一种气象数据采集装置的制作方法

1.本实用新型涉及气象观测领域，尤其涉及一种气象数据采集装置。


背景技术：

2.气象数据采集装置是气象数据采集系统中最重要的组成部分，气象数据采集的稳定性和精确性与气象数据采集装置的性能和安全性密切相关，目前很多气象数据采集设备采用的是上世纪开发的通用型进口产品，有些功能已经没有数据采集作用，然而却依然在工作，容易对需要的数据采集造成干扰，且电路设计没有采取防雷击措施，在室外环境下使用容易遭雷击损坏，使用目前的气象数采集装置对气象数据采集时容易导致气象数据采集存在不稳定、不精确的问题。


技术实现要素：

3.本实用新型提供了一种气象数据采集装置，用以解决目前气象数据采集装置进行气象数据采集时存在不稳定、不精确的问题。
4.为实现上述目的，本实用新型提供了一种气象数据采集装置，包括：控制芯片，与控制芯片连接的数字信号整形输入模块、模数转换模块以及通讯模块，和与通讯模块连接的通讯防雷模块；数字信号整形输入模块包括多路脉冲频率输入接口整形处理电路以及多路数字i/o 输入接口整形处理电路。
5.优选地，还包括：与控制芯片相连的传感器修正值存储模块；多路脉冲频率输入接口整形处理电路用于连接雨量和风速采集传感器；多路数字i/o输入接口整形处理电路用于连接风向格雷码传感器；模数转换模块用于连接温度传感器以及温湿度传感器。
6.优选地，模数转换模块包括多路模拟差分信号处理电路、可编程仪表线性放大及a/d模数转换电路，模拟差分信号处理电路的输入端连接对应的温度传感器以及温湿度传感器，模拟差分信号处理电路的输出端依次连接可编程仪表线性放大及a/d模数转换电路，可编程仪表线性放大及a/d模数转换电路的输出端连接控制芯片。
7.优选地，可编程仪表线性放大及a/d模数转换电路包括依次连接的仪表线性放大器、多路同相放大器、2-1转换器、射极跟随器、以及a/d转换器。
8.优选地，数字信号整形输入模块包括多个数字接口电路，每个数字接口电路具有相同的电路结构，均包括二极管d1、第一电阻r1、双时基集成电路u1，二极管d1的阴极连接数字信号采集电路，二极管d1的阳极连接第一电阻r1的一端且公共端连接双时基集成电路 u1的输入端，第一电阻r1的另一端连接系统电源模块的第一输出端，双时基集成电路u1 的输出端连接控制芯片的一个端口。
9.优选地，还包括为各组件供电的系统电源模块，系统电源模块包括防雷输入电路、第一电源芯片u3、第一电压转换芯片u4、第二电源芯片u5、第二电压转换芯片u6、第一稳压芯片u7、第二稳压芯片u8、第三稳压芯片u9、第四稳压芯片u10，防雷输入电路的一端连接外部电源，防雷输入电路的另一端连接第一电源芯片u3的输入端，第一电源芯片u3的输出端
输出+5v电压且同时连接数字信号整形输入模块、恒流源模块、系统工作指示灯模块、第一电压转换芯片u4的输入端和第二电源芯片u5的输入端，第一电压转换芯片u4的输出端输出-5v电压且同时连接模数转换模块，第二电源芯片u5的输出端输出+12v电压且同时连接第二电压转换芯片u6的输入端和第一稳压芯片u7的输入端，第二电压转换芯片u6的的输出端连接第二稳压芯片u8的输入端，第一稳压芯片u7的输出端输出+9v电压且同时连接第三稳压芯片u9的输入端，第二稳压芯片u8的输出端输出-9v电压且同时连接第四稳压芯片u10的输入端，第三稳压芯片u9的输出端输出+5v电压，第四稳压芯片u10的输出端输出-5v电压。
10.优选地，可编程仪表线性放大及a/d模数转换模块还连接有恒流源模块，恒流源模块连接温感器件，恒流源模块包括第二电阻r2、第三电阻r3、第一运算放大器u2、导通开关 q1，第二电阻r2的一端连接可编程仪表线性放大及a/d模数转换模块，第二电阻r2的另一端连接温感器件的一端，温感器件的另一端连接导通开关q1的输入端，导通开关q1的控制端连接第一运算放大器u2的第一端，导通开关q1的输出端连接第一运算放大器u1的第二端且公共端连接第三电阻r3的一端，第一运算放大器u2的第三端连接系统电源模块的第一输出端，第三电阻r3的另一端接地。
