软件子程序设计 20

3.3.1 初始化子程序的设计 20

3.3.2 中断服务子程序设计 21

3.3.3 MODBUS接口传感器数据读取子程序 21

3.3.4 SHT20传感器读取子程序 22

3.3.5 报警子程序 23

3.4 本章小结 23

4 实验测试与结果分析 24

4.1 样机功能和调试 24

4.2 实验测试 25

4.2.1 室内测量 25

4.2.2 室外气象站测量 26

5 总结与展望 27

5.1 总结 27

5.2 展望 27

参考文献 28

致谢 31

基于串行总线技术的气象要素测量系统

王双双

，China

Abstract: In recent years, disastrous weather has frequently occurred in the world, and weather observations are increasingly important to people's daily lives. The meteorological department has deployed more than 60,000 sets of automatic meteorological observatories nationwide. However, the hardware communication protocols of various manufacturers are not uniform, and the non-bus-type structure has caused inconvenience in expansion and maintenance. Currently, it is upgrading. At the same time, smart communities have a greater need for easy-to-maintain, low-cost meteorological observation equipment. This paper presents a meteorological element measurement system with a serial bus hardware structure. Based on the microcontroller STM32F103 and digital sensor, the MODBUS bus program is designed to drive the wind speed, direction, and rain sensors, and the IIC bus drives the temperature and humidity sensors. The SPI bus drives the display and memory modules. The USART serial bus sends data to the host computer. Lithium battery power supply, adapt to the field work environment. The paper put forward circuit schematics and software design flow, made and debugged the hardware and the host computer software. The system will be placed in the school's comprehensive observation training practice base of the China Meteorological Administration and compared with the base observations. The experimental results show that the measurement errors of the system temperature, humidity, wind speed, and rainfall are ±0.4°C, 3%RH, 0.3m/s, and 0.15mm/min, respectively, and the wind direction measurement results are consistent. The system has the advantages of convenient maintenance, low cost, and ease of encryption.

Key words: Meteorological elements; STM32; Serial bus; Measurement; Automatic Weather Station

绪论

课题背景

自古以来，天气一直是人类最关心的话题，随着经济的发展和科技的进步，人类社会需要和要求的气象工作也越来越大，形成了越来越广泛的应用。不仅如此，人们还对严重的、关键位置的、灾难性的气象情况的监测以及预警功能的实现提出了更高的要求。

图1.1 传统型自动气象站的方案框图

如图1.1所示，传统型自动气象站对各气象要素采用的测量方案比较落后，主要是模拟量的测量。其中温度采用的测量器件是PT100电阻，当温度变化时，测得的电阻会发生相应的变化，这样，就可以计算出当时的温度。对湿度的测量采用的方案是通过传感器测量湿度后，输出的电压是0-1V，然后再通过转换电路对测得的模拟量进行A/D处理；对于风速的测量，也是比较落后的，其实是采用了计数的方法，即对测量脉冲信号的频率进行测量，测得的频率与风速有一个对应关系：若测得的频率为 f Hz。则风速为f/10 m/s。而对于风向的测量，传统的方法是，通过一个传感器输出范围在0-2.5V之间的模拟电压，然后对其进行AD采样计算，则完成了测量过程。但是，由于技术落后等原因存在如下问题：

（1）由于传统的气象测量基础设备采用的大多是模拟传感器，所以输出的信号为模拟量。还必须接入信号调理电路、放大电路和模数转换电路，所以这样的气象站设计起来成本较高，电路也很复杂。并且由于外接电路较多，更容易带来较大的误差。

（2）由于没有采用本文提出的总线式结构，数字化程度不高。这样电路的可扩展性就很不好。总线式可以挂接多种传感器，可对每种传感器分配相应的地址。所以系统可应用于更多场合。对于要测量的要素也能自由控制。

（3）传统型不便于维护和定期对传感器进行标定。采用总线式方案，只需要厂家将整个传感器取下，到实验室进行标定后再直接接入即可。

在自动化还没有被普及到气象行业的时候，每一份准确无误的气象预报的背后，都浸满了气象工作人员高强度、繁琐、机械的劳作所留下的汗水。为了减轻气象工作人员的身体负担，提高气象行业工作人员的工作效率，引入自动气象测量技术，已经成为这个时代对气象行业提出的要求。

目前自动气象站的组成部分^[1]，如表1.1。

表1.1 自动气象站的组成部分^[2]

国内外现状及其发展趋势

现在的社会处在一个飞速发展的时代，人们的生活方式和活动范围都发生了巨大的变化，这样的变化直接就导致了人们对天气情况的预测功能的要求越来越多，也越来越严格。现如今，自动气象监测系统已然作为气象观测系统被投入到了日常的使用当中，成为了一个全新的气象数据观测方式。地面站的性能的高低，是由现场数据采集的时间密度和空间分布密度作为主要因素的。自动气象监测系统，便于人们研究天气的各种要素，而且提供更多的地面气象监测数据准确，及时和有效的。在各方面的原因的刺激下，加强自动气象数据分析和质量控制的监控是非常有必要的。

通过几十年业务发展和基础设施建设的不懈努力，中国气象局已经在全国范围内初步建立起了能够满足实时气象业务基本需求数目的探测站。如表1.2和1.3所示。

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