CN2143336Y

CN2143336Y - 野外环境参数自动采集仪

Info

Publication number: CN2143336Y
Application number: CN 92218113
Authority: CN
Inventors: 施建平
Original assignee: Institute of Soil Science of CAS
Current assignee: Institute of Soil Science of CAS
Priority date: 1992-06-15
Filing date: 1992-06-15
Publication date: 1993-10-06
Anticipated expiration: 2002-06-15

Abstract

本实用新型提供了一种与温度、湿度、雨量、风速等传感器及数传机配套的直流供电野外环境参数自动采集仪。它以80C13单片机为核心，通过时钟电路定时控制单片机工作状态，以使传感器在设定时间内通电、自动采样，并由一与单片机并行口相连，具有掉电保护功能的数据盒存储数据或通过机壳上设置的与单片机输出相通的异步通讯接口接入数传机实现远距离传输，雨量传感采样电路单独与一连续供电的计数器相连，实现了无人值守及节省电源，改变了以往类似仪器耗电大，难以推广使用的缺点。

Description

本实用新型涉及与大气温度、湿度、雨量、风速等野外环境参数传感器和数传机等配套，构成野外环境参数采集装置，特别是一种由单片机控制、具有定时采样、数据存储及传输功能，无人值守的野外环境参数自动采集仪。

目前，涉及气象、农业、水文等领域的数据观测一般由人工观测记录，人为误差很大且耗费人力物力，国内外研制出的野外数据自动观测系统多采用交流供电，直流供电因耗电大需经常更换电池，给野外使用造成不便。另一方面，自动采集仪长期工作在恶劣的野外环境下，维护困难，成本高故而难以推广使用。

本实用新型的目的是提供一种体积小、耗电省、便于维护，具有数据采集，存储、传输功能的自动采集仪。

本采集仪由数据采集装置、数据存储盒，直流电源及外壳组成，数据采集装置是一个可实现定时通电、自动采样的自动采集装置，它由多路开关、摸拟测量电路、频率测量电路、实时时钟电路、显示与面板输入电路及存有软包的单片微机组成。传感器通过两个16路多路开关（IC12，IC13）分别连接到一个与单片机总线相连的3位半双积分式模拟测量电路（IC14）和一个单片机（IC1）内部的16位频率测量电路上。时钟电路（IC10）在设定时间发出信号，使得单片机开启传感器电源并选通多路开关采集模拟信号和数字信号，并存入与单片机并行口P1相连的数据存贮盒（datasafe）中。数据存储盒为一具有掉电保护功能的顺序存储装置，它通过译码电路将单片机的串行寻址信号转换为随机存储器接收的并行寻址信号，其电源为一个高性能电池，它通过一开关元件与采集装置电源相通。机壳面板上设有与单片机总线相连的4位液晶显示电路和自检选择开关，可设置时钟电路并检查模拟转换电路和频率测量电路，机壳上还设有与单片机输出相通的异步通讯接口。频率测量电路中的雨量传感采样电路单独与一连续供电的计数电路（IC11）相连，该计数电路通过一可编程输入输出并行接口电路（IC7）直接与单片机总线相连。

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步叙述。

图1为本实用新型的电原理框图；

图2为本实用新型的电原理图；

图3本实用新型的前面板布置图；

图4本实用新型的后面板布置图。

参照图1，对本实用新型的工作原理叙述如下：

未及采样时间时，关闭传感器电源，单片机（IC1）处于“空闲”状态。此时CPU无时钟信号，与之相连的电路均处于浮空状态，工作电流由20毫安降至3毫安。当单片机13脚intl端为低电平时，外部时钟中断信号使其恢复正常状态，并进入数据采集处理。单片机控制开启传感器电源，并选通多路开关（IC12，IC13），采集来自模拟通道的数据和来自数字通道的数据。每次采样后，取三次采样的平均值为采样值，存入可编程集成电路（IC7）81C55的RAN缓冲区。全部采样结束后，通过单片机的P1口将数据顺序存入数据存储盒中。根据用户面板的选择，通过联结到单片机异步通讯接口RXD、TXD上的WSW无线数传机，以300波特率的传输速率向基点微机发送数据。最后关闭传感器电源，重新回到“空闲”状态。若需检查维护，则可通过面板上的“复位”按钮和自检选择开关，完成自检功能。

参照图2，对各部分电路结构和工作过程叙述如下：

一、模拟测量电路

温度传感器AD59OJ为电流型集成温度传感器。当温度变化时传感器的输出电流与流过R1上的电流不平衡，使运放A1（LM10C1）6脚的输出电压升高。当温度由－20℃－60℃变化时，LM10C1输出100－700MV的信号至多路开关IC12（4067）的P2端（3脚），单片机控制81C55的Pb7及Pb0－Pb3选通模拟量多路开关4067，信号通过4067的out端（1脚）与模数转电路IC14（MC14433）的输入端in（3脚）相连进行模数转换。

