基于单片机的综合气象观测系统-设计说明书
电子校园网 编号：
HJJ-32-2022-040-LW
设计摘要：
本论文设计了一种基于STM32单片机的炮兵综合气象观测仪，该系统由中控部分、输入部分和输出部分组成。中控部分采用STM32单片机作为核心控制器，用于获取输入部分的数据并控制输出部分。输入部分包括气压传感器、温度采集模块、风向传感器、风速检测、独立按键和供电电路。输出部分包括OLED显示模块、LED灯和蜂鸣器。观测仪能够实时显示大气风速、风向、温度和压力，并具有按键操作功能，可进行数据清零和重新测量操作。风速测量范围为1-20m/s，精度在1-5m/s时不低于1%，在5-20m/s时不低于5%。温度测量范围为-20°C至+50°C，精度为±1°C。气压测量范围为300-1100hPa。风向检测支持8个指示方向。实验结果表明，该炮兵综合气象观测仪具有稳定可靠的性能，可广泛应用于炮兵作战和气象观测领域。
关键词：单片机；风速传感器；风向传感器；温度检测模块
字数：10000+
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摘 要
ABSTRACT
1 引 言
1.1 选题背景及实际意义
1.2 国内外研究现状
1.3 课题主要内容
2 系统设计方案
2.1 系统整体方案
2.2 单片机的选择
2.3 电源方案的选择
2.4 显示方案的选择
2.5 温度检测方案的选择
3系统设计与分析
3.1 整体系统设计分析
3.2 主控电路设计
3.2.1 STC89C52单片机
3.2.2 晶振电路和复位电路
3.3 OLED显示模块
3.4 DS18B20传感器检测温度模块
3.5 风速传感器
4 系统程序设计
4.1 编程软件介绍
4.2 主程序流程设计
4.3 按键功能图
4.4显示函数流程设计
5 实物调试
5.1 电路焊接总图
5.2 风向与风速检测实物测试
5.3 手动开关检测实物测试
5.4 手动报警实物测试
结 论
参考文献
致 谢
1 引 言
1.1 选题背景及实际意义
气象要素包含气温、气压、风、湿度、云、降水等等，风是一种最常见的自然现象，而对于气象海洋工作者，风向风速尤为重要，太阳辐射是全球气候变化的根本原因，某种意义上，风是导致全球气候变化的重要原因。风的存在对热量进行了输送，对水气进行的转移，从而影响气候。
目前市场上使用的大多是时差法的超声波测风仪、机械式测风仪、热敏式测风仪等，但是这些测风仪在测量精度、测量范围和抗干扰性方面均存在一定的缺陷。例如，基于时差法制作的超声波测风仪的缺点：对时间的测量存在误差且该误差不能消除，进而引起测风信息的误差；机械式测风仪器缺点：有机械磨损，对微风和强风的测量精度不够，寿命短，维护成本高；热敏式测风仪的缺点：由于测风原理的限制，其对风速测量范围十分有限，且灵敏度不高。
近年来，无人机、无人船发展迅速，无人船可以长航时，但缺点是只能测得二维平面；科研工作者目前使用的垂直风速测量方法还是探空气球。但探空气球无法回收，成本较高，不适宜大范围使用。无人机在气象监测领域应用非常广泛，基于多旋翼平台的风速风向测量无人机，可解决监测成本高，操作不灵活的问题；多旋翼无人机可以实现垂直方向上的风数据测量，也可以实现小区域多频率的数据测量。但通过无人机进行风速风向的测量有一个技术需要克服，那就是多旋翼无人机自身桨叶的转动所带来的风；虽然桨叶在无人机上方形成的风比较微小，但科研工作是精确严谨的，任何微小的误差都会导致结果的出错。因此，如何能够高精度的获取风速和风向，是目前测风领域急需要解决的技术问题。基于此，本设计是基于单片机的综合气象观测仪设计，主要实现以下功能：可以检测风向8个方向，并通过OLED实时显示大气风速、风向、温度和压力;同时可通过按键进行数据清零、重新测量操作和手动报警。该设计在一定程度上可以对检测风向风速有积极作用。
1.2 国内外研究现状
