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2.4.3气压传感器选型和介绍
气压传感器采用VAISALA公司生产的PTB220数字式气压传感器，实物图如图
2-7所示，PTB220是完全补偿的数字式气压传感器，具有较宽的工作温度和气压测量范围。感应元件采用VISALA研制的硅电容压力传感器BAROCAP。BAROCAP具有很好的滞后性和重复性以及温度特性、长期稳定性。PTB220的工作原理是基于一个先进的RC振荡电路和三个参考电容，并且电容压力传感器与电容温度传感器连续测量。微处理器自动进行压力线性补偿及温度补偿。
PT220在全程范围内有7个温度调整点，每个温度点有6个全程压力调整点。所有的调整参数都存储在EEPROM中，用户不可改变出厂设置。用户可进行多种设置。如:串行总线、平均时间、输出间隔、输出格式、显示格式、错误信息、压力单位、压力分辨率；甚至可以选择不同的电数据传输模式，如：RUN、STOP、SEND模式。它有三种输出方式：软件可设的RS232串行输出；TTL电平输出；模拟输出、脉冲输出。其有两种低功耗工作模式：软件可控的睡眠模式；外部激励触发模式。 主要的技术参数如下： 1.压力范围从500~1100hPa 2.工作温度范围为-40~60℃
3.总准确度为±0.15hPa(A级)，±0.25hPa（B级） 4.长期稳定性为±0.10hPa/年
5.可选1个，2个或者3个气压传感器
6.多种输出可选：RS232C/TTL、RS485/RS422串行口或者RS232C/0~5V DC
2.4.4风传感器选型和介绍
测风传感器有机械式和超声风传感器两大类，考虑测量分别率和精度的需要，选择传统机械式测风传感器，测风传感器可采用下列三个厂家，分别为天津气象仪器厂生产的EL15型、长春气象研究所生产的EC9-1型和无锡所生产的JQJ-TFH型，他们的硬件接口相同，可交换，但风速换算修正公式有小小的差别。实物图如图2-8所示。
测风传感器由风传感器支架，风速传感器和风向传感器组成。风传感器支架除了用作固定风速传感器和风向传感器之外，还完成电缆的转接。风速传感器用来测量水平风的大小，用“米/秒”这个计量单位进行亮度。风向传感器指示风的来向，用“度”这个计量单位进行量度。
风向传感器采用精密电位器，并选用低惯性轻金属风向标响应风向，动态性能好。杯体内置的信号处理单元可根据用户需求输出响应信号。当风向发生变化时，尾翼转动通过轴杆带动电位器轴心转动，从而在电位器的活动端产生变化的
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电阻信号输出。
风速传感器采用传统的三风杯结构，风杯选用碳纤维材料，强度高，启动好，转动器为多齿转杯和狭缝光耦。当风杯受水平风力作用而扭转时，通过活轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率信号。计算公式为：V=0.1F（V为风速，单位m/s；F为脉冲频率，单位Hz）。
图2-7 PTB220气压传感器 图2-8风速风向传感器
图2-9 翻斗式雨量传感器 2.4.5雨量传感器选型和介绍
雨量传感器采用翻斗式雨量传感器，该传感器由盛水器、上翻斗、计量翻斗、计数翻斗、汇集漏斗、调节螺钉、干簧管等构成。其盛水口径为Ф200毫米，环境温
度0~+60℃，分辨率0.1毫米，雨强大于4毫米/分钟，输出1脉冲等于1毫米雨量。
在测量过程中，随着翻斗间歇翻到动作，带动开关，发出一个个脉冲信号，将非点亮转换成电量输出。雨水有盛水器汇集，通过装有小圆护网的小漏洞及其下端的引流管注入上翻斗。当上翻斗盛积的水量达到一定的数量值时，上翻斗翻
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倒，另一半翻斗开始盛水，翻倒雨水经错汇集漏斗流入，当计量翻斗雨量积累到相当0.1毫米降水时，计量翻斗翻倒，把雨水倒入计数翻斗，使计算翻斗翻动一次。计数翻斗中部装有一块小磁钢，磁钢上端有干簧管。当计数翻斗翻动时，磁钢对干簧管扫描，使干簧接点因合一次，送出一个电路导通脉冲，相当于0.1mm降水量。其实物图如图2-9所示。
第三章 地面自动气象监测仪的硬件电路设计
根据系统方案的设计要求，硬件电路还包含电源电路、接口电路、实时时钟电路、LED显示电路、RS232通信电路等，下面给出各段的设计和说明。总电路原理图如图3-5所示。
3.1气象监测仪电源电路设计
电源是组成地面自动气象监测仪的外面设备之一。电源应该具备下列功能：首先它为仪器提供所需的各种供电电源，系统中主要使用两种电压，单片机、I/O口芯片等供电电压为5V，湿度、气压传感器、RS232控制芯片供电电压为12V；其次具有充电和存储电能作用，在外电源掉电的情况下能正常维护仪器的供电；第三，具有电源指示功能，是维护人员判断电源是否正常工作的重要依据。
12V直流电压是该仪器的基本工作电压，气象监测仪中其他直流工作电压应由此转换而成，该电压由蓄电池提供，需另外配置辅助电源对蓄电池充电。在没有市电的情况下，使用12V/24AH免维护蓄电池供电时，可以保证设备连续工作3天以上。另外电路中所需的+5V电源可通过芯片7805产生，芯片周围需配置电容作为稳压和滤波。
为了使电源电路具有充电、存储电能功能，需要充电、放点控制模块和电池组，当电池组电量不足时，充电控制模块就会对电池组进行充电，电池组电压达到13.6V时，就会自动停止充电；另外，控制模块也是监测电池供电情况，如果没有市电或太阳能供电时，电池组电压低到10.8V，控制模块就会断开供电，防止电池组放电过量而损坏。
