1引言

　　我國的疆域廣闊，時區分布不同，海拔以及溫度，濕度等氣候差異都很大，實時的了解我們所處位置的氣候情況對工作和生活是很重要的。尤其對一些野外工作的科研人員來說，需要測試海拔，溫度，濕度等物理量作為參考因素。為了測量這些物理量需要我們攜帶多種測試設備，這對野外工作很不方便。為了實時方便的了解我們所處的海拔高度和天氣情況，我們需要有更便捷，功能更齊全的綜合測量儀器。同時可以將現場的數據送到PC，以方便今后的進一步分析和處理。

　　2系統組成以及基本原理

　　整個綜合測試儀主要由五個部分組成。分別是核心控制單元，濕度測量，海拔高度測量，溫度測量，以及測量數據顯示部分。濕度測量是通過濕度傳感器將環境濕度物理量變換為電信號，最終將處理后的模擬信號經過A/D后送到CPU。海拔測量主要是通過間接測量大氣壓強，經過計算來得出當地的海拔高度，其中也考慮到其他因素的影響而采取了軟件修正的方法。溫度測量采用數字溫度測量芯片DS1820來實現，這是一個應用的比較廣泛，也是得到了實踐驗證，確切可行的一種測量方法。所有采集的物理量經過A/D轉換后，在CPU中經過處理，反映出各自代表的物理量后，送到顯示電路，以提供使用者信息，也可送到PC，讓PC機上的數據分析軟件做進一步的處理和存儲。

　　3系統硬件整體設計

　　系統控制器單元

　　本設計采用LPC2104作為控制器的控制芯片。LPC2104是PHILIPS公司專為嵌入式應用提供的高性價比微控制器解決方案。它采用ARM公司的16位/32位RISC結構，內核是ARM7TDMI-S，CPU操作頻率可達60MHz，片上集成：具有ISP和IAP功能的128KB Flash程序存儲器、16KB靜態RAM、2個UART、1個I2C串行接口、1個SPI串行接口，多達6路輸出的PWM、2個定時器，分別具有4路捕獲/比較通道、實時時鐘及看門狗定時器等，能夠與常用的外圍設備實現無縫連接，本系統以LPC2104為核心控制電路，對外圍的各種前端測量電路，包括濕度測量，溫度測量，海拔測量，以及數據顯示電路進行無逢整合。其中系統整體框圖如圖1。

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　　3．1 濕度測試電路設計

　　濕敏測量在工業、農業、氣象、醫療以及日常生活等方面都得到了廣泛的應用，特別是隨著科學技發展，對于濕度的檢測和控制越來越受到人們的重視并進行了大量的研制工作。

　　在本測量儀中濕度測量電路是由濕敏元件和轉換電路，信號調理電路，以及A/D轉換電路等組成，它將環境濕度變換為電信號，然后通過A/D轉換成數字信號。

　　在實際應用中，需要同時考慮對濕度傳感器進行線性處理和溫度補償，常常采用運算放大器構成濕度測量電路，在圖2中Rt是熱敏電阻器(20kΩ，B=4100K)；RH為H204C濕度傳感器，運算放大器型號為OP07。該電路的濕度電壓特性及溫度特性表明：在(30％～90％)RH、15℃～35℃范圍內，輸出電壓表示的濕度誤差不超過3％RH。下式是濕度測量的原理表達式：

　　R=R0exp(B/T-AH)

　　其中H為相對濕度；T為絕對溫度；R0為在T=0℃ ，相對濕度H=0時RH的阻值；A為濕度常數；B為溫度常數。

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　　3．2 海拔高程測試電路設計

　　海拔測量的方法主要有兩種：一種是GPS，一種是氣壓檢測法。GPS測量是一個比較好的，也比較先進的測量方法，測量結果也非常精確。但是存在著成本較高這個缺點，所以在本系統中采用氣壓檢測的方法。氣壓測量的原理是依據海拔高度增加氣壓隨之減小的原理，但是這個變化不是線性，而是一個函數，函數關系大致如下：

　　P=760(e^-(a/7924))

　　P:氣壓，毫米汞柱a:海拔, 千米。當然，氣壓還跟季節，空氣濕度，氣流有關系，要把這些數據也參入計算是很復雜的事。所以在設計中通過采樣多個數據進行加權求和。同時在軟件設計中考慮進行軟件的修正。

　　在系統設計中，氣壓測量傳感器采用TP051P測量現場氣壓值，而后通過AD620進行前端放大，放大以后的數據送到ICL7135進行A/D轉換。轉換后的數據以串行的方式送到CPU進行處理。圖2是海拔測量的前端采樣以及調理電路。

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　　3．3 溫度測試電路設計

　　DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要求通過簡單的編程實現9～12位的數字值讀數方式。可以分別在93.75 ms和750 ms內完成9位和12位的數字量，并且從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,溫度變換功率來源于數據總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統結構更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。如圖4是DS1820與微處理器LPC2104的典型連接電路：

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圖 4 溫度測量電路

　　3．4 數據顯示電路設計

　　作為測量結果的最終顯示，在本地系統中采用了LCD作為本地顯示界面，在界面主要包括（1）系統當前狀態顯示。包括當前工作模式，測量的具體物理量。（2）實時數據輪循顯示，更據設定連續測量確定的物理量。其中LCD采用了大連東顯公司的1602模塊，可以較好的完成系統設計的功能，LCD通過5V電源供電，LCD模塊自帶負壓輸出，對比度可調節。最終還可以通過串口將測量數據送到PC機上進行測量數據的進一步顯示和分析。

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圖5 數據顯示電路

　　4系統軟件設計

　　系統的軟件設計是整個儀器的核心。綜測儀軟件設計主要包括兩個部分的設計：本地CPU LPC2104固件程序設計，PC機程序設計。其中本地CPU固件程序設計包括三個部分：整個綜測儀的系統初始化，對對前端部分的控制，和PC機進行通訊。整個本地部分的程序設計采用事件驅動中斷，和模塊化設計的思想。開發環境采用ARM公司提供的ADS開發環境。

　　本地CPU和PC機之間的通訊方式采用固定長度的消息來進行，其中消息的格式表1：

　　表1 消息格式

　　一個好的上位機軟件能夠提供記錄儀最廣泛的支持，通過上位機的支持，鍵盤等不必要的零件解放了，同時提供出更多的資源以利用。在本綜合測量儀系統中，PC機上程序設計主要包括軟件界面設計，數據圖形化處理，后期數據分析。軟件支持是綜合儀不可或缺的一部分，其主要功能為：設定測量的物理量，設定測量間隔（2s～24h任意可調），設定停止方式，設定啟動時間，設定通訊格式，讀取數據并顯示測量數據、歷史曲線等，并提供打印功能，把數據轉化為EXCEL或WORD文檔形式等等功能。

　　5結束語

　　綜合測量儀對野外科研研究，農業及氣象分析具有很突出的意義，也可以應用到與氣候條件有關的各種行業。經過實驗室條件和現場運行的結果表明，所設計的綜合測量儀器能夠很好的應用予各種科研，將各種功能集于一體，很好的滿足了野外工作的要求，經過實踐的檢驗，表明本測量儀具有較強的實用性和推廣價值。

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