CN210199335U - 一种基于北斗/gps的探空仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于北斗/GPS的探空仪，包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、数据采集模块、北斗/GPS接收天线、北斗/GPS导航模块、信号编码调制模块、发射机模块和发射天线，信号编码调制模块包括微控制器单元和无线收发芯片单元；温度传感器、湿度传感器和气压传感器分别与数据采集模块连接，北斗/GPS接收天线与北斗/GPS导航模块连接，数据采集模块和北斗/GPS导航模块分别与微控制器单元连接，微控制器单元连接无线收发芯片单元，无线收发芯片单元依次连接发射机模块和发射天线。本实用新型采用北斗/GPS导航模块和传感器模块相结合来获取高空气象信息，装置体积小、质量轻，测量精度高。

Description

一种基于北斗/GPS的探空仪

技术领域

本实用新型属于探空仪领域，具体涉及一种基于北斗/GPS的探空仪。

背景技术

高空气象探测是目前大气常规探测最主要手段之一，探测时，雷达跟踪气球携带的探空仪，探空仪以自由升空方式对地球表面到几万米高空的气象要素(气压、温度、湿度)的进行探测，探空仪将探测的气象要素进行处理，然后通过无线方式发射回地面雷达。地面雷达接收到探空仪发回的信号后，进行放大、变频、解调等处理得到空中的气象要素(气压、温度、湿度)，再根据雷达的方位角、俯仰角和雷达测得的斜距，可得出探空仪在空中的运行轨迹，即可知空中的风向、风速。这种高空探测仪存在系统结构复杂、体积大；测量方法复杂，精度不高的问题。

近年来，随着北斗/GPS定位技术逐步向民用市场开放，北斗/GPS导航模块的应用成本也随之降低，这就给北斗/GPS高空气象观测系统带来了较好的发展前景，本实用新型提供一种基于北斗/GPS的探空仪。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对上述存在的问题和不足，提出一种基于北斗/GPS的探空仪，结构简单、体积小、探测自动化程度高、测量精度高，性能温度可靠，易于维护。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于北斗/GPS的探空仪，包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、数据采集模块、北斗/GPS接收天线、北斗/GPS导航模块、信号编码调制模块、发射机模块和发射天线，信号编码调制模块包括微控制器单元和无线收发芯片单元；

温度传感器、湿度传感器和气压传感器分别用于测量高空的温度、湿度和气压信号；温度传感器、湿度传感器和气压传感器分别与数据采集模块连接，数据采集模块用于采集温度传感器、湿度传感器和气压传感器测量的高空温度、湿度和气压信号并转换成数字温度、湿度和气压信号；北斗/GPS导航模块通过北斗/GPS接收天线获取定位信号；

数据采集模块的数字温度、湿度和气压信号，以及北斗/GPS导航模块的定位信号传输至信号编码调制模块的微控制器单元，微控制器单元用于对温度、湿度、气压和定位信号进行编码后输出至无线收发芯片单元，无线收发芯片单元用于对温度、湿度、气压和定位信号进行调制放大后输出至发射机模块，发射机模块用于对无线收发芯片单元传输的信号进行功率放大后通过发射天线发射出去。

进一步地完善上述技术方案，数据采集模块采用PIC16F726单片机，通过串口将采集的温度、湿度和气压信号传输至微控制器单元。

进一步地，微控制器单元采用PLC1224高速单片机。

进一步地，信号编码调制模块的无线收发芯片单元采用Si4432无线收发芯片，无线收发芯片单元用于对微控制器单元传输的温度、湿度、气压和定位信号进行GFSK调制，载波频率为400MHz。

进一步地，发射机模块采用RF2104集成功率放大器。

进一步地，温度传感器采用珠状热敏电阻。

进一步地，湿度传感器采用高分子薄膜式湿敏电容。

进一步地，气压传感器采用硅压阻式压力传感器。

本实用新型的有益效果：本实用新型采用传感器和北斗/GPS导航模块结合进行高空探测，对采集的信号进行编码调制后通过天线发射出去，与地面接收设备配合能够观测到距离地面36km范围内不同高度的大气温度、湿度、气压、风速风向等参数，为气象监测系统提供精确的数据，适用于高空气象探测，具有体积小，重量轻，信号接收和数据处理自动化，通信频道窄，抗干扰能力强，地面设备简单可靠的优势。

