论文总字数：16394字

目 录

1.　引言 1

1.1　气象仪器制造的现状和特点 1

1.2　袖珍气象仪的设计目的 1

1.3　研究内容 1

2.　模块与芯片的选择 2

2.1　风速的测量 2

2.1.1　风速测量的方式 2

2.1.2　风杯式传感器的参数指标 3

2.2　温度和湿度的测量 3

2.2.1　温度的测量方法 3

2.2.2　湿度的测量方法 3

2.2.3　温度和湿度传感器的选取与性能介绍 3

2.3　单片机的选择 4

2.3.1　单片机类型 4

2.3.2　STC12C5A60S2的参数指标 4

2.3.3　显示屏的选择 5

3.　系统硬件部分的设计与分析 6

3.1　硬件系统的电路设计 6

3.1.1　电源模块 6

3.1.2　单片机周边电路设计 7

3.1.3　温湿度传感器接口电路 8

3.1.4　风速传感器接口电路 8

3.1.5　LCD显示屏接口电路 8

4.　软件设计 9

4.1　主函数部分 9

4.2　温度湿度函数部分 10

4.3　风速传感器控制函数 11

4.4　LCD1602控制函数 13

5.　系统调试 13

5.1　软件测试 13

5.2　软件仿真 13

5.3　程序下载 14

5.4　硬件调试 15

5.5　结果的展示和检测 15

5.6　小结 20

6.　结论 21

参考文献 21

致谢 22

袖珍气象仪设计

周明宇

,China

ABSTRACT：The pocket weather instrument is designed to meet the market demand of meteorological measurementin small region. It can be applied widely to measure the real-time changes of meteorological parameters in localareas.At the same time, itcan provide the latest weather information forhuman’s production and lives. Its microprocessor is 12C5A60S2, which has low consumption, strong performance and low price. It uses DHT11 to test the temperature and humidity. According to the environment,this sensor can exportcalibrated digital signal output.It has manyadvantages, such as stable performance, rapid response, stronganti-interference abilitiesand so on. To measure the speed of the wind,I use acup anemometer, which has stable performance, corrosion resistance, strong anti-interference abilities, highaccuracyand so on. This paper mainly contains two aspects. The one is the design of the hardware, and the other is the design of the software. The design realizes the measurement of the temperature, humidity and the speed of wind. It can be easy to carryandmeasure reliable dataat all times. This design has a strong practical and reference value.

Key words: 52 microcontroller; temperature and humidity sensor; wind speed sensor

1.　引言

气象仪是指能够实现气象要素的反馈和监测等功能的气象专业设备。常见的气象仪器主要是自动气象站、自动雨量站、风速风向仪、风速报警仪、风能测风仪、风向袋、百叶箱等，小型的气象元件主要有温湿度记录仪、传感探测器、风标等。对于大气要素的测量，一代又一代的观测员们灌注了无数的心血和智慧。气象要素的测量是气象系统工作、气象学以及气象观测的基础。

本文主要介绍的是一种能够实现气象要素的自动测量的袖珍气象仪，接下来将通过研究背景、器件选择、软件仿真、硬件实现等方面详细地介绍本次设计。

1.1　气象仪器制造的现状和特点

自动气象观测站的建立是为了得到各区域实时的精度与质量都很高的大气状况数据，避免或者简化观测员进行繁重的重复劳动,实现气象观测的全自动化。

过去，在环境恶劣、无人居住的地方建立气象观测站暴露出许多的问题，包括供电困难、维护不方便、数据传输成本高等^[1]。各个国家都开始研究自动气象仪来解决这些问题，实现了气象信息监测与反馈的自动化，减少了许多人力、物力和财力的消耗。

在这三十多年中，我国着手开始研究自动化气象站的设计、构建和推广。现在许多公司已经有能力开发并批量生产小型自动气象观测站以及相关的气象探测工具。虽然小型自动气象观测站安装简单，但是，它不适合普通的家庭使用或者外出旅游时携带。

现在其他国家已经有公司开发出了便于携带的袖珍气象仪，该仪器可以测量温湿度、风速、风向、气压等重要信息。然而，国内还很少有厂家生产出类似的并易于推广使用袖珍气象仪。究其原因，生产的国外所研究出来的袖珍气象仪价格过于昂贵，不适合中国市场，很难普及。