社会经济水平的不断提升,带动了科学技术的进一步发展,社会生产中的诸多工作,都进入了全面信息化的时代.为了更好地适应全新时代要求,需要注重信息化有关技术的研究与应用,其中包括对气象综合观测系统运行的监控信息化。气象综合观测系统的运行是气象部门开展日常工作的基础,它关系着气象数据的精确性以及完整性.应切实提高气象综合观测整项系统运行监控工作的信息化水平。
顾涵，丁力在2017年公开了一种基于单片机的风速风向测量装置,包括单片机及分别与其连接的风速采集电路,风向采集电路,所述风速采集电路采用压力传感器采集风速数据,并将采集的数据发送给单片机处理,再由显示电路显示测量的风速数据,所述风向采集电路采用光电编码器采集风向标旋转角度的信号,通过单片机进行处理和计算风向,并通过显示电路显示测量的风向数据.所述风速采集电路的压力传感器,选用硅微压传感器.选用液晶显示屏来显示风速测量的数值.所述风向采集电路的光电编码器采用绝对式光电编码器.选用共阳接法的LED数码管来显示风向测量的数值[1].本实用新型电路简单,精度高,体积小,成本低,容易实现。
为了解决区域自动气象站的风向传感器,风速传感器的检测难题,2018年魏明明，刘禹杉，章允昊设计出一种新型便携式风向风速传感器检测仪.该检测仪通过上位机软件和单片机来实现智能检测和控制等功能,工作时由单片机对步进电机驱动器编程可控制步进电机的精确定位,进而精确控制风向传感器的转动角度或风速传感器的转动速度,将传感器输出值与步进电机的标准值进行对比,最终实现自动化检测风向传感器,风速传感器计量性能的目的.通过与现有检测方法对比,结果显示其精确度更高,稳定性更好;该检测仪体积小,重量轻,操作简单便于携带,集合了风向检测功能和风速检测功能;能有效地解决野外区域自动气象站的现场检测难题[8]。
风廓线激光雷达现在经常用于边界层气象学和垂直风场测量等应用。为验证多普勒风力激光雷达的精度，2021年Zhou Z , Bu Z组织国内主要多普勒风力激光雷达厂家分别将深圳和张家口气象梯度塔和L波段测深雷达测得的激光雷达测得的分钟级平均风速和风向数据进行了对比。气象梯度塔与风杯对比结果吻合较好，风速相关系数接近或高于90%，除拐点外，风向最大标准偏差约为7°。当L波段探测雷达作为参考时，激光雷达设备联合比较。日风速、风向的系统差和标准差变化较大，可靠性差。同时，据认为，与1分钟平均数据相比，当使用10分钟平均数据进行比较时，系统偏差和标准偏差均有所降低。这意味着结果更加稳定和可靠。对比结果表明，国内几台激光雷达设备的技术指标与维萨拉制定的风立方灯指标相当，符合世界气象组织对相干多普勒激光雷达指标近期天气预报的要求。结果表明，激光雷达可以可靠地实时获取不同高度的风速和风向参数[9]。
与上述几种设计方案相比，该设计方案更加方便易懂，便于实际操作，价格低廉，在集成电路的选择上更易于使用和精巧。
1.3 课题主要内容
本设计是基于STM32单片机的炮兵综合气象观测仪系统。系统由中控部分、输入部分和输出部分组成。中控部分采用STM32单片机作为核心控制器，用于获取输入部分的数据并控制输出部分。输入部分包括气压传感器、温度采集模块、风向传感器、风速检测、独立按键和供电电路。输出部分包括OLED显示模块、LED灯和蜂鸣器。
该观测仪具备多项功能。它能够实时显示大气风速、风向、温度和压力，通过OLED显示模块将测量值和阈值展示给用户。同时，观测仪支持按键操作，可以进行数据清零和重新测量等操作。风速测量范围为1-20m/s，精度在不同范围内有所不同。温度测量范围为-20°C至+50°C，精度为±1°C。气压测量范围为300-1100hPa。风向检测支持8个指示方向。
实验结果表明，该炮兵综合气象观测仪具有稳定可靠的性能，能够准确测量大气风速、风向、温度和压力，并能根据用户需求进行操作和显示。该设计为炮兵作战和气象观测提供了一种实用的解决方案，具有广泛的应用前景。
