一体化气象六要素传感器系统的制作方法

本发明属于气象探测仪器设计技术领域，具体是涉及一种一体化气象六要素传感器系统。

背景技术：

海军船舰的作业一直以来和气象条件的关系都非常紧密，船舰的航行、武器发射、物资补给、侦查通讯等等，对于大气的温度、湿度、大气压力、风速、风向、雨量等参数都有很高的要求,尤其是现代海军追求高精密操作，对于高精度气象数据的需求更是大大增加，而且当前我国海军正处于装备换装的爆发时期，对于该类设备的需求越来越强。在实际应用中，不仅仅是军事应用方面，还有气象观测等应用都会对气象条件监测有需求。

经对现有技术文献检索发现，申请号为2014207763396的中国实用新型专利公开了一种一体式气象传感器，该一体式气象传感器包括设置在气象传感器本体上的气象要素传感器模块、信号处理模块和输出端口模块，其中气象要素传感模块具体包括设置在气象传感器顶部的雷达测雨量模块、设置在气象传感器中部的超声波测风速风向模块和mems测气压模块、以及设置在气象传感器下部的温湿度检测模块，气象要素传感模块中的各模块均与信号处理模块连接，信号处理模块与输出端口模块连接，该装置是易于维护的一体式气象传感器，可以通过一个传感器同时检测温度、湿度、风速、风向、气压、雨量六种气象要素。但是该装置具有一定缺陷，该装置中将温湿度传感器、雨量传感器和超声波探头等与信号处理模块直接连接，没有经过任何电路附加处理，这会导致传感器采集信息不精确，进一步影响系统准确度，且该装置中未集成其他类型传感器，仅有的传感器只能用于少数类型数据信息的采集，适用性差，且该传感器效果虽然是通过一个气象传感器完成，但是实际上还是通过集成在该气象传感器内部的多个传感模块实际检测得到，并没有实际意义上起到一个传感器同时检测温度、湿度、风速、风向、气压和雨量。

经对现有技术文献检索发现，申请号为2016213645381的中国实用新型专利公开了一种气象六要素监测仪，包括底座、中间保护罩和顶部保护渣，所述底座上面安装有通风罩，所述通风罩内部下放设有航空插头，通风罩内部上方并排设有防水接头和温湿度传感器，通风罩上面连接有中间保护罩，所述中间保护罩内部安装有主控电路板，所述主控电路板两端设有超声波探头，位于主控电路板中间与超声波探头之间设有气压传感器，所述顶部保护罩底部设有凹弧面，顶部保护罩上方安装有雨量计。本实用新型通过合理顺序安装检测仪的各个传感器，使得该监测仪外观小巧、美观，在一定程度上达到测量参数精度高的特点。但是该装置有一定缺陷，同样是将传感器单元直接与主控器连接，没有任何电路附加处理，这会导致传感器采集信息不精确。

经对现有技术文献检索发现，申请号为cn2011203216620的中国发明专利，提供了一种六要素自动气象站对比装置，该装置中雨量传感器采集模块采用翻斗式雨量传感器；风向传感器采集模块以格雷码方式输出。该装置原理简单，其存在的缺点：没有考虑传感器的尺寸大小，传感器的调试和安装比较繁琐，不方便携带；另外没有考虑到通信接口的多样化，通信接口单一，使用条件比较苛刻，没有广泛的适用性。

以上现有技术中均存在传感器检测信息不精确的缺陷，同时，传感器单元结构不紧凑，占用空间大，不利于携带，因此，需要提出一种新型的传感器系统用于气象信息的检测。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，现有技术气象六要素传感器采集精度低，本发明提供一种一体化气象六要素传感器系统，该系统保证了高精度检测，同时具有广泛的适用性。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一体化气象六要素传感器系统，包括传感器模块、与传感器模块通信连接的主控器以及与主控器通信连接的计算机终端上位机，其中传感器模块包括温湿度传感器、气压传感器、风速风向传感器和雨量传感器，包括a/d转换器，所述风速风向传感器通过a/d转换器连接至主控器，所述风速风向传感器采用超声波式风速风向传感器，所述风速风向传感器和a/d转换器之间依次设有滤波放大电路和检波电路。

进一步地，所述雨量传感器通过a/d转换器连接至主控器，所述雨量传感器和a/d转换器之间设有电荷放大电路。

进一步地，所述温湿度传感器采用仿i²c方式与主控器通信连接。

进一步地，所述气压传感器采用spi方式与主控器通信连接。

进一步地，包括电源模块和多级降压电路，该多级降压电路包括一级降压电路和二级降压电路，所述电源模块与一级降压电路连接，所述一级降压电路的输出电压连接至二级降压电路，所述二级降压电路将输出电压传输至温湿度传感器、气压传感器、雨量传感器和主控器。

