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、國防和軍事中不可或缺的重要信息。由于種種因素影響，地區的環境、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，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、溫度壓力測量系統、數據采集系統、存儲查詢系統、GPS定位系統等。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。數據采集系統的結構框圖如圖1，探測系統實物圖如圖2所示。

系統工作過程是：當系統開機后，各功能模塊分別處于待命狀態，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，根據需要通過系統通信傳輸到數據處理系統中。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]。數據采集系統與數據處理系統之間的數據傳輸是通過RS-485，數據采集系統通過RS-485向數據處理系統發送采集到的數據和電源狀態。

根據需要，系統選用異步通信模式。MSP430F 149通信波特率由波特率發生器產生，由波特率發生器的時鐘源、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，在系統中BRCLK為4M，對數據的發送和接收采用中斷的方式。

風速測量

系統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

數據采集系統在接收到數據處理系統命令后迅速開機或從低功耗狀態返回，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，濾波后的數據發送給數據處理系統，在接收到處理系統關閉命令后關閉數據采集系統，否則進入低功耗狀態，等待下一次數據采集。數據采集流程如圖3所示。系統試驗與分析

溫度、壓力試驗

系統精度指標中，溫度：±0.5℃，壓力：±1.5mmHg，為了獲取系統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，從而判定系統是否滿足要求。其組織方法是：將該系統放置在某氣象站測試點12小時，其間每隔1小時判讀系統數據，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互通。系統性能可靠，工作穩定，精度高，滿足各種野戰條件戰技指標要求，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。