公路环境自动监测系统设计毕业设计.doc

本科生毕业设计（论文）
摘 要
随着我国高速公路的迅速发展，及时、有效的对高速公路的环境参数的监测是很有必要的，它不但可以减少交通事故的发生，从而给人们的出行安全带来很大方便。而且同时也能有效的为高速公路维护工作提供便利。
高速公路环境参数自动监测系统的设计是通过对气温、湿度、风向、风速、路面结冰状况等气象要素的采集为工作的基础。本设计讨论了GPRS的无线通讯的高速公路环境参数自动监测系统的设计，并实现了气象采集的自动化和网络化。分析各气象要素传感器的接口、参数、性能、可靠性等关键问题，确定了HMP45D型号的湿度传感器、PT100温度传感器、IRS21智能路面状况传感器、HW-N1 型能见度仪、ZQZ—TF 风向风速传感器、确定了H7000无线DDN系统为用户提供高速、永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络进行设计。
由于高速公路环境参数自动监测系统因为其本身的地域的局限性，所以通讯方式最好采用无线通讯的方式。随着计算机网络技术的发展，GPRS数据服务除了高速、永远在线的特点外，还具备通讯费用低廉的优势。因此得到了广泛的应用。

关键词：GPRS无线通讯；自动监测系统；传感器

Abstract
With the rapid development of highway, timely and effective environmental parameters on the highway monitoring is necessary, it can not only reduce traffic accidents, giving people travel security bring great convenience. But also can effectively facilitate the work for the highway maintenance.
Automatic monitoring of environmental parameters highway system design is through the air temperature, humidity, wind direction, wind speed, icy conditions and other meteorological elements collected for the basis of the work. This design discussed GPRS wireless communication highway environmental parameters automatic monitoring system design and realization of meteorological acquisition automation and networking. Analysis of the meteorological sensor interfaces, parameters, performance, reliability, and other key issues, identified HMP45D type humidity sensor, PT100 temperature sensor, IRS21 intelligent road condition sensors, HW-N1 type visibility meter, ZQZ-TF wind direction and speed sensor, identified H7000 wireless DDN system provides users with high-speed, always online, transparent data transmission virtual private data communications network design.
Because the highway environmental parameters automatic monitoring system because of its own geographical limitations, so the best use of the wireless communication means of communication. With the development of computer network technology, GPRS data services in addition to high-speed, always-on features, but also have the advantage of low-cost communications. So it has been widely used.
Keywords: GPRS wireless communication; automatic monitoring system; sensor目 录
第1章 绪 论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外发展 2
1.3 本设计的解决的问题 3
第2章 方案论证 5
2.1方案对比 5
2.2方案分析 7
第3章 硬件电路设计 10
3.1单片机的选型及其外围电路的设计 10
3.2 A/D转换器 11
3.3传感器的选型 13
3.3.1路面传感器 13
3.3.2温、湿度传感器 14
3.3.3能见度传感器 17
3.3.4风速风向传感器 19
3.4通讯模块的设计 20
3.5人机接口部分的设计 23
3.5.1按键电路的设计 23
3.5.2显示电路的设计 24
3.5.3报警电路的设计 25
第4章 软件设计 26
4.1主流程图 26
4.2子程序流程图 26
第5章 通讯网络系统的功能及实现 30
5.1 GPRS模块的设置 30
5.2 数据中心的实现简介 30
第6章 总结 32
参考文献 33
致 谢 34
附录 I 35
附录II 36
附录III 53