进一步地，包括boost升压电路，所述主控器的输出电压连接至boost升压电路升压，所述一级降压电路的输出电压连接至boost升压电路升压，两个升压电压作为输出电压传输至风速风向传感器。

进一步地，所述主控器采用基于armcortex-m3内核的stm32f103zet6芯片。

进一步地，所述主控器通过通讯线缆与计算机终端上位机通信连接。

进一步地，包括栅格，所述温湿度传感器和气压传感器均置于栅格内，所述气压传感器位于温湿度传感器的上方，所述主控器置于气压传感器的上方，所述风速风向传感器置于主控器的上方，所述雨量传感器置于风速风向传感器上方。

进一步地，所述风速风向传感器包括4个，4个风速风向传感器采用2x2阵列布局，任意两个风速风向传感器垂直分布。

有益效果：

本发明与现有技术比较，具有的优点是：

1、本发明采用了超声波式风速风向传感器，超声波式风速风向传感器依次连接滤波放大电路、检波电路到a/d转换器，提高超声波式风速风向传感器的采集信号强度，进一步提高了系统检测精度；

2、本发明包括电源模块和多级降压电路，多级降压电路包括一级降压电路和二级降压电路，一级降压电路和二级降压电路组成两级降压模式，两级降压模式不同于一级降压模式，在实际使用过程中能够提高传感器的检测精度，避免仅采用一级降压设计存在影响传感器采样精度的风险，解决了风速风向传感器的电源供给，提高了系统检测精度；

3、本发明环境适应能力强，不仅可以很好的满足军舰的要求，还适用于其他领域，比如电力传输系统，气象灾害监测，应急救援等领域，随着大数据时代的到来，生产各领域对于此类设备的需求将会出现高速增长，具有广泛的适用性；

4、本发明集温度、湿度、大气压力、风速、风向、雨量六种气象参数测量功能于一体，传感器整体采用紧凑式设计，强调集成设计，小巧轻便，便于携带；

5、本发明采用多样化通信接口，具有广泛的适用性；

6、本发明成本低；

7、本发明在各功能设计上，注重采用数字化成熟方案，强调集成设计，一体化设计突出该发明的便携性、轻量化、低成本、高精度、高环境适应能力，不需要人工维护，操作便捷，以校准；

8、本发明声波式风速风向传感器针对两个通道上的两个相反方向检测，超声波式传感器两两相互垂直分布，此时温度对声波速度产生的影响就可忽略不计，进一步提高了检测的准确性。

附图说明

图1是本发明系统框图。

图2是本发明电源设计图。

图3是本发明中风速风向传感器驱动升压电路示意图。

图4是本发明中风速风向传感器放大比较电路。

图5是本发明系统装置结构示意图。

图6是本发明中风速风向传感器分布示意图。

标号说明：

1、钢盖；2、压电加速度传感器；3、雨量传感器；4、风速风向传感器；5、主控器；6、气压传感器；7、温湿度传感器；8、栅格。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例一：

本实施例的一体化气象六要素传感器系统，参照图1，包括传感器模块、与传感器模块通信连接的主控器以及与主控器通信连接的计算机终端上位机，其中传感器模块包括温湿度传感器、气压传感器、风速风向传感器和雨量传感器，温湿度传感器、气压传感器、风速风向传感器和雨量传感器均与主控器通信连接；温湿度传感器用于采集气象要素：温度和湿度，并将数据信息发送至主控器；气压传感器用于采集气象要素：气压，并将数据信息发送至主控器；风速风向传感器用于采集气象要素：风速、风向，并将数据信息发送至主控器；雨量传感器用于采集气象要素：雨量，并将数据信息发送至主控器；该六个传感器模块组成六要素传感器系统用于采集气象六要素：温度、湿度、风速、风向、雨量和气压；主控器用于将接收到的气象六要素数据信息发送至计算机终端上位机；计算机终端上位机用于用户访问气象传感器各参数；该实施例采用模块化协同设计方法，可同时测量温度、湿度、风速、风向、雨量和气压等多种气象参数，通过相连接的电脑终端上位机读取各数据。

本实施例还包括a/d转换器，风速风向传感器将采集的风速、风向电信号发送给a/d转换器，经由a/d转换器将电信号转换成数字信号后，再发送给主控器；风速风向传感器采用超声波式风速风向传感器，超声波式风速风向传感器采用超声波时差法实现对风速、风向的测量，采用超声波原理测量，利用超声波时差法来实现风速的测量，超声波式风速风向传感器依次连接滤波放大电路、检波电路到a/d转换器；

超声波信号在空气中传播过程中损耗较大，接收换能器接收到超声波信号后转换的电信号及其微弱，无法被主控器芯片直接识别，同时接收信号中伴随着各类噪声，影响测量精度，需要设计滤波放大电路对接收信号进行滤波放大，经过滤波放大电路放大后的信号呈现正弦波形式，为便于主控器芯片识别接收信号，采用检波电路将正弦波信号转换为方波信号传输至a/d转换器；

