基于LabVIEW的小型氣象站設(shè)計

余 昆，吳 超，沙春芳，王忠純

(鹽城師范學(xué)院 新能源與電子工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224002)

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基于LabVIEW的小型氣象站設(shè)計

余 昆，吳 超，沙春芳，王忠純

(鹽城師范學(xué)院 新能源與電子工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224002)

針對大氣參數(shù)測量要求與測量方法，利用C8051F350及多種傳感器等設(shè)計了一種小型自動氣象系統(tǒng)。該系統(tǒng)可采集溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、PM2.5濃度等信息，并將數(shù)據(jù)通過無線串口上傳至主機(jī)，利用主機(jī)上LabVIEW設(shè)計的程序?qū)?shí)現(xiàn)氣象信息顯示、記錄。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該小型氣象站可滿足一般情況下的大氣測量要求。

大氣參數(shù)；LabVIEW；C8051F350；氣象站

YU Kun, WU Chao, SHA Chunfang, WANG Zhongchun

(School of New Energy and Electronic Engineering, Yancheng Teachers College, Yancheng 224002, China)

本文利用433 MHz遠(yuǎn)距離(開闊地帶傳輸距離為6 km)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊及LabVIEW設(shè)計了一種小型自動氣象站。

1 硬件電路設(shè)計

該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與發(fā)送、數(shù)據(jù)接收兩部分構(gòu)成。其中，數(shù)據(jù)采集與發(fā)送部分主要由傳感器、模擬開關(guān)、無線串口模塊等構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 小型氣象站系統(tǒng)框圖

1.1 單片機(jī)

該系統(tǒng)所使用的單片機(jī)是Silicon Lab公司生產(chǎn)的C8051F350[1]。這種單片機(jī)具有高速流水線結(jié)構(gòu)與8051兼容，用到了其中的24位A/D轉(zhuǎn)換器、可編程放大器、UART及SMBUS。

1.2 溫濕壓傳感器

采用精量電子公司(美國MEAS)最新推出的一款復(fù)合數(shù)字傳感器MS8607-02BA01[2]，該復(fù)合傳感器將壓力、濕度和溫度傳感器整合于一體，測量精度高、功耗低，其壓力、溫度、濕度分辨率分別為0.016 mbar、0.01℃、0.04 RH。該傳感器與單片機(jī)通過SMBUS接口通信。

1.3 風(fēng)速、風(fēng)向、粉塵傳感器

風(fēng)速、風(fēng)向傳感器分別采用5 V供電的電壓輸出型(0～5 V)YGC-FS風(fēng)速傳感器、FGC-FX風(fēng)向傳感器[3]。FGC-FS風(fēng)速傳感器采用傳統(tǒng)的三風(fēng)杯風(fēng)速傳感結(jié)構(gòu)，其風(fēng)速測量范圍為0～45 m/s，啟動風(fēng)速低(0.3 m/s)、分辨率高(0.1 m/s)； FGC-FX風(fēng)向傳感器啟動風(fēng)速為0.5 m/s、準(zhǔn)確度為±1°；粉塵傳感器采用夏普公司的GP2Y1010AU0F[4]，這是一種電壓輸出型紅外光學(xué)粉塵探測器，其靈敏度為0.1 mg/m3。采集粉塵濃度參數(shù)時，單片機(jī)輸出周期50 ms、低電平0.32 ms的脈沖信號，經(jīng)三極管驅(qū)動后送入傳感器的LED腳，其第5腳輸出信號，在脈沖信號下降沿后的0.28 ms采集輸出的電壓。以上3種傳感器輸出的電壓信號經(jīng)1/2取樣后通過多路開關(guān)CD4066送至C8051F350的A/D轉(zhuǎn)換輸入引腳，CD4066分時將傳感器的信號送入C8051F350中進(jìn)行高精度(24 bit)A/D轉(zhuǎn)換，從而測量出風(fēng)速、風(fēng)向及粉塵濃度。

1.4 雨量傳感器

雨量傳感器采用SL3-1型雙翻斗雨量傳感器，每0.1 mm的降雨量該傳感器的計量翻斗翻轉(zhuǎn)一次，輸出一個脈沖信號，將脈沖信號接至單片機(jī)的計數(shù)器輸入端進(jìn)行計數(shù)即可測量降雨量。

1.5 數(shù)據(jù)通信

433 MHz的遠(yuǎn)距離無線串口模塊與單片機(jī)的串行口相連，將測得的氣象參數(shù)無線發(fā)送至接收節(jié)點(diǎn)，接收點(diǎn)的無線串口模塊接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)UART/USB轉(zhuǎn)換芯片CH340G轉(zhuǎn)換后經(jīng)USB接口送入PC機(jī)中進(jìn)行處理、顯示及存儲。

