基于單片機(jī)的移動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐萌， 段瑞珍， 劉娜， 劉本坤

（哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院，山東 榮成 264300）

0 引言

隨著氣象事業(yè)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)對(duì)氣象監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。但目前現(xiàn)有的氣象監(jiān)測(cè)平臺(tái)還存在著種種不足，如數(shù)據(jù)采集方式落后，測(cè)量精度不高，難以實(shí)現(xiàn)無人值守監(jiān)測(cè)，運(yùn)行成本過高等［1］。為此，本文提出的基于單片機(jī)的智能氣象檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，具有低功耗、高穩(wěn)定、高精度、易于維護(hù)和擴(kuò)充以及實(shí)時(shí)智能檢測(cè)等優(yōu)良性能。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

1 氣象監(jiān)測(cè)裝置總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的氣象監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)思路如圖1所示，采用配備紅外避障和4路巡線傳感器的履帶機(jī)構(gòu)作為運(yùn)動(dòng)裝置；利用壓力傳感器測(cè)量風(fēng)速，電子羅盤測(cè)量風(fēng)向，溫濕度傳感器測(cè)量溫度、濕度；利用光敏模塊測(cè)量光強(qiáng)差，從而控制2軸云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)追光，使光伏太陽能電池板的光電效率最大化；并通過Zigbee協(xié)議使下位機(jī)與PC端上位機(jī)數(shù)據(jù)雙向傳輸［2］。該裝置可實(shí)現(xiàn)自主氣象監(jiān)測(cè)和自動(dòng)模式下的復(fù)雜地形中的循跡，避障并進(jìn)行自動(dòng)氣象數(shù)據(jù)的智能監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)室搭建模型如圖2所示。

圖2 氣象站實(shí)物圖

2 氣象監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 裝置的運(yùn)動(dòng)

裝置運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用履帶結(jié)構(gòu)底盤，配備L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板和2路直流電機(jī)，并配合紅外避障和4路循跡傳感器，使裝置能夠在復(fù)雜地形條件下行進(jìn)氣象監(jiān)測(cè)。在底盤上方架設(shè)雙軸太陽能追光平臺(tái)，云臺(tái)部分則安置太陽能光伏電池板和光電模塊并接入蓄電池，采集能源，供給監(jiān)測(cè)需要。

2.2 移動(dòng)底盤的履帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)底盤主體構(gòu)架由加裝關(guān)節(jié)履帶結(jié)構(gòu)的DD1-1履帶車框架式集成地盤改裝構(gòu)成。底盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流力矩電機(jī)。直流力矩電機(jī)的負(fù)載特性過硬，擁有較大的過載能力，減少運(yùn)行時(shí)，速度受到負(fù)載沖擊的影響，使其上安置的監(jiān)測(cè)設(shè)備的選擇自由度大大提高，增強(qiáng)平臺(tái)的擴(kuò)展性［3-4］。

本文提出的氣象監(jiān)測(cè)裝置，因其具備野外無人值守氣象監(jiān)測(cè)能力，所以對(duì)平臺(tái)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的越障能力和強(qiáng)度都提出了較高的要求。傳統(tǒng)的機(jī)器人履帶雖然能夠完成上述任務(wù)，但是機(jī)體過于笨重，深入復(fù)雜地形有一定難度，無法自由行動(dòng)［5-6］。若將履帶結(jié)構(gòu)（圖3）進(jìn)行異構(gòu)改裝，可減小履帶結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和重量，進(jìn)而解決這一問題，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 關(guān)節(jié)履帶結(jié)構(gòu)

2.3 太陽能追光云臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.3.1 追光云臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙軸云臺(tái)采用上下左右4個(gè)中點(diǎn)處光敏模塊的設(shè)計(jì)使光伏太陽能電池板陣列可以水平360°、空間180°自由旋轉(zhuǎn)追光且無死角，最大化光電轉(zhuǎn)化效率。

如圖4所示，將水平旋轉(zhuǎn)云臺(tái)平面架設(shè)在導(dǎo)電滑環(huán)轉(zhuǎn)子中軸上，中軸外通過聯(lián)軸器聯(lián)接同步齒輪。在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上嵌套相配合的同步齒輪。并將兩齒輪用80XL同步帶配合聯(lián)接，通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)云臺(tái)底部水平方向的360°自由轉(zhuǎn)動(dòng)。云臺(tái)所需的布線，包括4組光敏模塊和光伏太陽能電池板以及一組步進(jìn)電機(jī)控制電路連線，均由導(dǎo)電滑環(huán)的轉(zhuǎn)子端引線聯(lián)接，并由導(dǎo)電滑環(huán)定子斷引線引出分別接入平臺(tái)之下的對(duì)應(yīng)蓄電裝置和控制裝置。

圖4 追光云臺(tái)聯(lián)接

其中，在支撐太陽能電池板的矩形平臺(tái)四條邊的中點(diǎn)位置，安裝4組光敏模塊，通過比較光強(qiáng)，控制云臺(tái)的正對(duì)光強(qiáng)最大方向。

2.3.2 追光云臺(tái)的蓄電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的負(fù)載是自動(dòng)氣象站，其供電需求是直流正負(fù)12 V，所需功率約為15 W。所需電能全部由鉛酸蓄電池供給。白天，把光伏太陽能電池板所輸出的多余電能通過光伏控制器存儲(chǔ)起來；晚上，將作為系統(tǒng)電能的輸入，保證整個(gè)系統(tǒng)的正常持續(xù)運(yùn)行［7-8］。

3 氣象監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)裝置的總體設(shè)計(jì)

該氣象監(jiān)測(cè)平臺(tái)在風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量上采用壓力傳感器測(cè)量風(fēng)速，占據(jù)空間小，所以對(duì)氣流的影響微弱，從而使測(cè)量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確［9］。將相應(yīng)傳感器集成在風(fēng)標(biāo)上，并安裝在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以上，一體化程度高，減小其他因素對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的干擾。最后由Zigbee模塊通訊，將數(shù)據(jù)傳回顯示端。

3.2 數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

該氣象監(jiān)測(cè)平臺(tái)采用HMC5883L電子羅盤來測(cè)量風(fēng)向。溫濕度測(cè)量方面采用體積微小、低功耗的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。因該氣象監(jiān)測(cè)平臺(tái)在風(fēng)速測(cè)量方式上異于常見的氣象站的測(cè)量方式，所以采用BMP085壓力傳感器來滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于單片機(jī)的氣象監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。該平臺(tái)在風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量方式上具有一定的創(chuàng)新性，能有效地提高測(cè)量精度，減小設(shè)備體積。且具備多種測(cè)量方式，可通過人為操作在特定場(chǎng)所實(shí)時(shí)測(cè)量，或者在常規(guī)監(jiān)測(cè)設(shè)備無法架設(shè)的情況下，通過其優(yōu)越的越障性能、靈活的機(jī)動(dòng)性，快速進(jìn)入場(chǎng)地。即時(shí)進(jìn)行無人值守的氣象監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳送，填補(bǔ)了該方面的一定程度的空白。

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