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《东南大学》 2006年
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探空式气象检测微系统的研究与应用开发

孙凯  
【摘要】: 气象检测关系着人们日常生活的诸多领域,高空气象检测利用感应元件直接感应探测大气气象要素,其测量数据更真实、更准确、更可靠。高空气象检测最主要实用的方法是利用无线电探空仪直接探测,无线电探空仪系统的核心主体是探空仪,而探空仪的核心元件是气象传感器。在气象检测领域引入微系统的概念,从而形成了气象检测微系统,它具有体积小、重量轻、可靠性高、成本低的特点,可以广泛应用于诸如自动气象站、手持式气象仪或者探空仪等气象检测系统中。 通过分析现有的探空仪系统的发展现状,针对探空仪的实际应用需求,并根据探空式气象检测微系统的设计性能指标和要求达到的目标,本文并从系统硬件和系统软件两个角度,分别介绍了系统的总体框架结构和设计流程。 系统硬件方面,主要包括了CMOS MEMS气象微传感器及其信号处理电路的设计、探空仪信号接口电路的设计以及地面数据采集处理模块的设计。本文采用标准CMOS工艺兼容和MEMS微加工后处理技术制作的温度、湿度和气压传感器,利用Protel 99Se制版软件设计了相关电路的原理图和PCB版图,并制作完成整体系统硬件的设计。 系统软件方面,主要包括了微控制器C8051F310的程序设计以及各个软件功能模块的程序设计,模块包括数据采集模块、数据运算模块、数据处理模块、数据显示模块和数据通信模块。本文采用Silicon Laboratories IDE集成开发环境,使用汇编语言进行了软件设计开发。 在系统软硬件设计的基础上,通过对传感器和系统的测试,探空式气象检测微系统的温度、湿度和气压测量性能符合基本指标要求,其中系统工作温度范围:-40℃至+60℃;温度测试范围:-40℃至+60℃,精度:±0.2℃;湿度测试范围:0%RH至100%RH,精度:±3%RH;气压测试范围:870hPa至1080hPa,精度:±5hPa。 最后将自行研制的探空仪信号输出模块与北京维天信公司的发射模块接口,并配合地面无线电经纬仪在北京观象台,即中国气象局大气探测综合实验基地进行了探空仪的实地放飞试验。试验时间共持续约1小时,共采集到1800组探空仪信号的有效数据,每组数据周期为2秒。通过探空仪的实地放飞试验,验证了探空式气象检测微系统方案的可行性,实现了探空仪系统的高空探测基本功能,地面系统成功接受到探空仪信号,并采集到高空中探空仪的实时温度、湿度和气压数据,该数据基本符合当时当地的高空气象信息。 本文探空式气象检测微系统的最大创新之处在于探空仪中使用了实验室自行研制的采用标准CMOS工艺兼容和MEMS微加工后处理技术制作的CMOS MEMS气象微传感器,并将其应用到探空仪的实际使用中。将微系统技术应用于气象检测领域,并结合专用集成电路技术和数字信号处理技术的发展,探空式气象检测微系统势必将成为探空仪技术发展的主流方向。
【学位授予单位】:东南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TP274.4

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