2 軟件設(shè)計

2.1 單片機(jī)軟件

單片機(jī)軟件的主要任務(wù)是采集各種氣象參數(shù)，處理后經(jīng)無線串口發(fā)送。設(shè)計中各參數(shù)采集順序?yàn)椋悍蹓m濃度→風(fēng)向→風(fēng)速→氣溫→濕度→降水量→氣壓。其中粉塵濃度每秒鐘采集一次，對連續(xù)5次采樣值進(jìn)行滑動平均濾波，作為瞬時值；氣溫、濕度、氣壓的采樣頻率為0.1 Hz，連續(xù)采集6次，去掉最大值和最小值后取余下4個數(shù)據(jù)的平均值，接收端可根據(jù)公式計算出相應(yīng)的水汽壓和露點(diǎn)溫度。風(fēng)向、風(fēng)速的采樣頻率為1 Hz，求3 s的滑動平均值作為瞬時值。降水量采樣頻率為1/30 Hz。程序流程圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)程序流程圖

2.2 LabVIEW程序設(shè)計

接收站點(diǎn)PC機(jī)上的程序采用LabVIEW設(shè)計。LabVIEW是美國NI公司推出的一種圖形化編程語言，界面友好、操作簡便、開發(fā)周期短，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析和數(shù)據(jù)顯示等方面[5-6]。LabVIEW編程包含前面板設(shè)計和程序框圖設(shè)計兩部分，前面板是用戶界面，由輸入控件和顯示控件等構(gòu)成，相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的面板，輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)前面板傳遞給框圖，計算、分析的結(jié)果通過前面板以數(shù)字、圖形等形式顯示出來；框圖是圖形化的程序代碼，由各種圖形化的函數(shù)、子VI、結(jié)構(gòu)、連線等構(gòu)成，從前面板中得到的數(shù)據(jù)按照所編寫的程序以數(shù)據(jù)流的方式進(jìn)行計算，再將計算結(jié)果傳遞到前面板[7-8]。

設(shè)計的LabVIEW程序界面，如圖3所示。設(shè)置串口號、波特率打開串行口后，即可接收無線串口模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，對接收到的數(shù)據(jù)分析處理，將溫度、濕度等氣象參數(shù)的瞬時值以圖表的方式直觀顯示出來，同時記錄一天中各參數(shù)的最大值及出現(xiàn)時間。設(shè)計中利用LabVIEW有強(qiáng)大的文件I/O函數(shù)，將采集到的氣象數(shù)據(jù)以ASCII碼存放在電子表格文件中，每天測量的數(shù)據(jù)存放在一個表格中。用戶可通過前面板界面打開相應(yīng)的文件來查看歷史數(shù)據(jù)，還可通過Excel等第三方軟件進(jìn)行查看。

圖3 LabVIEW程序界面

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

軟、硬件設(shè)計完成后，制作了小型氣象站樣機(jī)，在距離為3 km、無線數(shù)據(jù)傳輸速率≤9 600 bit·s-1的情況下，不會發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸錯誤，實(shí)際測試結(jié)果如表1所示。圖4為實(shí)驗(yàn)測試時記錄的一組溫度數(shù)據(jù)，測量值1為本系統(tǒng)測量結(jié)果，測量值2為臺灣寶工NT-311型電子溫度計測量結(jié)果，其測量精度為±0.1℃。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該小型氣象站可滿足一般情況下的大氣測量要求。表1為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 溫度變化曲線

4 結(jié)束語

本文根據(jù)氣象參數(shù)的測量要求和測量方法，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了一種智能化綜合氣象采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以無線方式傳輸數(shù)據(jù)無需布線，使用靈活、方便。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能滿足一般情況下的氣象監(jiān)測要求。

[1] Silicon Labs公司. C8051F35x單片機(jī)器件手冊[M].Austin,USA:Silicon Labs公司,2007.

[2] 江門市安泰電子有限公司MS8607-02BA01數(shù)據(jù)手冊[M].江門：江門市安泰電子有限公司,2014.

[3] 北京金時速儀器設(shè)備經(jīng)營部. YGY-FSXY1風(fēng)速風(fēng)向儀[M]. 北京：北京金時速儀器設(shè)備經(jīng)營部,2014.

[4] SHARP Corporation. GP2Y1010AU0F數(shù)據(jù)手冊[M].Japan:SHARP Corporation,2006.

[5] 陳國順,張桐,郭陽寬,等.精通LabVIEW程序設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[6] 陳樹學(xué),劉萱.LabVIEW寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[7] 林君,謝宣松.虛擬儀器原理及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[8] 候國屏,王坤,葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

Design of a Small Weather Station Based on LabVIEW

The paper presents a small weather station based on C8051F350 MCU and several sensors for measuring atmospheric parameters. The system can measure the wind direction, wind speed, air temperature, atmospheric humidity, atmospheric pressure and concentration of PM2.5, and upload the data to the upper computer for display and storage. Experiments show the designed weather station is capable of atmospheric measurement under general conditions.

atmospheric parameters; LabVIEW; C8051F350; weather station

2015- 12- 09

2015年江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃省級指導(dǎo)基金資助項(xiàng)目(201510324041X)

沙春芳(1973-)，女，碩士，講師。研究方向：光電技術(shù)應(yīng)用。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.036

TH744.41

A

1007-7820(2016)10-127-03