附图说明

图1为本实用新型电路结构框图；

图2为图1中温度传感器测量电路示意图；

图3为图1中湿度传感器测量电路示意图；

图4为图1中气压传感器测量电路示意图；

图5为图1中数据采集模块电路图；

图6为图1中北斗/GPS导航模块电路图；

图7为图1中信号编码调制模块的微控制器单元电路图；

图8为图1中信号编码调制模块的无线收发芯片单元电路图；

图9为图1中发射机模块电路图。

具体实施方式

为使本实用新型的内容更加清楚，下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本实用新型无关的、本领域普通技术人员已知的部件的表示和描述。

实施例1：

本实用新型提供的一种基于北斗/GPS的探空仪，如图1所示，包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、数据采集模块、北斗/GPS接收天线、北斗/GPS导航模块、信号编码调制模块、发射机模块和发射天线，信号编码调制模块包括微控制器单元和无线收发芯片单元；

温度传感器、湿度传感器和气压传感器分别用于测量高空的温度、湿度和气压信号；温度传感器、湿度传感器和气压传感器分别与数据采集模块连接，数据采集模块用于采集温度传感器、湿度传感器和气压传感器测量的高空温度、湿度和气压信号并转换成数字温度、湿度和气压信号；北斗/GPS导航模块通过北斗/GPS接收天线获取定位信号；

数据采集模块的数字温度、湿度和气压信号，以及北斗/GPS导航模块的定位信号传输至信号编码调制模块的微控制器单元，微控制器单元用于对温度、湿度、气压和定位信号进行编码后输出至无线收发芯片单元，无线收发芯片单元用于对温度、湿度、气压和定位信号进行调制放大后输出至发射机模块，发射机模块用于对无线收发芯片单元传输的信号进行功率放大后通过发射天线发射出去。

如图2所示，所述温度传感器采用珠状热敏电阻器件，体积小、相应时间短；传感器的表面涂层涂覆真空镀铝涂层，真空镀铝涂层对应红外长波可以忽略不计，而对于短波反射率也超过90％。高空温度测量电路设计成分压电路，即热敏电阻RT与一个精密电阻R1(5.1K)串联，在这两个电阻的两端加2.5V基准电压，热敏电阻的阻值随温度变化，分压电压输出电压也随之发生变化，再利用AD7705变换器采样得到电压值，由变化的电压值计算出温度值。AD7705是AD公司新推出的16位Σ-ΔA/D变换器，可用于测量低频模拟信号，这种器件带有增益可编程放大器，可通过软件编程来直接测量传感器输出的各个微小信号。

如图3所示，湿度传感器采用高分子薄膜式湿敏电容CH，输出参数形式为电容值，通过频率变换电路将电容值的变化转换成频率的变化，利用测量频率的方法实现对传感器电容值的测量；电容-频率转换电路是由湿敏电容CH与电容C2(100pF)和电容C3(220pF)并联，由RC多谐振荡器来实现。

如图4所示，气压传感器采用硅压阻式气压传感器PR，测量时采用电桥，在电桥的两端加一定的电压，然后测量电桥另两端输出的差分电压；电路中采用AD7705变换器进行电压测量，将硅压阻传感器PR与AD7705变换器的模拟输入端直接相连。

如图5所示，数据采集模块采用信号为PIC16F726单片机，单片机通过多路开关对输入信号进行实时的控制接收，并把采集的数字探空信号(温度、湿度和气压)通过串口发送给信号编码调制模块，发送时间为1s；数据内容有：探空仪序列号、温度数据、气压数据、气压附温数据、高基准数据、湿度数据和低基准数据。

如图6所示，北斗/GPS导航模块采用气象专用北斗/GPS导航SoC芯片，支持北斗三号系统和多系统多频段的低成本高精度卫星导航SoC芯片，包括GNSS射频接收机、GNSS基带信号处理器、微处理器、嵌入式Flash存储器、外围接口电路以及电源管理电路等。北斗/GPS导航模块接收和处理北斗和GPS导航卫星信号，实时确定探空仪飞行轨迹上的每秒间隔的三维坐标、三维速度和精确授时，通过串口发送给信号编码调制模块。