二、频率测量电路

大气温度传感器、风速传感器将物理量转换成低速频率信号，利用单片机内部16位可编程计数器完成低频信号的测量。被测信号经频率量多路开关（IC13）联结到单片机口P16上，由T2（32768HZ）石英晶体振荡器提供的脉冲经反相器连接到集成电路IC7（81C55）TMRIN（3脚）上，经81C55分频后从TMRout端（6脚）输出标准脉冲连接到80C31 TO端上（14脚）。当被测信号为上升沿时，程序控制计数器开启，标准脉冲进入计数器计数，直到被测信号的下一个上升沿到来时，控制门关闭，停止计数。

雨量需测量整个下雨时段内的累计值和单位时间的降雨强度，一般的采样方法将引起耗电量巨增。其改进电路为：用一连续供电的专用计数器IC11（4040）随时监测雨量信号。未及采样时间时，其他传感器被切断电源，单片机总线上的电路处于浮空状态，81C55的Pc3（1脚）输出低电平使得4040计数器处于工作状态。降雨时雨量翻斗动作使触点打开和关闭，该信号经反相器整形送4040计数器的输入端CLK（10脚）计数，采样时通过81C55 Pa口读取数据，然后由Pc3清除4040，为下一时段测量作准备。

三、实时时钟

选用具有月、日、小时、分、秒自动计时和定时自动中断功能的IC10（MM58167）时钟集成电路为长年时钟，MM58167的A0－A4地址线提供完成上述功能的编程地址，其10、11脚和32768hz石英晶体组成振荡器为时钟提供基准。当采样时间到时，IC10（58167）13脚发定时中断信号，反相后作为中断源输入到单片机的Intl端，使其进入采集程序。

四、80C31单片机

80C31单片机具有8位CPU，128字节RAM，两个16位定时计数器，一个全双工串行口，并有空闲工作方式。仪器的自检、数据采集、存储及数据通信是通过固化在IC5，IC64KEPROM中的程序实现的。其工作状况如下：未及采样时间时，关闭传感器电源，单片机处于“空闲”状态。此时CPU无时钟信号，与之相连的电路处于浮空状态，工作电流由20毫安降至3毫安。当单片机Into端为低电平时，外部时钟中断信号使其恢复到正常状态，并进入数据采集处理程序。电脑启动电源并按每小时一次的速度巡回采样，取三次采样的平均值为采样值存入缓冲区。采样结束后，通过单片机的P1口将数据串行地送到数据存储盒中。单片机的RDX、TXD直接与无线数传机相连，以300波特率的传输速率向基点微机发送数据。最后关闭传感器电源，重新回到“空闲”状态。

五、显示和面板输入电路

显示部分是由四个可接收二一十进制编码的ICL103组成的4位液晶显示器。面板输入入部分由一个电源开关、一个显示开关、一个复位按键和四个“自检－采集”选择开关组成。这四个开关的组合完成：1）初始时间的输入，2）时钟中断检查，3）模数转换和频率测量电路的检查，4）自动采集数据不通信传输数据，5）自采集并通信传输数据。显示电路（四个数据信号、四个位控制信号）和面板上“自检－采集”选择开关（四个数据信号）通过IC8（82C55）可编程并行接口电路连接到单片机总线上。其原理如下：

1）初始时间的设置。面板选择开关（图3）的“自检－运行”开关决定程序执行“自检”模块或“数据采集”模块。“通信－置时”开关选择是否进行远程传输数据或设置初始时间。当面板选择“自检”和“置时”时，“复位”后进入时间设置程序。其过程为：按“置数”按键时，连接在81C55上Pc1由低电平到高电平变化，单片机读取状态并计数一次，由此输入数值。单片机控制82C55的Pa5－Pa7选通液晶显示器的相应显示位（2脚），Pa0－Pa4送该位数据的二一十进制编码（显示器13，14，15脚）。若数据正确，按“送数”键，单片机根据82C55 Pc2状态的变化，由地址线A0－A5选择MM58167的相应时间寄存器，当单片机发写信号脉冲时，将此数据写入时钟中。由此依次送入月、日、小时、分、秒的数据，同时在面板上显示此数据以校对。

2）时钟中断检查。面板选择“自检”“通信”方式，“复位”后进入时钟中断检查。单片机经A0－A5置MM58167中断控制寄存器每分钟中断一次。在中断处理中，先读出MM58167当前时间，并送82C55显示，然后返回断点。通过面板上每分钟时间变化检查中断功能。