1.2　袖珍气象仪的设计目的

2000年以后，气象的观测、反馈和预报已经时时刻刻影响着人们的生产和生活活动。因此，能够更简单地提供更大范围的、具有时效性的气象信息的袖珍气象仪的市场逐渐扩大。袖珍气象仪具有携带方便、性能稳定、成本较低等特点，从某些角度上，这种仪器可以成为一些大型的气象监测站的替代品，实时测量温度、湿度、风速等关键性的气象要素，及时反馈实时的气象信息服务于人类的各项生产与生活活动。

1.3　研究内容

本文讨论的是一种基于单片机为核心，与各种传感探测器协调运作的便于携带的袖珍气象仪。该系统实现了温湿度和风速数据的测量，能够大范围地应用于局部气象信息的实时变化测量，具有很强实用价值。各监测模块进行实时的信息收集，通过ADC通道将测得的信息反馈给单片机，单片机对数据进行保存并加以处理，在循环和判断语句的共同控制下，将有用的信息显示在LCD屏上。

相比而言，风速的测量比温湿度的测量更为复杂。风速和风向的测量在大气探测中占有很重要的地位^[2]。机械式的传感器有很多的缺点，包括空间占用大、反应时间长、价格昂贵等，极为关键的是在一个不够广阔的地形难以进行风速的测量。因此，本论文的设计采用了一个小型的、具有很强适应性的风速监测系统，它具有连接简单、可靠性高、价格低、空间占用较小等优点。

风速监测系统实现的是实时监测风的速度并通过电流或电压的变化反馈出来，同时，该系统还需要达到一定的精准度的要求，能够应对一些不可抗的因素并且正常工作，例如磁场干扰或者临时掉电等，需要保证掉电之后的数据存储保护和现场保护。在本论文中，需要完成风速在每秒80米以内的测量。对于风速的测量，误差的一般在正负百分之五之间。

曾今，风速测量都是人们依靠一些简单的仪器进行转速的测量，不管是结构还是方法都很简单并且不够严谨。20世纪下半叶以来，计算机与互联网在飞速发展，带动着电子、控制、监测等技术的不断革新，使得传感器在功能、稳定性和可靠性上有了很大程度的改善。

该设计还可进行扩展开发，已经实现了串口的仿真设计。此外，还可以添加无线传输模块或者蓝牙传输模块，将数据实时地反馈给手机或电脑终端。

2.　模块与芯片的选择

2.1　风速的测量

2.1.1　风速测量的方式

迄今为止，主流的风速传感器主要有六大类，分别是风杯式、热敏式、皮托管式、超声波式、压力式和光电式。

风杯式传感器：该类传感器的感应部分一般是三到四个圆锥或者半球的空杯，三个空杯的传感器空杯之间的夹角均为120°，四个空杯的传感器空杯之间的夹角为90°，这些空杯的杯面都朝着同一个方向，通过横臂连接。横臂的交接点固定在一个可以转动的中轴上。当风吹过来的时候，由于各个风杯作用力与角度的不同，在与空杯面垂直的平面上产生压力的区别。这样，风杯便沿着顺时针的方向开始旋转，这个转动速度会随着风力的强弱变化。

热敏式传感器：这种传感器的核心是硅元件。流体指的是一种区别于固体的物体形态。在流体中通常有一个热源，根据分布在热源周围的温度或者热损失的测量，可以计算流体的运动信息。热损失、热温差和热脉冲是这种传感器的主要的工作原理。

皮托管式风速传感器：皮托管的主要结构是探头、内外管、管柱和负责引出全压或静压的导管。皮托管的顶端的小孔所在的平面跟来流的流向成90°角，在管子偏下的部分的外侧的小孔与流过的流体之间相互垂直，顶端的小口通过两条互不相通的管子与侧面的多个小孔相连。当流体经过时，顶端的小孔测得流体的全压，侧面的小孔测得流体的静压。根据守恒定律，全压和静压的差就是由原先的动能转化而来的，差值的大小与流体本身的运动速度直接关联。

超声波式风速传感器：超声波在同一个静止的媒介中的速度恒定不变。当空气介质运动时，超声波的速率会受到顺流与逆流的影响。在其通过等值的路程时会产生一个时间差，这个差值与风的强度正相关。但是这种方法在温度的变化时会产生较大的误差，于是，人们改进该方法，产生了便于测量浑浊流体流速的多普勒法和通道测量的涡街法。

压力式风速传感器：空气在流动的过程中，对试图阻碍其运动的物体有一个力的作用。传感器将力的大小数字化，形成正相关的电压或者电流信号。

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