IV
第1章 绪 论
1.1 研究背景
近年来，我国高速公路建设的发展非常迅速，自1988年建成我国第一条高速公路以来，到2010年底，我国高速公路通车里程达到7.3万km。根据国家高速公路网规划，我国正在全力以赴地加快国家高速公路网主骨架建设，到2020 年，基本建成国家高速公路网，届时，中国高速公路通车总里程将达10 万km。新路网由7 条首都放射线、9 条南北纵向线和18 条东西横向线组成, 简称为7918网。随着交通运输业的飞速发展，天气条件对交通运输的影响也越来越广泛， 恶劣的天气条件给交通运输带来巨大的损失，甚至威胁人们的生命财产安全。据统计，在冰雪路面、积水路面与正常干燥路面3 种情况下， 交通事故发生的概率之为4.2︰1.61︰1，在寒冷地区这种现象甚至更为严重。所以，及时准确的天气信息成为交通管制部门决策支持的关键组成部分。高速公路交通气象监测系统由分布在高速公路沿线的若干个高速公路自动气象站联网组成，通过对天气变化、路面状况、空气环境进行实时监控，获取实时数据， 并实时向外界发布天气、交通的变化信息，从而使交通管制部门及时作出相应决策， 提高交通道路的安全指数，充分发挥交通道路效能。
随着我国公路建设的快速发展，公路建设的监测和维护工作也显得越来越重要。公路路面在实际使用的过程中，温度、水分以及载荷等因素均会对整个路面结构产生不利影响，并极大的增大了交通事故的发生几率，带来了极大的财产和生命损失。根据对四川、云南、贵州、广西、甘肃、新疆、西藏、浙江、河南、辽宁等几个省的事故资料统计研究发现，约有44% 的道路交通事故与气象条件有直接或间接的关系。数据显示，在美国每年680万起交通事故中，20% 发生在像雨、雪或冰雪这样的恶劣气象条件下问。目前我国道路交通事故数、交通事故伤亡人数及经济损失居高不下，交通安全形势恶劣。雨、雪、雾天能见度低，路面积水、结冰等都会使路面光滑、行车发漂，是形成事故的重要原因之一。低收入和中等收入国家每年有100多万人因公路交通事故丧生，高收入国家则仅有12.5万人因公路交通事故丧生。先进的仪器设备来建立健全交通安全环境，完善的道路情报收集与管理，可以为相关管理部门的决策提供依据，也可以对道路使用者进行提示、警告、限制，大大减少交通事故的发生。目前中国高速公路建设快速发展，中国2008年新修通高速公路6433公里，高速公路通车总里程达到6.03万公里，继续居世界第二位。根据交通部的规划，到2020年，我国将建成国家骨架公路网，全国高速公路总里程预计将达到７万公里。路面传感器市场前景广阔。目前我国路面传感器市场主要被国外的企业垄断，昂贵的价格限制了其应用。实现路面传感器国产化，有着深刻的现实需求和经济前景高速公路的气象环境状况，特别是恶劣天气条件，直接影响高速公路的运营管理和行车安全。由于雨、雪、雾、积雪、结冰等天气环境条件对高速公路的运营有直接的影响，所以交通部门对高速公路交通气象监测系统的需求主要从以下几个因素上加以考虑。
(1) 安全因素：在大雾等低能见度的气候条件下，高速公路很容易引发多车相撞的恶性交通事故，这类交通事故往往造成相当惊人的损失，如北京、上海、陕西、江苏、广东等地相继开始对城市道路或高速公路的头号杀手雾进行监测与预报研究，并取得许多有价值的科研成果。
(2) 经济效益因素：交通事故不但造成了重大的人员伤亡，还带来其它重大的经济损失。在大雾、下雪、结冰等天气情况下，往往采取关闭高速公路的办法来有效地杜绝交通事故，但关闭高建公路带来的直接经济效益损失不容轻视，因此不能准确判断各类型天气条件下高速公路的行车等级，也会带来不必要的经济损失。
(3) 社会影响因素：由于公路交通重大事故比例高，人员伤亡大，人们对公路产生了潜在的死亡恐惧。据调查, 在铁路交通方便的情况下，出行者更愿意选择铁路交通。
(4) 交通问题因素：封闭公路给周边城镇的交通带来了极大的压力，特别是交通容量小的小城镇，造成严重的大面积的交通阻塞和交通瘫痪。
1.2 国内外发展