11.本实用新型具有以下有益效果：本实用新型提供了一种气象数据采集装置，采用模块化、集成化设计，避免模块之间的干扰，同时还增加了防雷击措施，确保了系统的稳定性、可靠性，提高了系统抗干扰和抗雷击的能力，极大的提升了气象数据采集的稳定性和精确性。
附图说明
12.构成本技术的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
13.图1是本实用新型优选实施例的一种气象数据采集装置的整体结构示意图；
14.图2是本实用新型优选实施例的一种气象数据采集装置的数字信号整形输入模块的电路结构示意图；
15.图3本实用新型优选实施例的一种气象数据采集装置的模数转换模块的电路结构示意图；
16.图4是本实用新型优选实施例的一种气象数据采集装置的恒流源模块的电路结构示意图；
17.图5是本实用新型优选实施例的一种气象数据采集装置的系统电源模块的结构示意图；
18.图6是本实用新型优选实施例的一种气象数据采集装置的指示灯模块的电路结构示意图。
具体实施方式
19.以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
20.实施例1，一种气象数据采集装置。
21.如附图1-6所示，本实施例提供了一种气象数据采集装置，包括：气象数据采集装置，包括：控制芯片，与控制芯片连接的数字信号整形输入模块、模数转换模块以及通讯模块，和与通讯模块连接的通讯防雷模块；数字信号整形输入模块包括多路脉冲频率输入接口整形处理电路以及多路数字i/o输入接口整形处理电路。本实施例中，气象数据采集装置还包括：与控制芯片相连的传感器修正值存储模块；多路脉冲频率输入接口整形处理电路用于连接雨量和风速采集传感器；多路数字i/o输入接口整形处理电路用于连接风向格雷码传感器；模数转换模块用于连接温度传感器以及温湿度传感器。
22.其中，在本实施例中，控制芯片可以为任意具有逻辑运算功能以及i/o接口的控制芯片，例如mcu、cpu、fpga等芯片，本实施例的控制芯片以cpu为例进行说明；通讯模块具体采用485通讯模块，在其它的实施例中，还可以采用例如串口模块、432通讯模块等具有通讯功能的模块；数字信号采集电路具体为12路数字i/o输入接口整形处理模块，在其它的实施例中，还可以采用任意通道数的数字i/o输入接口整形处理模块；脉冲频率输入接口整形模块具体为4路脉冲频率输入接口整形模块，在其它的实施例中，还可以采用任意通道数的脉冲频率输入接口整形模块；数字信号采集电路包括有数字传感器，用于采集数字信号，模拟信号采集电路包括模拟传感器，用于采集模拟信号；传感器修正值存储模块具体采用 eeprom芯片，无需外加电池就能长时间的保留数据，支持在线修改，实时订正，方便用户使用。
23.其中，模数转换模块包括模拟差分信号处理电路、可编程仪表线性放大及a/d模数转换电路，模拟差分信号处理电路的输入端连接模拟信号采集电路，模拟差分信号处理电路的输出端连接可编程仪表线性放大及a/d模数转换电路的输入端，可编程仪表线性放大及a/d模数转换电路的输入端还连接模拟信号采集电路，可编程仪表线性放大及a/d模数转换电路的输出端连接cpu。
24.具体地，模拟差分信号处理电路包括max399epa芯片，可编程仪表线性放大及a/d模数转换电路包括仪表线性放大器、同相放大器、2-1转换器、射极跟随器、a/d转换器、单片机，其中，仪表线性放大器具体为三个max432epa芯片构成的*1仪表线性放大器，同相放大器具体为一个max 432epa构成的16路同相放大器，2-1转换器具体为max 4544epa芯片，射极跟随器具体为一个max 432epa芯片，a/d转换器具体为max 195aede芯片构成的16位a/d转换器，单片器具体为at89c52的8位单片机，在其它实施例中，采用其它型号的芯片也可以达到本实施例的功能，本实施例的具体型号并不能理解为对本实用新型的限制；max399epa芯片的输入端连接模拟信号采集电路，max399epa芯片的控制端连接控制芯片的p2.6端口和p2.7端口，max399epa芯片的输出端连接仪表线性放大器的输入端，仪表线性放大器的输出端连接同相放大器的输入端和2-1转换器的第一输入端，同相放大器的输出端连接2-1转换器的第二输入端，2-1转换器的控制端连接控制芯片的p2.3端口，2-1 转换器的输出端连接射极跟随器的输入端，射极跟随器的输出端连接a/d转换器的输入端， a/d转换器的供电端通过一个max 6350epa后连接系统电源模块，a/d转换器的输出端连接单片机，单片机还连接控制芯片的p3.6端口，单片机还连接有一个max 485esa芯片。