本实施例中，滤波放大电路包括滤波电路和放大电路，其中滤波电路包括低通滤波电路和高通滤波电路，低通滤波电路设计截止频率约为220khz，高通滤波电路设计截止频率约为180khz，最终形成一个中心频率约为200khz，带宽40khz的带通滤波电路；本实施例中低通与高通滤波电路均采用sally-key型滤波器设计方案，为提高滤波器滤波效果，采用两组滤波器设计四阶电路以增加滤波效果。

为便于主控器芯片识别接收信号，采用检波电路将正弦波信号转换为方波信号传输至a/d转换器，检波电路参照图4。图中，运放器1与运放器运放器2作用为对滤波后的信号波形进行整流，比较器u1a将模拟信号转化为方波信号，便于主控制器识别接收信号进行计时。

本实施例的作用是提高超声波式风速风向传感器的采集信号强度，进一步提高了系统检测精度。

实施例二：

本实施例的一体化气象六要素传感器系统，基于实施例一，参照图1，雨量传感器通过a/d转换器连接至主控器，雨量传感器和a/d转换器之间设有电荷放大电路；

雨量传感器连接电荷放大电路，电荷放大电路连接a/d转换器，a/d转换器连接主控器，a/d转换器用于将电信号模拟量转换为数字量；

雨量传感器采用压电式雨量传感器，压电式雨量传感器采用压电转换原理设计，将压力转换为相应的电信号计算雨量值，压电转换原理由压电加速度传感器实现，当雨滴坠落到压电加速度传感器的受力面上，在力的作用下，压电加速度传感器表面会形成与力成正比的电荷信号，经过电荷放大电路把输出的电荷信号转化成电压信号；

本实施例的作用是提高雨量传感器的采集信号强度，进一步提高了系统检测精度。

实施例三：

本实施例的一体化气象六要素传感器系统，基于实施例一，参照图1，其中温湿度传感器模块采用仿i²c方式与主控器通信连接，该仿i²c通信方式和i²c通信方式采用相同的方式，都是使用的2线制通信，但其与i²c通信方式的命令格式和通信协议不同；

该温湿度传感器模块将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，该温湿度传感器模块包括芯片，设在芯片上的一个电容性聚合体测湿敏感元件和一个用能隙材料制成的测温元件，该温湿度传感器模块可以直接输出完全标定的数字信号；

本实施例包括14位的a/d转换器，该温湿度传感器模块与14位的a/d转换器之间通过串行接口电路连接，实现无缝连接；

本实施例的作用是提高温湿度传感器的采集信号强度，进一步提高了系统检测精度。

实施例四：

本实施例的一体化气象六要素传感器系统，基于实施例一，参照图1，

气压传感器采用spi方式与主控器通信连接，可以直接输出完全标定的数字信号；

该气压传感器包括一个精密的压阻式压力传感器和adc转换接口，可输出16位的压力参数，测量范围最低可达10mbar，最高可达1100mbar；还可以输出16位的温度参数，根据该温度参数可进行温度补偿；该气压传感器具有低电压，低功耗等特性；

该气压传感器包括该包括一个带自动断电开关，可以自动实现断电；

该气压传感器采用3线接口，可以满足与主控器之间的各种通讯；

该气压传感器具有极高的密封防护能力，可抵抗100米深的水压；

本实施例的作用是提高气压传感器的采集信号强度，进一步提高了系统检测精度。

实施例五：

本实施例的一体化气象六要素传感器系统，基于实施例一，参照图1，包括电源模块和多级降压电路，电源模块用于给主控器、温湿度传感器模块、气压传感器、风速风向传感器模块，雨量传感器和计算机终端上位机提供电源；

参照图2，该多级降压电路包括一级降压电路和二级降压电路，电源模块与一级降压电路连接，一级降压电路的输出电压连接至二级降压电路，二级降压电路将输出电压传输至温湿度传感器、气压传感器、雨量传感器和主控器；