如图7和8所示，信号编码调制模块包括微控制器单元和无线收发芯片单元，微控制器单元采用PLC1224高速单片机，无线收发芯片单元采用Si4432无线收发芯片，Si4432是一款高集成度、低功耗、多频段的EZRadioPRO系列无线收发芯片，内部集成分集式天线、功率放大器、唤醒定时器、数字调制解调器、64字节的发送和接收数据FIFO以及可配置的GPIO等。

PLC1224高速单片机通过串口实时读取北斗/GPS导航模块的定位信号以及数据采集模块传输的温度、湿度和气压信息，并按照特定的方式进行编码；通过SPI接口，配置Si4432无线收发芯片的调制方式、通信波特率、频率、频率偏置、发射功率等参数；通过I2C接口，存储发射频率值；按照通信协议，发射数据包，周期为1s。Si4432无线收发芯片将高速单片机PLC1224处理后的信息(定位信息以及温度、湿度、气压信息)进行GFSK调制，载波频率400MHz，数据速率2400bps，调制频偏≥5KHz(可设置)，Si4432无线收发芯片将信号调制放大后，送到发射机模块进行功率放大，然后发射出去。

如图9所示，发射机模块采用RF2104，RF2104是中功率集成放大器，用于UHF频段的线性功率放大，工作频率为400-1000MHz，最大输出功率在3.6V时为+27dB，其总增益为26dB。工作原理：输入信号经C17、L5加入到RF2014的5脚，RF2014放大后从第12脚输出，经L7和C29到天线发射出去。

本实用新型的工作原理：温度传感器、湿度传感器和气压传感器实时采集高空温度、湿度和气压信号并传输至数据采集模块进行A/D转换，北斗/GPS导航模块通过北斗/GPS接收天线获取实时定位信号；数据采集模块的数字温度、湿度和气压信号以及北斗/GPS导航模块的定位信号传输至微控制器单元，微控制器单元按一定的方式对其进行编码处理后输出至无线收发芯片单元，无线收发芯片单元对微控制器单元传输的信号按照速率2400bps以GFSK方式调制在400MHz的载波信号上，通过发射机模块将信号放大后通过发射天线发射出去。

以上仅表达了本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于北斗/GPS的探空仪，其特征在于：包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、数据采集模块、北斗/GPS接收天线、北斗/GPS导航模块、信号编码调制模块、发射机模块和发射天线，信号编码调制模块包括微控制器单元和无线收发芯片单元；

温度传感器、湿度传感器和气压传感器分别用于测量高空的温度、湿度和气压信号；温度传感器、湿度传感器和气压传感器分别与数据采集模块连接，数据采集模块用于采集温度传感器、湿度传感器和气压传感器测量的高空温度、湿度和气压信号并转换成数字温度、湿度和气压信号；北斗/GPS导航模块通过北斗/GPS接收天线获取定位信号；

数据采集模块的数字温度、湿度和气压信号，以及北斗/GPS导航模块的定位信号传输至信号编码调制模块的微控制器单元，微控制器单元用于对温度、湿度、气压和定位信号进行编码后输出至无线收发芯片单元，无线收发芯片单元用于对温度、湿度、气压和定位信号进行调制放大后输出至发射机模块，发射机模块用于对无线收发芯片单元传输的信号进行功率放大后通过发射天线发射出去。

2.根据权利要求1所述的基于北斗/GPS的探空仪，其特征在于：数据采集模块采用PIC16F726单片机，通过串口将采集的温度、湿度和气压信号传输至微控制器单元。

3.根据权利要求2所述的基于北斗/GPS的探空仪，其特征在于：微控制器单元采用PLC1224高速单片机。

4.根据权利要求1所述的基于北斗/GPS的探空仪，其特征在于：信号编码调制模块的无线收发芯片单元采用Si4432无线收发芯片，无线收发芯片单元用于对微控制器单元传输的温度、湿度、气压和定位信号进行GFSK调制，载波频率为400MHz。

5.根据权利要求1所述的基于北斗/GPS的探空仪，其特征在于：发射机模块采用RF2104集成功率放大器。

6.根据权利要求1所述的基于北斗/GPS的探空仪，其特征在于：温度传感器采用珠状热敏电阻。

7.根据权利要求1所述的基于北斗/GPS的探空仪，其特征在于：湿度传感器采用高分子薄膜式湿敏电容。

8.根据权利要求1所述的基于北斗/GPS的探空仪，其特征在于：气压传感器采用硅压阻式压力传感器。

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