瑞典、英国、芬兰等国家是世界上最早进行高速公路交通气象监测系统研究的国家, 许多开创性的应用工作也是从这些国家逐渐推向世界各地的。近年随着各种遥测技术、网络、数据库以及GPRS 等技术的应用，国外高速公路交通气象监测系统能够向道路养护、交通运营管理以及公众出行提出更加丰富、及时、有效和全面的信息，降低道路的养护运营成本，提高道路的运营服务与安全水平。而我国高速公路交通气象监测系统研究与应用工作起步较晚，交通气象信息也主要来源于公路沿线的气象站、雾天能见度检测仪等检测设施，公路部门与气象行业业务合作不够紧密，所以总体上缺乏系统研究，提供专业服务的能力还很有限。但近年来, 随着我国高速公路的快速发展，高速公路交通气象监测系统的研究和应用已经开始受到相关部门和研究机构的重视。如安徽省2009 年底已开始建设覆盖全省高速公路的恶劣气象条件监测系统、山东省已开始建设高速公路气象观测系统、山西省也将高速公路气象监测系统纳入地方“十二五”建设规划，此外河北省交通与气象部门携手加强高速公路气象监测及预警服务能力建设等，所有这些都表明了交通部门对高速公路交通气象监测系统的关注, 但我国目前该系统的主体框架基本以传统气象要素的监测为主，能见度仪和路面状态传感器大多数仍依赖于国外进口设备，可见，我国交通气象监测与服务工作还需进一步加强。由于我国对这方面的设计的不足，所以对高速高速公路自动监测系统的研究是很有必要的。
国外进行气象信息采集比较有名的有意大利、法国、日本等一些公司在从事自动气象站方面的研究。气象设备的主要生产厂家有芬兰的Vasiala、意大利的DPS一Pormatic、法国的exMEL、英国的CamPbellseientifie和CasellaCel等。他们的大部分产品也是采用卫星和GSM的通信模式，随着移动通信技术的进步，国外的意大利的一家公司2003年首先推出了基于GPRS通信的相关产品。但是国外进口的自动气象站观测系统设备价格昂贵,很难在国内大范围普及。
国内气象观测技术领域也有许多相关研究，并取得了一定的进展。国内比较著名的自动气象站有北京华创科技公司的CAWS600系列自动站，江苏无锡无线电科学研究所的ZQZ一Cn型自动气象站。另外还有长春气象研究所的同类产品。他们的产品主要是数据传输大多局限于传统的通讯方式(有线MODEM、GSM等通讯方式)。本设计进行基于GPRS的多要素自动气象站产品开发的同时无锡无线电科学研究所也在进行相关产品的研究和实验。
1.3 本设计的解决的问题
高速公路自动监测系统的设计关于环境参数的采集需要安装在现场，通过各种传感器对气象参数进行采集。同时，分析、存储采集的气象数据。利用GPRS模块作为数据通讯通道。GPRS通信网络是气象数据中心与现场自动气象站之间的数据传输的桥梁，各自的GPRS数据终端将数据打成PI包，经GPRS接入无线GPRS网络，由移动服务商转接到hietmet，最终通过各种网关和路由到达统一的数据处理中心工作站。使现场自动气象站的气象参数能够及时传送到气象中心的计算机中。气象数据中心是系统的监控中心，从各观测站发回的气象资料经整理后存入SQLesvrer数据库，并通过网页浏览方式提供给相关部门及其他用户。它由三台主机和上位机软件组成。一方面气象数据中心通过GPRS网络与现场自动气象站进行双向通信收发数据，另一方面进行数据库管理和WEB网页浏览服务。上位机软件为用户提供一个可视化界面，实时监测各地的气象参数。通过此软件，可查询历史数据库，查看各地气象息的历史记录和统计曲线，从而清楚地了解观测点的综合气象信息。
本文的主要工作是自动气象监测系统中的基于GPRS传输的自动气象站的研制，提出并讨论的主要问题如下：
1.各气象要素的信号采集传感器的选用、接口和性能的分析。
2.硬件系统的主处理模块、气压测量模块、各传感器接口调理电路的分析与设计。
3.GPRS相关技术，及和单片机的接口问题
4.气压的非线性校正和温度补偿的实现、温度传感器的非线性校正、可靠性分析与设计等若干关键技术问题。

