一種多功能低空氣象探測儀的設計與實現

引言

當前，氣象探測已成為工業(yè)、國防和軍事中不可或缺的重要信息。由于種種因素影響，地區(qū)的環(huán)境、氣候不同，氣象信息也存在差異。氣象觀測站提供的氣象信息并不能精確反映訓練場的具體情況，只能作為重要氣象參考；不少單位訓練時仍然使用簡易氣象觀測儀，其儀器探測精度差，實時性不好，沒有存儲功能，更不利于決策。

為實時精確掌握氣象信息，實現信息的快速、準確的傳遞，研究了一種簡單實用的多功能低空氣象探測系統(tǒng)，為諸軍兵種提供可靠實用的氣象信息，并可擴展與信息平臺互聯互通。

總體設計

以超低功耗單片機MSP430F149為核心，主要硬件模塊包括：主控制模塊、傳感器模塊、通信模塊和存儲模塊等。有風向風速測量系統(tǒng)、溫度壓力測量系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)、存儲查詢系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)等。能實時、精確地測量地面溫度、壓力、風速和風向，并進行定位存儲。數據采集系統(tǒng)的結構框圖如圖1，探測系統(tǒng)實物圖如圖2所示。

系統(tǒng)工作過程是：當系統(tǒng)開機后，各功能模塊分別處于待命狀態(tài)，當指令(如氣溫)施加后，該模塊電路(溫度測量模塊)進行工作，MSP430將其收到的模擬信號首先進行放大，然后進行濾波處理并送入單片機進行處理輸出，驅動顯示器輸出或存儲，也可通過RS-232=：~％RF數傳模塊實時傳輸。

壓力測量電路

大氣壓量力的測量流程是通過壓力傳感器ASDX015獲取壓力信號，主芯片的A／D轉換模塊將采集到的壓力電壓信號轉換成為數字信號，存入固定的存儲單元，根據需要通過系統(tǒng)通信傳輸到數據處理系統(tǒng)中。壓力的轉化過程實際是電壓的對比過程，ASDX015將壓力信號轉化為電壓信號，主芯片將獲取的電壓信號和內部A／D轉換的參考電壓比較，得到具體壓力數值，由于獲取的壓力單位為PSI，在實際訓練中使用的壓力單位是毫米汞柱，所以必須有單位的轉化，其轉化關系為IPSI=S1.714mmHg。

風向風速測量電路

風向的測量是通過平面電子羅盤XW3200，XW3200與主芯片的連接是通過RS-232，XW3200測得的風向數據由RS-232傳輸給主芯片口]。數據采集系統(tǒng)與數據處理系統(tǒng)之間的數據傳輸是通過RS-485，數據采集系統(tǒng)通過RS-485向數據處理系統(tǒng)發(fā)送采集到的數據和電源狀態(tài)。

根據需要，系統(tǒng)選用異步通信模式。MSP430F 149通信波特率由波特率發(fā)生器產生，由波特率發(fā)生器的時鐘源、寄存器UBR0、寄存器UBRl和UMCTL共同控制，其計算公式為：

波特率=BRCLK／(UBR+(MT+M6+…+M0)／8)

其中BRCLK為選用時鐘源，在系統(tǒng)中BRCLK為4M，對數據的發(fā)送和接收采用中斷的方式。

風速測量

系統(tǒng)對風速的測量主要是通過葉輪式風速傳感器，風速傳感器連接于主芯片的P1.0引腳上，即由P1.0采集風速傳感器產生的脈沖信號，脈沖信號的數量由定時器和計數器來記錄。系統(tǒng)利用主芯片的16位定時器TIMER A來控制，定時器設定值為20ms，從定時器開始計時，P1.0每接收到一次脈沖上升沿，計數器的值增加1，當定時器的20ms結束時，計數器的值即為20ms內P1.0獲取的脈沖數目。最后根據單位時間內脈沖數目與風速的對應關系求得實測風速。

軟件設計

數據采集系統(tǒng)在接收到數據處理系統(tǒng)命令后迅速開機或從低功耗狀態(tài)返回，由傳感器對溫度、壓力、風速和風向測量，主芯片接收各傳感器采集到的數據存入固定存儲器并進行濾波處理，濾波后的數據發(fā)送給數據處理系統(tǒng)，在接收到處理系統(tǒng)關閉命令后關閉數據采集系統(tǒng)，否則進入低功耗狀態(tài)，等待下一次數據采集。數據采集流程如圖3所示。系統(tǒng)試驗與分析

溫度、壓力試驗

系統(tǒng)精度指標中，溫度：±0.5℃，壓力：±1.5mmHg，為了獲取系統(tǒng)測量溫度和壓力的精度信息，進行了溫度、壓力精度試驗。通過本系統(tǒng)的實測數據與氣象站給出的標準數據進行對比分析得出，從而判定系統(tǒng)是否滿足要求。其組織方法是：將該系統(tǒng)放置在某氣象站測試點12小時，其間每隔1小時判讀系統(tǒng)數據，并與氣象站標準數據進行比較，部分測量數據見表1。

試驗數據顯示，測量數據與氣象臺給定數據比較，都略大，原因是由于探測儀的放置位置較氣象臺標準位置低。溫度越高，對探測儀的影響越大，可經相關的隔離措施排除。

風速、風向試驗

風速的精度要求為±0.1m／s，風向要求<4mil。為了獲取風速風向的精度信息，將系統(tǒng)放置在風洞中，設定風洞內的風速從0.1m／s到40m／s，以0.1m／s遞增，讀取系統(tǒng)測得的風速值，與標定風速風向對比，按照同樣的方法測量六次，部分結果見表2。

風速的測量與標準數據相比、呈略小情況，原因是，探測器在隨風向轉動的過程中，對葉輪片存在阻礙作用而導致的，但仍滿足精度指標。結論

提出了一種多功能低空氣象探測儀，能夠實現野戰(zhàn)條件下對氣溫、氣壓、風速、風向的探測和存儲，并可與其他信息系統(tǒng)互通。系統(tǒng)性能可靠，工作穩(wěn)定，精度高，滿足各種野戰(zhàn)條件戰(zhàn)技指標要求，為訓練考核提供了便捷可靠的氣象信息，將有效提升作訓水平。