1 農(nóng)業(yè)氣象儀儀器特點(diǎn)
1.1 農(nóng)業(yè)氣象儀采用功能強(qiáng)大的C8051F020單片機(jī)
    C8051F020單片機(jī)是Cygnal公司推出的完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC),具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。它在一個(gè)芯片內(nèi)集成了一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有的模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能部件。這些外設(shè)或功能部件包括:2個(gè)多通道ADC子系統(tǒng)(每個(gè)子系統(tǒng)包括一個(gè)可編程增益放大器和一個(gè)模擬多路選擇器)、2個(gè)電壓輸出DAC、2個(gè)電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、SMBusPI2C總線接口、2個(gè)UART、SPI總線接口、5個(gè)通用的16位定時(shí)器、一個(gè)具有5個(gè)捕捉P比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器P定時(shí)器陣列(PCA)、內(nèi)部P外部振蕩器、8個(gè)8位通用數(shù)字IPO端口和64KB FLASH程序存儲(chǔ)器。CIP-51與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比,指令執(zhí)行速度有很大的提高。70%指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期,只有4條指令的執(zhí)行時(shí)間大于4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。CIP-51工作在最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為25MHz時(shí),它的峰值速度達(dá)到25MIPS。
    C8051F020實(shí)現(xiàn)了片內(nèi)模擬與數(shù)字電路的3V供電標(biāo)準(zhǔn)(電壓范圍為2.7~3.6V),大大降低了系統(tǒng)功耗。完善的時(shí)鐘系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)在滿足響應(yīng)速度要求下,使系統(tǒng)的平均時(shí)鐘頻率達(dá)到最低。因此,C8051F020具有極佳的最小功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境。
1.2 農(nóng)業(yè)氣象儀功能齊全,界面友好
    小型氣象站具有系統(tǒng)自檢、參數(shù)裝訂、清除裝訂、傳感器測(cè)試、大風(fēng)報(bào)警等功能。氣象儀采用320@240點(diǎn)陣的液晶顯示器顯示實(shí)時(shí)氣象信息,同時(shí)通過(guò)串口向計(jì)算機(jī)發(fā)送這些數(shù)據(jù)。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    小型農(nóng)業(yè)氣象儀的原理框圖如圖1所示。

2.1 電源設(shè)計(jì)
    為保證農(nóng)業(yè)氣象記錄儀工作穩(wěn)定可靠,在單片機(jī)的前端通道(風(fēng)速、風(fēng)向串行信號(hào)輸入)和后端通道(422信號(hào)輸出)均加光電隔離,故設(shè)備采用雙+5V開關(guān)電源,其中一路+5V給各傳感器、濾波、整形和電平轉(zhuǎn)換電路供電。由于C80512F020需要3.3V供電電壓,采用低壓差穩(wěn)壓器TPS7333將另一路+5V轉(zhuǎn)換為3.3V輸出。另外采用電壓基準(zhǔn)源AD584產(chǎn)生APD轉(zhuǎn)換所需要的2.5V的基準(zhǔn)電壓。
2.2 傳感器信號(hào)處理
    風(fēng)速信號(hào)是脈沖信號(hào),經(jīng)過(guò)濾波、驅(qū)動(dòng)和光隔后送到MCU的計(jì)數(shù)器T0。風(fēng)向信號(hào)是一組電流信號(hào),加100K排阻將其轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿虚_關(guān)量,再用施密特觸發(fā)器整形,經(jīng)驅(qū)動(dòng)和光隔后送入單片機(jī)的P2口。溫度和相對(duì)濕度信號(hào)都是4~20mA電流信號(hào),分別加1008精密電阻后變?yōu)?.4~2V電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)模擬放大器AD623AN放大后送入MCU。
    氣壓傳感器輸出的是0~5V電壓信號(hào),而C8051F020要求信號(hào)電壓低于基準(zhǔn)電壓2.5V,所以必須分壓后才能送入MCU。
2.3 串行通信接口
    C8051F020有兩個(gè)完全相同的UART[1],通過(guò)設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器將TX0、RX0、TX1、RX1分別連到P0.0、P0.1、P1.0和P1.1。UART0和UART1經(jīng)光隔、驅(qū)動(dòng)和電平轉(zhuǎn)換,成為雙向RS232接口,UART0與顯示控制單元實(shí)現(xiàn)全雙工通信。UART1將測(cè)量的氣象數(shù)據(jù)送入上位機(jī)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。
3 軟件設(shè)計(jì)
    主程序的工作是每2s采樣一次風(fēng)速和風(fēng)向,向顯示控制單元發(fā)送氣象信息,并計(jì)算2min平均風(fēng)速和多數(shù)風(fēng)向;每10s采樣一次氣溫、相對(duì)濕度和氣壓,并計(jì)算平均值。如果顯示控制單元發(fā)出聯(lián)機(jī)請(qǐng)求,則進(jìn)行聯(lián)機(jī)操作。
系統(tǒng)有2級(jí)中斷,UART0中斷和T3中斷。UART0中斷優(yōu)先級(jí)高于T3。當(dāng)顯示控制單元發(fā)出聯(lián)機(jī)命令時(shí),則產(chǎn)生UART0中斷,系統(tǒng)執(zhí)行聯(lián)機(jī)處理子程序。
    系統(tǒng)采用11.0592MHz晶振產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘,用定時(shí)器T3計(jì)時(shí),T3每50ms產(chǎn)生一次中斷,當(dāng)產(chǎn)生40次中斷,即2s時(shí)執(zhí)行2s子程序;T3產(chǎn)生200次中斷時(shí),即10s,系統(tǒng)執(zhí)行10s子程序。系統(tǒng)軟件流程圖見圖2。

4 結(jié)束語(yǔ)
    小型氣象儀研制成功后,先后做了多項(xiàng)試驗(yàn),包括溫度循環(huán)應(yīng)力、電源拉偏等可靠性試驗(yàn);電磁兼容試驗(yàn)和各項(xiàng)測(cè)量參數(shù)的精度標(biāo)定試驗(yàn),并通過(guò)了本所的技術(shù)鑒定,現(xiàn)已安裝在國(guó)內(nèi)60m海監(jiān)船上,從一年多來(lái)的使用情況看,該儀器性能穩(wěn)定,運(yùn)行可靠,測(cè)量準(zhǔn)確,取得了用戶的信任,并將在國(guó)內(nèi)許多中小型民船上推廣應(yīng)用。