第2章 方案论证
2.1方案对比
目前国内也有很多基于无线传输的高速公路自动气象站，但或多或少都存在一些不足，总结起来主要有以下几个方面：
1.采用的无线传输方式为短信方式，这种方式缺乏灵活性，局限性比较大，而且对于多站点、多时次的信息需求来说，费用比较昂贵。
2.部分无线传输方式将采集得到的数据存于U盘、移动硬盘等介质中，实时性无法实现。另外，长时间的数据传输积累下来的数据量比较大，需要人员定时去取存于移动介质中的数据，需要大量的人力物力，对于沙漠等偏远地区来说，实现起来就更加困难。
3.随着计算机网络的发展,采集到的数据可以存入计算机，通过计算机网络传输到远端服务器，这种方式仅适用于有地面网络的地区，无法应用于无人。无气象站的地区。
我国高速公路环境参数自动检测系统研制工作始于20世纪50年代后期，至今已有40多年的历史。60年代初，由原中央气象局观象台主持研制无人环境自动检测系统，到70年代初研制出环境参数自动监测系统，在青海省的五个台站进行试验，前后达10年之久。与此同时，原中央气象局硬件所又主持研制出综合遥测自动气象站，在杭州、苏州、北京等地进行了为期6个月的现场考核。
80年代中期，由中国气象科学研究院大气探测所主持，采用精致气象卫星中继数据的方式，研制出资料收集平台(DCP)，并在多个省份进行为期1年的试验。到90年代后期，我国第一批高速公路环境自动监测系统设计成型，并获准在业务中使用。截至2005年，全国有1000多个台站使用了自动环境监测系统，并实现了组网。在过去的十几年间，高速公路自动监测系统之所以取得了迅猛的发展，并得到了应用，取决于多种因素其中技术因素起到举足轻重的作用，包括微型计算机、通信、传感器等技术的发展和推广应用，为自动环境参数监测技术性能的提高提供了良好的技术基础,尤其是微处理器的和通信技术的日趋成熟，简化了数据传输设计。降低了成本，提高了效率,使准确获得数据的同时能够准确、高效的传输，达到自动环境自动监测的功能要求。目前国内外都有许多研究高速公路环境自动监测系统的厂家，因此在技术上成熟了许多。国内比较知名的是北京华创科技有限公司的CAWS600系列环境参数自动检测系统，长春气象仪器研究所的同类产品。他们的产品数据传输主要都局限于传统的通讯方式。随着社会经济的发展，科学技术的进步，将进一步推动环境参数自动监测技术向多功能、智能化、高精度、高可靠性方向发展，将为航空、水利等社会各部门提供更详细、更准确的气象信息。通过以上的分析，我们发现上述各种方式或多或少的存在一定的弊端，尤其是通讯方式，它是制约环境参数自动监测系统发展的一个重要因素。GPRS作为一个新的无线网络通信协议，是基于GSM的新型移动分组数据承载业务，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，比现有GSM网具有更高的数据率，并具有永远在线的特点。GPRS数据服务除了高速、永远在线的特点外，还具备通讯费用低廉的优势。GPRS数据服务可以按流量或时间或包月固定费等方式收取，就大大降低了用户使用GPRS进行数据传输的成本，尤其在数据采集与监控系统中。
通过对比，本论文拟采用GPRS通信方式实现气象要素自动监测无线化和网络化。本课题利用无线GPRS技术传输气象数据,主要是因为GPRS具有以下优点：
1.GPRS对于网络资源利用率高。GPRS采用分组交换技术，对于数据吞吐量较小的网络，可以把大数据包先分成若干个小数据包，通过不同的路由，以存储转发的方式传送到目的主机，再按规则组合成完整数据包。
2.覆盖范围广。GPRS覆盖范围广，在无线GSN叮GPRS网络的覆盖范围之内，都可以完成对无线终端的控制和管理。而且，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。
3.数据传输速率高。GPRS数据传输速度大于40Kbps，最高可达到115KbPs一170Kbps，完全可以满足用户应用的需求。
4.建设成本小。由于采用GPRS无线公网平台，对于行业应用，只要安装好GPRS终端即可，不需专门的布线，前期投资小、见效快,后期升级、维护成本低。
5.接入时间短，提供了与现有的数据网络的无缝连接。GPRS接入等待时间短，可快速建立连接，平均时间为两秒。
6.提供实时在线功能"用户将始终处于连线和在线状态,这使得访问服务变得非常简单、快速。
7.通讯费用低，按流量计费。GPRS网络按照用户接收和发送数据包的字节数量来收取费用，在没有数据传递时，用户即使挂在网上也是不收费的。
同时GPRS应用可以采用包月、包年的计费方式，运营的成本将大大降低。
8.GPRS系统的传输容量大，非常适合数据的传输应用。GPRS的分组交换技术提供灵活的差错控制和流量控制，非常适用于数据传输应用，特别是间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。
2.2方案分析
经过查阅资料和分析，本设计主要是要通过的传各种类型传感器对天气状况信息温度、湿度、能见度、风的大小与方向、路面状况的采集，再将检测出的模拟信号经过A/D转换后以及信号处理，再通过通讯技术, 按照城区大约间隔5公里、郊区10-15公里的建设原则，配无线通讯器通过GSM网可实现远距离布网监测或异地遥测数据。不受距离限制，每个气象监测网点配备一个无线通讯端口，由气象中心监测站的主控微机对网点内所有气象站的数据进行统一监控，以达到整个网点内气象数据整合及统计。送入主机中，进行自动的运算和控制，为用户设计按键、显示电路和声光报警等模块。
高速公自动监测系统实现对天气状况的监测，把实时信息传输给控制室，可采用以单片机为核心的控制系统，因为单片机的内部资源丰富，供电电压只需要5V，并且单片机的体积较小，便于存放；价格也相对便宜。对单片机外加简单的接口电路及编制不同的应用程序就可实现不同的功能。从节能和经济效益方面考虑，选用以单片机为核心的控制系统更为合理。
基于以上分析，通讯系统的流程图如图2.1所示，高速公路自动监测系统设计的总体框图图2.2所示。