电源指示功能需要发光二极管LED作为指示灯，指示电源供电是否正常，当电源正常时，发光二极管发光；当电源不足停止供电时，发光二极管熄灭。
3.2地面自动气象监测仪看门狗复位电路设计
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看门狗型复位电路主要利用CPU正常工作时，定时复位计数器，使得计数器的值不超过某一值；当CPU不能正常工作时，由于计数器不能被复位，因此其计数会超过某一值，从而产生复位脉冲，使得CPU恢复正常工作状态。附件中的复位电路的可靠性主要取决于软件设计，即将定时向复位电路发出脉冲的程序放在何处。一般设计，将此段程序放在定时器中断服务子程序中。然而，有时这种设计仍然会引起程序走飞或工作不正常。原因主要是：当程序“走飞”发生时定时器初始化以及开中断之后的话，这种“走飞”情况就有可能不能由看门狗复位电路校正回来。因为定时器中断一真在产生，即使程序不正常，看门狗也能被正常复位。为此提出定时器加预设的设计方法。即在初始化时压入堆栈一个地址，在此地址内执行的是一条关中断和一条死循环语句。在所有不被程序代码占用的地址尽可能地用子程序返回指令RET代替。这样，当程序走飞后，其进入陷阱的可能性将大大增加。而一旦进入陷阱，定时器停止工作并且关闭中断，从而使看门狗复位电路会产生一个复位脉冲将CPU复位。在本论文中看门狗复位电路设计见图3-5电路原理图中所示。
80C320单片机的RST引脚出现大于两个机器周期的高电平时，该芯片会自动复位。RST引脚与VSS引脚之间连接一个10KΩ的下拉电阻R6，与VCC引脚之间连接一个10uF的电容C7，以保证开始仪器加电压运行时可靠的复位。在仪器运行当中实现自动检测单片机是否正常，在硬件电路中增加芯片DS1232,该芯片是美国DALLAS公司生产的微处理器监控电路芯片，其中PBRST引脚为按键复位输入端，该引脚端加一个按键开关S1,方便人工进行复位控制；该芯片的输出引脚5直接到80C320的单片机RST引脚，在单片机运行处于失控状态下可以停止和重新启动单片机正常运行。
3.3地面自动气象监测仪时钟振荡电路设计
时钟振荡电路产生正弦波信号，作为80C320单片机的时钟基准，它决定单片机的运行速度。80C320单片机最大工作时钟为33MHz，本论文采用11.0592MHz时钟频率做中基准。80C320单片机外接晶振引脚XTAL1和XTAL2，在单片机内部，XTAL1是一个反相放大器的输出端，这个放大器构成了片内振荡器；XTAL2接至上述振荡器的反相放大器的输出端。时钟振荡电路设计见图3-5电路图中所示。
图中Y1为石英晶体振荡器，通常简称为晶振，接在单片机的XTAL1(19)和XTAL2(18)引脚构成振荡电路，产生单片机所需要的频率信号，作为整个仪器的时钟基准，串行通信波特率是由时钟信号分频后得到，考虑计算方便和波特率的精
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准，所以采用11.0592MHz时钟频率，另外根据单片机内部结构，电路设计图中C1，C2一般采用30P的电容，有助于稳定时钟振荡频率。
3.4地面自动气象监测仪RS232通信接口电路设计
RS232接口是电子仪器中最常用的通信接口，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线以及一条地址线。RS232标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS232-c标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信距离为15m;若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20ms以内的通信。RS232接口电路时单片机与计算机、智能传感器和通信模块通信的桥梁，电路设计要符合计算机上使用RS232接口电信号要求。单片机输入输出的电平为1=+5V，0=GND，而计算机上使用的输入输出的电平为1=-12V，0=+12V，所以设计中使用了电平转换芯片。
本文采用MAX233芯片，完成系统所需的电平转换，其电路如图3-5电路原理图所示，U13为通信接口芯片MAX233。包含两个驱动器，两个接收器和一个电荷泵电压转换器，该芯片不需要配套外围元件。如图所示，电路设计将引脚11与15，引脚10与16，引脚12与17短接，电源供电引脚7接到+5V电源，电源引脚6和9接到电源地；该芯片引脚1和2是0-5V电平输入接口，其对应输出引脚是18和5，输出接口电平为±12V，可直接与标准计算机串行口对接；另外该芯片引脚4和19是±12V电平输入接口，其对应输出引脚是3和20，输出接口电平为0-5V，可与单片机串行接口引脚对接。按常用串行通信约定，本设计的单片机设置波特率为9600Bps，7数据位，1停止位和偶校验，程序调用为init-UART1(9600,7,1,E)。
3.5地面自动气象监测仪输入/输出电路设计
考虑80C320单片机输入/输出接口可用数量有限，本系统在硬件设计时增加输入/输出硬件电路。可编程大规模数字集成输入/输出接口芯片的正确选用，即可减少外围分立元器件，又可用简化电路设计，可使数据采集处理器运行更加稳定、可靠。本系统采用NEC公司的低功耗CMOS并行接口芯片82C55，其电路方框图如3-1所示。
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