25.本实施例的a/d转换通道共设计了4组模拟差分高阻输入通道，内部设有两组高精度固定增益放大器，同时结合高精度的16位a/d转换器组合形成对任意范围的模拟电压进
行精确转换，即使是0～25mv的微弱电压也能达到0.1％的转换精度。
26.具体地，可编程仪表线性放大及a/d模数转换模块还连接有恒流源模块，恒流源模块连接温感器件，恒流源模块包括第二电阻r2、第三电阻r3、第一运算放大器u2、导通开关 q1，第二电阻r2的一端连接可编程仪表线性放大及a/d模数转换模块，第二电阻r2的另一端连接温感器件的一端，温感器件的另一端连接导通开关q1的输入端，导通开关q1的控制端连接第一运算放大器u2的第一端，导通开关q1的输出端连接第一运算放大器u1的第二端且公共端连接第三电阻r3的一端，第一运算放大器u2的第三端连接系统电源模块的第一输出端，第三电阻r3的另一端接地。
27.本实施例中的导通开关q1可以为场效应管、三极管或igbt，本实施例的导通开关q1 以场效应管为例进行说明，本实施例的第一运算放大器u2选用max432epa，当然，选用其它任意信号的运算放大器也可以本实施例的功能，本实施例以max432epa为例进行说明并不对本实用新型形成限制，本实施例中选用了1k阻值的第二电阻r2，以及2k阻值的第三电阻r3，对于选用何种阻值的电阻用于实现电路功能，是本领域的公知常识，本实施例中选用的电阻阻值大小并不对本实用新型形成限制。在本实施例中，恒流源模块事利用运算放大器的负反馈和虚地原理，使得下端控制恒流源模块大小值的第三电阻r3施加的电压恒定不变, 因此场效应管的漏极电流i＝5v/2k＝2.5ma。由于场效应管的栅极电阻无穷大，因此栅极电流为0，所以其源极电流等于漏极电流，且恒定不变，第二电阻e2主要用于降低温度电阻负载的共模电压，以满足第一运算放大器u2正常工作的要求。
28.具体地，数字信号整形输入模块包括12个数字接口电路，每个数字接口电路具有相同的电路结构，本实施例以连接cpu的p0.0端口的数字接口电路为例进行说明，每个数字接口电路均包括二极管d1、第一电阻r1、双时基集成电路u1，二极管d1的阴极连接数字信号采集电路，二极管d1的阳极连接第一电阻r1的一端且公共端连接双时基集成电路u1的输入端，第一电阻r1的另一端连接系统电源模块的第一输出端，双时基集成电路u1的输出端连接cpu的一个端口。
29.在本实施例中，第一电阻r1为上拉电阻，二极管d1用于防止数字信号采集电路的信号波动对双时基集成电路u1产生影响，双时基集成电路u1具体采用ne556芯片，数字接口电路采用ne556芯片进行脉冲整行，从而增加接口抗干扰能力。
30.具体地，本实施例还包括为各组件供电的系统电源模块，系统电源模块包括防雷输入电路、第一电源芯片u3、第一电压转换芯片u4、第二电源芯片u5、第二电压转换芯片u6、第一稳压芯片u7、第二稳压芯片u8、第三稳压芯片u9、第四稳压芯片u10，其中，第一电源芯片u3具体型号为max744aepa、第一电压转换芯片u4体型号为icl7662epa、第二电源芯片u5体型号为max 761epa、第二电压转换芯片u6体型号为icl7662epa、第一稳压芯片u7体型号为78l09、第二稳压芯片u8体型号为79l09、第三稳压芯片u9体型号为 lm371l、第四稳压芯片u10体型号为lm337l，在不影响本实施例的功能的情况下，芯片 u3-u10还可以采用其它型号的芯片，本实施例的芯片型号并不对本实用新型形成限制，防雷输入电路的一端连接外部电源，防雷输入电路的另一端连接第一电源芯片u3的输入端，第一电源芯片u3的输出端输出+5v电压且同时连接数字信号整形输入模块、恒流源模块、系统工作指示灯模块、第一电压转换芯片u4的输入端和第二电源芯片u5的输入端，第一电压转换芯片u4的输出端输出-5v电压且同时连接模数转换模块，第二电源芯片u5的输出端输出+12v电压且同时连接