主机

被控对象
温度、湿度、风向、能见度等测量信号

A/D转换器
温度、湿度、能见度，风向与风的大小显示

越限报警

键 盘
电 路

实时通讯模块

图2.1 总体框图

控制中心

GPRS网络

基站

气象检测数据
气象检测数据

图2.2 通讯框图
基于以上分析，本设计系统分为以下几个模块。
(1)天气状况监测模块
对天气状况的检测采用气象传感器。路面状况传感器主要有两大类：一类是埋入式类型的传感器，需要埋设在路面上，通过电源和信号线接到机箱内电源和采集器上；另一类是遥感类的传感器，无需安装在路面上，而是安装在路侧支架上，通过遥感路面上的某一特定区域来实现观测目的。第二类的传感器也称为主动型路面状况传感器，因成本较高，在实际应用中多采用第一种。
温度传感器主要有四种类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器和IC温度传感器。因为本设计对不需要高精度测量，并且热电阻宽温度范围和适应各种和大气环境，而且结实、价格低、无需供电。所热电阻作为温度传感器。
由于常见的电阻、电容式湿敏湿度传感器抗腐蚀能力差、一致性差、线性差。所以选用有机高分子膜做成的介质的湿度传感器，这类产品的互换性好、响应速度快、抗干扰能力强。不需要外部元件，适配各种单片机。该湿度传感器的测量范围一般可达到0～100%。但有的厂家为保证精度指标而将测量范围限制为10%～95%。
目前世界上能见度的设计的能见度观测仪主要有透射式和散射式两种。其中透射式占地范围大无法机动使用，所以前向透射能见度能是通过测量小空气体积对光的前向散射来计算能见度的仪器，它测量范围大、工作稳定、结构简单等优点。它由发射器、接受器、电源控制器和机架等部分组成。通过发射、接受红外线，得出相应的电信号数据。
目前国内外风向风速传感器可以分为三类。第一类为螺旋桨式风向风速传感器。第二类为风速是三杯式、风向单翼式的风向风速传感器。第三类为超声波风向风速传感器。螺旋桨式风传感器精度较差，动态性能一般，超声波传感器目前应用还不太成熟。考虑测量性能、可靠性、价格等因素，本设计采用三杯式风速传感器、单翼式风向传感器。风杯式风速传感器工作原理是：风速传感器的感应元件为三杯式回转架，信号变换电路为霍尔开关电路。
(2) 通讯模块
把采集的信号传输给主控制室。本地通讯（RS232、RS485）、远程有线通讯（PSTN、ADSL、光纤等）和远程无线通讯（SMS、GPRS、CDMA1X、卫星DCP等）可同时应用。因此，高速公路自动气象站终端有可能放置在长期无人值守的地方，基础设施建设比较差，可能不能提供光纤传输，GPRS无线传输可以很好的解决这一问题。在本系统应用中，采用了公网固定IP的方式组网。该系统由高速公路气象信息管理系统、公共以太网服务器、无线通讯基站、高速公路自动气象终端等设备组成。在这种构成下，高速公路自动气象终端设备首先通过无线通讯基站以无线方式登陆到无线以太网络，并获得自动分配的IP地址，然后与高速公路气象信息管理中心建立点对点网络连接。由于高速公路气象信息管理系统的IP地址用的是网络的子网，所以要将网络服务器的IP和端口映射到高速公路气象信息管理系统。之后，终端就可以寻址到高速公路气象信息管理系统进行双向通信了。其特点是通信的速度非常快、通信质量非常稳定，组网时可以利用现有的网络资源，建设系统的投资小，能够适合实时性要求较高、安全性要求适中的应用场合。
(3)键盘模块
该部分实现对越限报警的设定值。
(4)显示模块
该部分是显示电路的设计，把传输过来的信号显示出来。采用LCD显示。
(5)越限报警模块
当到天气状况恶劣，满足一定条件的时候，系统就会提示声光报警。

