具有辐射误差修正功能的自动气象站系统设计

摘要

气象要素的测量关系到人们的日常生活和生产，自动气象站是集各气象要素测量于一体的智能化设备。本文设计了一种具有辐射误差修正功能的自动气象站系统，包括温湿度采集、风速风向采集、气压采集、雨量采集、辐射强度采集、GPS授时、微控制处理器系统、通信系统以及上位机显示存储软件。该气象站的传感器选型具有精度较高，稳定性好等特点。微控制器选用的是外设较多、速度较快、FLASH容量较大的32位ARM处理器STM32f103VCT6。通过设计高精度AD采集电路，运用阵列式气压传感器测量和卡尔曼滤波器算法对测量值进行滤波等方法，提高了测量精度。
　　太阳辐射引起的气象站温度测量误差可达0.8K以上，制约了气候变化监测和天气预报精度的提高。本文设计的自动气象站，利用高反射率温度传感器探头、辐射传感器、风速风向传感器、高精度信号调理电路以及嵌入式软件实现对辐射误差的修正。利用该气象站和强制通风温度传感器搭建了试验平台。以强制通风温度传感器作为参考，测量不同风速、不同辐射强度下的辐射误差值，利用Levenberg-Marquardt(L-M)算法拟合出用辐射强度和风速计算辐射误差的修正方程，可实现辐射误差的实时修正。实验结果表明，在一定的辐射强度和风速范围内，辐射误差平均值降低到0.02K，显著提高了气象站气温测量精度。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 自动气象站国内外研究现状

1．3 减少辐射误差的传统方法

1．3．1 自然通风防辐射罩

1．3．2 百叶箱

1．3．2 强制通风防辐射罩

1．4 主要研究内容

第二章 气象站系统硬件设计

2．1 传感器选型

2．1．1 温度传感器选型

2．1．2 湿度传感器选型

2．1．3 风速风向传感器选型

2．1．4 气压传感器选型

2．1．5 雨量传感器选型

2．1．6 总辐射强度传感器选型

2．1．7 GPS授时模块选型

2．2 微控制器的选择

2．2．1 STM32介绍

2．2．2 最小系统设计

2．3 气象站系统电路设计

2．3．1 系统总体框图

2．3．2 电源电路设计

2．3．3 温湿度采集电路设计

2．3．4 风速风向和辐射强度采集电路设计

2．3．5 气压采集电路设计

2．3．6 雨量采集电路设计

2．3．7 通信模块设计

2．4 气象站系统信号采集处理器

2．5 本章小结

第三章 气象站系统软件设计

3．1 STM32程序开发环境

3．2 系统功能程序设计

3．2．1 系统程序任务框图设计

3．2．2 传感器采集程序设计

3．3 系统通信模块设计

3．3．1 串口通信

3．3．2 基于C#的上位机设计

3．3．3 CAN通信方式

3．4 数据采集算法处理

3．5 本章小结

第四章 辐射误差修正功能的实现

4．1 温度传感器探头的设计

4．1．1 高反射率温度传感器探头设计

4．1．2 温度传感器的标定

4．2 辐射误差测量试验

4．2．1 试验平台的构建

4．2．2 试验结果

4．3 基于L-M算法的辐射误差修正方法

4．3．1 L-M算法介绍

4．3．2 利用L-M算法求解修正方程

4．4 本章小结

第五章 实验结果与分析

5．1 实验结果分析

5．2 数据格式设置

5．3 辐射误差试验结果分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介