第二电压转换芯片u6的输入端和第一稳压芯片u7的输入端，第二电压转换芯片u6的的输出端连接第二稳压芯片u8的输入端，第一稳压芯片u7的输出端输出+9v电压且同时连接第三稳压芯片u9的输入端，第二稳压芯片u8的输出端输出-9v电压且同时连接第四稳压芯片u10的输入端，第三稳压芯片u9的输出端输出+5v电压，第四稳压芯片u10的输出端输出-5v电压。
31.本实施通过防雷输入电路隔离连接外部电源，当外部电源发生雷击或者故障事故时，避免对系统电源模块后级电路的影响，外部电源经防雷输入电路隔离输入至第一电源芯片u3，经过第一电源芯片u3处理后输出+5v数字电压，用于为数字信号电路、5v数字信号传感器、 a/d转换器数字正电源供电，同时输出至第一电压转换芯片u4和第二电源芯片u5，第一电压转换芯片u4将+5v数字电压转换为-5v数字电压输出，用于为a/d转换器数字负电源供电，第二电源芯片u5将+5v数字电压升压为+12v电压后输出，为12v数字传感器和12v 模拟传感器供电，同时输出至第二电压转换芯片u6和第一稳压芯片u7，第二电压转换芯片 u6将正12v电压转换为-12v电压后输出至第二稳压芯片u8，第一稳压芯片u7将12v电压转换为+9v的模拟电压后输出，为模拟信号电路供电，同时输出至第三稳压芯片u9，第二稳压芯片u8将-12v电压转换为-9v的模拟电压输出，为模拟电路供电，同时输出至第四稳压芯片u10，第三稳压芯片u9将+9v模拟电压转换为+5v模拟电压输出，为a/d转换器供电，第四稳压芯片u10将-9v模拟电压转换为-5v模拟电压输出，为a/d转换器供电。需要说明的是，本实施例中采用的具体电压值是为了便于理解，在其它的实施例中，采用其它芯片和/ 或采用不同的连接方式，同样可以实现电压转换以及升降的功能，并可以根据实际需求，设置不同的电压值，本实施例中使用的具体电压值不应该理解为对本实用新型的限制。
32.具体地，系统工作指示灯模块包括第四电阻r4、发光二极管d2，第四电阻r4的一端连接cpu的p3.7端口，第四电阻r4的另一端连接发光二极管d2的阴极，发光二极管d2的阳极连接系统电源模块的+5v数字电压输出端。
33.本实施例中，当cpu的p3.7端口输出低电平时，发光二极管d2导通发光，当cpu的p3.7 端口输出高电平时，发光二极管d2截止不发光，通过软件程序控制cpu的p3.7端口输出的电平，可以使指示灯常亮、常灭或以一定的频率闪烁用于表示气象数据采集装置处于什么状态。
34.本实施例的气象数据采集装置的数字接口采用双时基电路进行脉冲整行，增加接口抗干扰能力；模拟接口采用高导通性能、高切换速度和一致性好的专用接口转换电路，并采用内部集成可编程增益仪表放大电路，配合高精度16位a/d转换电路，保证了对模拟传感器的采集精度，传感器修正值的存储利用eeprom芯片设计，无需外加电池就能长时间的保留数据，支持在线修改，实时订正，方便用户使用；考虑远距离供电及数据传输时易遭雷击，在电源模块输入端和485通讯模块输出端，增加了防雷设计电路，确保系统在恶劣环境中正常工作；减少了许多器件，尤其是阻容器件，从而提高了整机的可靠性和可维性。取消了机械式电位器，使整机的抗震性得到提高，并减少系统漂移。采用市场上主流器件，为生产和维修带来方便。
35.综上所述，本实用新型的气象数据采集装置采用模块化、集成化设计，并采取防干扰和防雷击措施，确保了系统的稳定性、可靠性，提高了系统抗干扰和抗雷击的能力，极大的提升了气象数据采集的稳定性和精确性。
36.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。