3）输入通道和测量电路的检查。设计了用于连接标准电压和频率通道。在“自检”“通信”状态下选择不同次数“送数”键，完成模拟通道80H和数字量通道40H测量。其过程为：单片机在时钟中断检查后判断“送数”键状态，若“送数”一次，则置81C55 Pb7为1，并置Pb0－Pb3为0，形成口地址80H，选通模拟量多路开关4067的零通道P1（2脚）。该通道通过一个安装在后面板上的耳机插座与内部标准电压相连，标准电压由LM336和一个10K精密电位器所提供。需外接校准信号时，耳机插头断开内部电压信号，连接外部标准信号源。若“送数”两次，则81C55Pb6为1，形成口地址40H，选通频率量多路开关2脚，该通道连接后面板自检插座。插座上还连接32768 hz标准脉冲，外接一般计数器电路后可提供一个标准频率测试信号。上述测定结果均通过面板显示，以便于野外检查校准。

六、数据存储盒

数据存储盒为一具有掉电保护功能的顺序存储电路。它由译码电路，随机存储器RAM和一高性通电池组成。它的存储容量64K，静态耗电量小于1毫安。其工作过程为：首先，单片机通过P12口发一脉冲信号清除数据盒的地址寄存器（4脚）。其次，P14口发脉冲作为寻址信号（2脚）。P15连接到数据盒的3脚作为读写控制。若P15为低电平，则数据盒1脚发串行数据脉冲，单片机由P13读取数据。若P15为高电平，P17发串行数据脉冲，数据盒5脚接收数据。数据盒内部装有3.5V锂电池和一二极管，当采集器电源高于阈值电压时二极管导通，外部电源供电；低于阈值时二极管截止，锂电池供电。将数据存储指针、采样标志、数据通信指针、时钟内容存入盒内的初始信息区，将数据存入数据区，可提高抗干扰能力。数据盒可插接在外壳后面板与采集器相通的接口上，如不接数传机，可靠人工定期更换数据盒获取数据。

七、电源部分

本仪器设置三组电源：两片7805组成的两组5伏电源和两片7660并联组成的负5伏电源。5V1电源供主逻辑板、面板、及雨量计数电路。5V2提供传感器及相应的放大部分电源。复位后80C31的所有输入输出口均置为1，P11为高电平，反相后使光耦IC3（TIL113）截止，光耦的输出端（4、5）连接在晶体管3DK4的基极和集电极，从而使3DK4截止，断开集成稳压源7805的输入电压，5V2无输出；采集数据时，P11输出低电平，使3DK4导通，将外接电压连接在7805的输入端上，5V2输出一路作为传感器和放大部分电源，另一路通过7660提供负5V电源给双极性传感器放大电路使用。

本仪器采用两块线路板，主逻辑板安装在机箱的下底板上，电源和传感器放大部分作为一块线路板安装在机箱的上底板上。

该采集仪采用了静态、低功耗技术，因而可用8W、12V太阳电池和12V、22AH蓄电池组成的电源系统进行长期供电；应用数据存储盒保存数据，提高了抗干扰能力；独特的自检功能，有益于野外维护。此外，还可将采集仪通过一密闭的塑料筒安装于地下，减少恶劣环境的影响，提高系统的可靠性，又降低了仪器的造价。经野外试用证明，能满足对生态环境中大气温度、湿度、风速、雨量、辐射和土温等参数动态监测的要求。将自动采集与无线通讯信技术相结合，对于大面积区域内的环境参数进行动态监测，其应用前景极为可观。

Claims

1、一种与大气温度、湿度、雨量、风速等传感器及数传机配套的野外环境参数自动采集仪，由数据采集装置、数据存储盒、直流电源及外壳组成，其特征是数据采集装置是一个可实现定时通电、自动采样的自动采集装置，它由多路开关、模拟测量电路、频率测量电路、实时时钟电路、显示与面板输入电路及存有软包的单片微机组成，传感器通过两个多路开关(IC₁₂，IC₁₃)分别连接到一个与单片机总线相连的3位半双积分式模拟测量电路(IC₁₄)和一个单片机(IC₁)内部的频率测量电路上，时钟电路(IC₁₀)在设定时间发出信号，使得单片机开启传感器电源并选通多路开关采集模拟信号和数字信号，并存入与单片机并行口P₁相连的数据存贮盒(datasafe)中，数据存储盒为一具有掉电保护功能的顺序存储装置，它通过译码电路将单片机的串行寻址信号转换为随机存储器接收的并行寻址信号，其电源为一个高性能电池，它通过一开关元件与采集装置电源相通，机壳上设有与单片机总线连接的自检开关及与单片机输出相通的异步通讯接口，频率测量电路中的雨量传感采样电路单独与一连续供电的计数器相连，该计数电路通过一可编程输入输出并行接口电路(IC₇)直接与单片机总线相连。

2、根据权利要求1所述的自动采集仪，其特征是数据存储盒插接在设于机壳上与采集器相通的接口上，数据盒中的高性能电池通过一个二极管与采集装置电源相通。

3、根据权利要求1或2所述的自动采集仪，其特征是显示电路是四个可接收二一十进制编码的4位液晶显示器。