第3章 硬件电路设计
3.1单片机的选型及其外围电路的设计
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
由于89S52本身的I/O不够用，这里选用8255可编程并行I/O接口。8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255可编程，所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。
本设计中选用89S52单片机，单片机需要供电、晶振电路与时钟电路的共同作用，才能工作，本设计采用外部时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，外接晶振时，C1、C2值通常选择30uF左右；C1、C2可稳定频率并对振荡频率有微调作用，振荡频率范围是0到24MHz。为了减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定可靠地工作，谐振器和电容应尽可能安装于单片机芯片靠近。复位电路采用手动上电复位电路，这种电路利用电容器充电来实现。当加电时，电容C3充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻上R上有压降，RESET引脚为高电平；当电容C3充满电后，电路相当于断开，RESET电位与地相同，复位结束。
89S52单片机与8255的接口电路比较简单，如图3.1所示，8255的片选信号CS(_____)及口地址选择线A0、A1分别由89S52的T1、P0.0、P0.1经地址锁存提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分别为BFFCH、BFFEH、BFFFH。8255的D0~D7分别于89S52的P0.0~P0.7相连。8255的复位端与89S52的复位端相连，都接到89S52的复位电路上。另外89S52的WR(_______)、RD(______)一一对应相连。这样单片机与8255就实现了I/O的并行扩展了。

图3.1 单片机及其外围电路
3.2 A/D转换器
模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
这里选择ADC0809，ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。
1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。
2）具有转换起停控制端。
3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz时）
4）单个+5V电源供电
5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。
6）工作温度范围为-40～+85摄氏度
7）低功耗，约15mW
本设计采用了ADC0809与89S52单片机的典型接口电路，由图3.2可惜看出，其与单片机接口十分简单。89S52单片机通过扩展接口PB0和读写信号来控制转换器模拟输入通道地址锁存、启动和输出允许，ALE为地址锁存控制信号。8个模拟输入通道（IN0~IN7）的地址分别为7FF8H~7FFFH。

图3.2 ADC0809与单片机接口电路图
3.3传感器的选型
3.3.1路面传感器
IRS21是一款性能优秀的智能路面传感器，主要有路面温度测量模块、多频监测模块、含盐度和冰点测量模块、水膜厚度测量模块组成．它的优点是：结构紧凑、易于安装；很少的维护；良好的抗化学腐蚀和物理破坏；容易更换；数据通过RS485数字输出，可实现远距离传输：低功耗，测量时间短，少于两秒，测量结果受自热的影响较小；IRS21智能路面路况传感器可以与任何支持其通讯协议的智能终端相连，有良好的可移植性和通用性。检测完毕后，输出包括3个温度值、盐度和冰点值、路面状态、水膜厚度，具有精度高、耐磨损和可靠性好、数字化输出。IRS21中包含四个传感器，分别是温度传感器、电导率传感器、水膜厚度传感器和多频冰、水分辨传感器。微控制器根据各传感器的检测结果，分析计算后得出精确的路面信息。再通过RS484数字传输。
在溶液电导率的检测方法中，双脉冲法精度最高，测量最为准确。IRS21在路面传感器中，采用了一种巧妙的电路结构，在没有使用双脉冲发生器的情况下，使电极两端得到了所需要的极性相反周期相同双脉冲。IRS21的表面有一个凹槽，里面有两个浅埋的电极，通过检测凹槽中溶液的电导率完成对溶液浓度的检测。通过对电极成分的检测发现，电极上由100%的纯金组成的。金具有良好的耐腐蚀性和导电能力，保证了IRS21在溶液浓度检测时具有良好的可靠性和准确性。
IRS21检测水膜厚度的模块是一个微波传感器。微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体。
采用文利用惠斯通电桥，简单检测了敏感电容分别在水和冰中，其电容值随检测频率的变化趋势。分别用100HZ、1KHZ和10KHZ三种检测频率。可以发现，电容表面的覆盖物为冰时，随检测频率的增大器电容值急剧减小，而覆盖物为水时，电容值几乎不变。敏感电容接触不同物质，它的介电常数和检测频率的变化关系各不相同，如果通过后继的电路把电容的值转化为相应的电压值，结果单片机分析和处理，可把模拟值转化为数字值，推断出路面覆盖物的类型。
PT100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。
主要技术参数：
　　工作环境：-40~70℃，0~100% RH
　　供电：9~14VDC，<200mA
　　数据接口：RS-485
　　路面温度量程：-40~70℃
　　路面温度精度：±0.2℃（-10~10℃），±0.5℃（-40~70℃）
　　路面温度分辨率：-0.1℃
　　冰点量程：-20~0℃
　　冰点精度：±0.1℃
　　冰点分辨率：-0.1℃