超声波式风速风向传感器驱动电压较高，由主控器产生的pwm波形最高输出电压只有3.3v，无法满足要求，因此需要将主控器产生的pwm波形进行升压处理；

在模拟电路中boost是目前较为成熟的电路升压方案，升压范围广、电路设计简单，boost升压电路是一种常见的开关直流升压电路，可以使输出电压比输入电压高；

所以本实施例还包括boost升压电路，主控器的输出电压连接至boost升压电路升压，一级降压电路的输出电压连接至boost升压电路升压，两个升压电压作为输出电压传输至风速风向传感器，主控器的输出电压经由boost升压电路、经由一级降压电路降压后的电压经由boost升压电路，两个升压电压作为输出电压传输至风速风向传感器；图3中in为输入电压信号，out为升压后的电压信号输出位置，升压电压输出端直接与超声波式风速风向传感器相连驱动超声波式风速风向传感器发射超声波信号。图中in处电压信号，用以控制电阻r11之后的mos管q2的导通与关断，q5、q2可增加该mos管的驱动能力，l1用于mos管导通时储能，截止时释能，从而可输出比输入电压更高的脉冲信号，当l1输出的电压高于q3基极电压5v时三极管导通驱动out处出换能器发射超声波信号，当三极管截止时，out处的换能器用于接收超声波信号通过选通开关将信号传输至回波信号处理电路。

本实施例的电源产生12v～24v电压，其中一级降压电路采用lm22676芯片，lm22676芯片将12v～24v电压降至5v；二级降压电路使用ldo芯片，ldo将5v电压降至3.3v，3.3v输出电压传输至温湿度传感器模块、气压传感器、雨量传感器和主控器，主控器输出电压经由boost升压电路，一级降压电路的输出5v电压经由boost升压电路，两个升压电压均传输至风速风向传感器；

一级降压电路和二级降压电路组成两级降压模式，两级降压模式不同于一级降压模式，在实际使用过程中能够提高传感器的检测精度，避免仅采用一级降压设计存在影响传感器采样精度的风险；

本实施例的作用是为了解决风速风向传感器的电源供给。

实施例六：

本实施例的一体化气象六要素传感器系统，基于实施例一，参照图1，主控器采用基于armcortex-m3内核的stm32f103zet6芯片。

实施例七：

本实施例的一体化气象六要素传感器系统，基于实施例一，参照图1，计算机终端上位机采用c#语言编写，在计算机上配置串口，调试上位机，即可轻松访问气象传感器中的参数。

实施例八：

本实施例的一体化气象六要素传感器系统，基于实施例一，参照图1，主控器与计算机终端上位机通信连接，主控器通过通讯线缆与计算机终端上位机通信连接；

通讯线缆提供rs232/rs485/rs422三种接口，通讯协议提供ascii/nmea0183/十六进制三种格式，可根据实际情况选择使用，rs232/rs485/rs422接口功能为选择性功能，可根据用户需要进行定制；

主控器接收传感器系统采集的气象六要素数据并将该数据经通讯线缆发送到计算机终端上位机显示，通讯线缆提供rs232/rs485/rs422三种接口，通讯协议提供ascii/nmea0183/十六进制三种格式，可根据实际情况选择使用；

通讯线缆连接计算机终端上位机端接口采用usb接口；

通讯线缆连接主控器端接口采用航插；

提供的rs232/rs485/rs422接口功能为选择性功能，可根据用户需要进行定制，因此电路设计上使用兼容设计预留出不同种类通信接口，使用操作过程中根据实际需要选用合适的通讯方式。焊接对应的电路器件，电缆接头卡接紧密，在恶劣状况下不易脱落，同时电缆绝缘层耐磨损，抗腐蚀；

本实施例的作用是提高系统适用性。

实施例九：

本实施例的一体化气象六要素传感器系统，基于实施例五，参照图5，包括雨量传感器3、钢盖1、压电加速度传感器2、风速风向传感器4、主控器5、气压传感器6、温湿度传感器7和栅格8；其中主控器5采用主控板结构；

其中温湿度传感器7和气压传感器6均置于栅格8内，气压传感器6位于温湿度传感器7的上方，主控器5置于气压传感器6的上方，风速风向传感器4置于主控器5的上方，雨量传感器3置于风速风向传感器4上方，雨量传感器模块3包括钢盖1和压电加速度传感器2，压电加速度传感器2的安装贴附于刚盖1下方，雨滴不直接坠落在压电加速度传感器2上；

本实施例的作用是结构紧凑，方便携带，方便拆装。

实施例十：

本实施例的一体化气象六要素传感器系统，基于实施例九，参照图5和图6，

风速风向传感器包括4个，该4个风速风向传感器采用2x2布局，任意两个风速风向传感器垂直分布，风速风向传感器4使用2x2布局，换能器两两垂直分布，用以测量两垂直方向上的风速，最后进行合成得到实际风速风向，超声波换能器中信号传播距离较远时时间差较为明显，便于测量，因此换能器采用反射式接收方式，换能器发射的信号在钢盖底部进行反射，另一端超声波换能器接收反射后的的超声波信号；

声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应，通过计算即可得到精确的风速和风向；由于声波在空气中传播时，速度受温度的影响很大，因此该超声波式风速风向传感器针对两个通道上的两个相反方向检测，换能器两两相互垂直分布，此时温度对声波速度产生的影响就可忽略不计，进一步提高了检测的准确性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。