基于LabVIEW的小型气象站设计

余 昆，吴 超，沙春芳，王忠纯

(盐城师范学院 新能源与电子工程学院，江苏 盐城 224002)



基于LabVIEW的小型气象站设计

余 昆，吴 超，沙春芳，王忠纯

(盐城师范学院 新能源与电子工程学院，江苏 盐城 224002)

针对大气参数测量要求与测量方法，利用C8051F350及多种传感器等设计了一种小型自动气象系统。该系统可采集温度、湿度、风速、风向、气压、PM2.5浓度等信息，并将数据通过无线串口上传至主机，利用主机上LabVIEW设计的程序将实现气象信息显示、记录。由实验结果可知，该小型气象站可满足一般情况下的大气测量要求。

大气参数；LabVIEW；C8051F350；气象站

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远距离(开阔地带传输距离为6 km)无线数据传输模块及LabVIEW设计了一种小型自动气象站。

1 硬件电路设计

该系统由数据采集与发送、数据接收两部分构成。其中，数据采集与发送部分主要由传感器、模拟开关、无线串口模块等构成，系统框图如图1所示。

图1 小型气象站系统框图

1.1 单片机

该系统所使用的单片机是Silicon Lab公司生产的C8051F350[1]。这种单片机具有高速流水线结构与8051兼容，用到了其中的24位A/D转换器、可编程放大器、UART及SMBUS。

1.2 温湿压传感器

采用精量电子公司(美国MEAS)最新推出的一款复合数字传感器MS8607-02BA01[2]，该复合传感器将压力、湿度和温度传感器整合于一体，测量精度高、功耗低，其压力、温度、湿度分辨率分别为0.016 mbar、0.01℃、0.04 RH。该传感器与单片机通过SMBUS接口通信。

1.3 风速、风向、粉尘传感器

风速、风向传感器分别采用5 V供电的电压输出型(0～5 V)YGC-FS风速传感器、FGC-FX风向传感器[3]。FGC-FS风速传感器采用传统的三风杯风速传感结构，其风速测量范围为0～45 m/s，启动风速低(0.3 m/s)、分辨率高(0.1 m/s)； FGC-FX风向传感器启动风速为0.5 m/s、准确度为±1°；粉尘传感器采用夏普公司的GP2Y1010AU0F[4]，这是一种电压输出型红外光学粉尘探测器，其灵敏度为0.1 mg/m3。采集粉尘浓度参数时，单片机输出周期50 ms、低电平0.32 ms的脉冲信号，经三极管驱动后送入传感器的LED脚，其第5脚输出信号，在脉冲信号下降沿后的0.28 ms采集输出的电压。以上3种传感器输出的电压信号经1/2取样后通过多路开关CD4066送至C8051F350的A/D转换输入引脚，CD4066分时将传感器的信号送入C8051F350中进行高精度(24 bit)A/D转换，从而测量出风速、风向及粉尘浓度。

1.4 雨量传感器

雨量传感器采用SL3-1型双翻斗雨量传感器，每0.1 mm的降雨量该传感器的计量翻斗翻转一次，输出一个脉冲信号，将脉冲信号接至单片机的计数器输入端进行计数即可测量降雨量。

1.5 数据通信

433 MHz的远距离无线串口模块与单片机的串行口相连，将测得的气象参数无线发送至接收节点，接收点的无线串口模块接收到的数据经UART/USB转换芯片CH340G转换后经USB接口送入PC机中进行处理、显示及存储。

2 软件设计

2.1 单片机软件

单片机软件的主要任务是采集各种气象参数，处理后经无线串口发送。设计中各参数采集顺序为：粉尘浓度→风向→风速→气温→湿度→降水量→气压。其中粉尘浓度每秒钟采集一次，对连续5次采样值进行滑动平均滤波，作为瞬时值；气温、湿度、气压的采样频率为0.1 Hz，连续采集6次，去掉最大值和最小值后取余下4个数据的平均值，接收端可根据公式计算出相应的水汽压和露点温度。风向、风速的采样频率为1 Hz，求3 s的滑动平均值作为瞬时值。降水量采样频率为1/30 Hz。程序流程图如图2所示。

图2 单片机程序流程图

2.2 LabVIEW程序设计

接收站点PC机上的程序采用LabVIEW设计。LabVIEW是美国NI公司推出的一种图形化编程语言，界面友好、操作简便、开发周期短，广泛应用于数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等方面[5-6]。LabVIEW编程包含前面板设计和程序框图设计两部分，前面板是用户界面，由输入控件和显示控件等构成，相当于传统仪器的面板，输入的数据经前面板传递给框图，计算、分析的结果通过前面板以数字、图形等形式显示出来；框图是图形化的程序代码，由各种图形化的函数、子VI、结构、连线等构成，从前面板中得到的数据按照所编写的程序以数据流的方式进行计算，再将计算结果传递到前面板[7-8]。

设计的LabVIEW程序界面，如图3所示。设置串口号、波特率打开串行口后，即可接收无线串口模块发来的数据，对接收到的数据分析处理，将温度、湿度等气象参数的瞬时值以图表的方式直观显示出来，同时记录一天中各参数的最大值及出现时间。设计中利用LabVIEW有强大的文件I/O函数，将采集到的气象数据以ASCII码存放在电子表格文件中，每天测量的数据存放在一个表格中。用户可通过前面板界面打开相应的文件来查看历史数据，还可通过Excel等第三方软件进行查看。

图3 LabVIEW程序界面

3 实验结果

软、硬件设计完成后，制作了小型气象站样机，在距离为3 km、无线数据传输速率≤9 600 bit·s-1的情况下，不会发生数据传输错误，实际测试结果如表1所示。图4为实验测试时记录的一组温度数据，测量值1为本系统测量结果，测量值2为台湾宝工NT-311型电子温度计测量结果，其测量精度为±0.1℃。由实验结果可知，该小型气象站可满足一般情况下的大气测量要求。表1为实验结果。

表1 实验结果

图4 温度变化曲线

4 结束语

本文根据气象参数的测量要求和测量方法，结合虚拟仪器技术设计了一种智能化综合气象采集系统，该系统以无线方式传输数据无需布线，使用灵活、方便。实验结果表明，该系统能满足一般情况下的气象监测要求。

[1] Silicon Labs公司. C8051F35x单片机器件手册[M].Austin,USA:Silicon Labs公司,2007.

[2] 江门市安泰电子有限公司MS8607-02BA01数据手册[M].江门：江门市安泰电子有限公司,2014.

[3] 北京金时速仪器设备经营部. YGY-FSXY1风速风向仪[M]. 北京：北京金时速仪器设备经营部,2014.

[4] SHARP Corporation. GP2Y1010AU0F数据手册[M].Japan:SHARP Corporation,2006.

[5] 陈国顺,张桐,郭阳宽,等.精通LabVIEW程序设计[M].北京:电子工业出版社,2012.

[6] 陈树学,刘萱.LabVIEW宝典[M].北京:电子工业出版社,2011.

[7] 林君,谢宣松.虚拟仪器原理及应用[M].北京:科学出版社,2007.

[8] 候国屏,王坤,叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社,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年江苏省高等学校大学生实践创新训练计划省级指导基金资助项目(201510324041X)

沙春芳(1973-)，女，硕士，讲师。研究方向：光电技术应用。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.036

TH744.41

A

1007-7820(2016)10-127-03