图3.3 IRS21路面传感器与单片机的接口电路
3.3.2温、湿度传感器
1.温度
其测温元件是铂电阻Pt100铂电阻的阻温关系线性度很高，在- 259.34℃和0℃的范围内可以用下面公式表示：
Rt =R0 [1+At+Bt2 +C（t- 100）t3 ]
在0℃~+630.74℃的范围内可以用下公式来表示：
Rt =R0（1+At+Bt2）
其中，Rt、R0分别代表在t℃和0℃时的电阻值，t 为温度；A、B、C 为常量，对于工业铂电阻，一般标准为：A=3.96874×10- 3℃，B=- 5.84×10- 7℃- 2，C=- 4.22×10- 12℃- 4。因为铂电阻具有阻值随温度改变的特性，因此我们在自动气象仪的采集器是利用的是四线制恒流源供电方式。在该线性化很好的电路中由此种供电方式将传感器电阻值的变化转化为电压值的变化从而达到对温度进行测量的目的。
本设计采用惠斯顿电桥，电桥的四个电阻中三个是恒定的，另一个用Pt100 热电阻，当Pt100电阻值变化时，测试端产生一个电势差，由此电势差换算出温度。测温原理：电路采用TL431和电位器VR2调节产生4.096V的参考电源；采用RA1、RA2、VR1、Pt100构成测量电桥（其中R1＝R2，VR1为100Ω精密电阻），当Pt100的电阻值和VR1的电阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过运放LM324放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。差动放大电路中RB1＝RC1、 RB2＝RC2、放大倍数＝RB2/RB1，运放采用单一5V供电。     
设计及调试注意点：
1. 同幅度调整RA1和RA2的电阻值可以改变电桥输出的压差大小；  
2. 改变RB2/RB1的比值即可改变电压信号的放大倍数，以便满足设计者对温度范围的要求 
3. 放大电路必须接成负反馈方式，否则放大电路不能正常工作。 
4. VR1也可为电位器，调节电位器阻值大小可以改变温度的零点设定，例如Pt100的零点温度为0℃，即0℃时电阻为100Ω，当电位器阻值调至109.885Ω时，温度的零点就被设定在了25℃。测量电位器的阻值时须在没有接入电路时调节，这是因为接入电路后测量的电阻值发生了改变。 
5. 理论上，运放输出的电压为输入压差信号×放大倍数，但实际在电路工作时测量输出电压与输入压差信号并非这样的关系，压差信号比理论值小很多，实际输出信号为
4.096*(RPt100/(RA1+RPt100) - RVR1A2/(RA1+RV1RA2))
式中电阻值以电路工作时量取的为准。  
6. 电桥的正电源必须接稳定的参考基准，因为如果直接VCC的话，当网压波动造成VCC发生波动时，运放输出的信号也会发生改变，此时再到以VCC未发生波动时建立的温度-电阻表中去查表求值时就不正确了，这可以根据式（1）进行计算得知。
本次放大电路我选用的是LM324,其内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 

图3.4 温度传感器

温度参数：
测量范围：- 40~+60℃
输出标定：