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1、毕业设计论文基于无线传输的智能双经纬仪小球测风系统经纬仪数据收发板设计摘 要目前对于局部区域测风经常采用的方法是双经纬仪小球测风。在高空风测量中使用的普通测风经纬仪需手工记录观测数据、手工录入数据计算，同步性和实时性难以保证，会造成较大的误差和人力损耗。本文提出了一种解决上述问题的方法并设计了一种新的智能化、应用范围广的数字化小球测风系统。在测量过程中只需人工跟踪测风气球，系统能够自动采集测风数据并且自动计算测风结果。整个系统可以由电子测风经纬仪、无线数据收发模块、数据采集板和移动终端设备（笔记本计算机）组成。本文着重研究经纬仪数据收发板的设计，具体分析设计了无线数据收发模块。本文所设计的无线
2、数据收发模块主要由Silabs公司生产的一种微控制器芯片C8051F310和TI公司生产的一种无线芯片CC1020组成。这部分的设计包括：原理图设计，PCB设计和C8051F310的应用程序设计。本文先从整体上介绍了该课题的设计思想和层次结构，然后详细介绍了无线数据收发模块的设计过程，并给出了程序流程图。本设计实现了通过无线数据收发模块把从经纬仪那接收来的数据传送给主机处的数据采集板，并且可以通过主机来控制系统状态的功能。关键词：C8051F310；CC1020；无线传输；测风系统 IIThe intelligence pilot balloon observation system with
3、 dual theodolite based on wireless transmission theodolite data transceiver board designAbstractAt present the common method of anemometry for some areas is the pilot balloon observation with dual theodolite. The common pilot balloon theodolite is used in the observation to record observation data a
4、nd to calculate input data manually when measure upper level wind. The synchronism and real-time performance can not be achieved and that will cause more mistakes and more manpower wastage. This paper provides a way to solve the problem and designs a new intelligentized and widely applicable digital
5、 pilot balloon observation system. In the process of observation the pilot balloon can be man-tracked, and the system is able to record wind data and calculate the result of observation automatically. Whole system comprises electronic pilot balloon theodolite，wireless data transceiver module, data a
6、cquisition board and move terminal unit(notebook computer). Important design of this paper is theodolite data transceiver board, and analyses wireless data transceiver module. The wireless data transceiver module comprises the C8051F310, a kind of MCU that is designed by Silabs Inc and the CC1020, a
7、 kind of wireless chip that is designed by TI Inc. This part of the design comprises: the schematic diagram design, the PCB design, and the application program design in C8051F310. The paper shows a whole idea and layer structure of this design, and then gives the flowcharts. This design achieves th
8、e function to transmit the data from the theodolite to the data acquisition board connected to the computer via the wireless data transceiver module, and to control the system condition with computer.Key Words: C8051F310; CC1020; wireless transmission; observation syst目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论11.1 课题
9、背景11.2 测风技术的发展21.3 课题意义5第二章 系统的硬件设计62.1 系统的整体设计方案62.2 系统数据处理及其误差分析82.3 系统中无线数据传输部分设计102.3.1 无线传输的选择112.3.2 无线收发芯片的选择132.3.3 单片机的选择192.3.4 无线收发芯片与单片机的结构配置222.3.5 无线通信距离分析及天线设计272.3.6 系统电源设计322.3.7 系统复位设计332.3.8 系统晶振与时钟配置352.3.9 UART0串口通信设计372.3.10 系统固件调试电路设计39第三章 PCB板设计41第四章 系统的软件设计454.1 系统软件设计的组成部分4
10、54.1.1 UART0串口通信子程序454.1.2 数据收发子程序464.1.3 频率变换子程序544.2 系统软件调试56第五章 结论58参 考 文 献59附录A 无线数传模块原理图61附录B 无线数传模块PCB图62附录C 无线数传模块程序设计64致 谢86III第一章 绪 论1.1 课题背景靠近地球表面、受地面摩擦阻力影响的一部分大气层被称为大气边界层。就整个地球大气而言，该层只不过是紧贴地球表面的很薄的一层大气。从地表向上，大气边界层的厚度随地面粗糙度和风速的增大或大气不稳定度的增强而增加，不同的时间和地点厚度不同，其变化的范围在三四百米到一两千米之间，平均而言厚度约为1Km。在大气
11、边界层内，风速、温度和湿度有明显的日变化，这种日变化随着高度的增大而减少；大气电、光和其他物理特性也明显随高度而变化。地面和自由大气之间的热量、水汽等物理量的交换，都是通过大气边界层进行的。大气边界层是人类生活和生产活动的主要空间，天气变化以及大气污染主要是发生在这里。大气边界层中气象物理场的变化直接关系到人们的社会生产活动，所以研究大气边界层的特性和规律是十分重要的。大气边界层的研究主要有以下用途：（1）首先的一个应用是天气预报，准确及时的天气预报有利于经济建设、国防建设的趋利避害，在保障人民生命财产安全等方面有极大的社会和经济效益，是人们社会生产活动的重要参考。（2）城市边界层研究：空气污
12、染预报已在我国各大城市普遍开展，但是尚处初级阶段，数值预报的科学基础亟待充实。在一个短时期内，污染源排放是相对稳定的，因此城市大气边界层结构及其时空变化，就是直接影响污染物浓度分布的主要原因。要弄清污染扩散的规律就必须弄清楚大气边界层中风向场、温度场和湍流场的规律。另外城市中绿地以及工业设施的布局也需要对当地的局部气候深入了解。（3）风能利用：在能源匮乏的今天，矿物资源减少以及污染问题越来越严重，人们开始加强对非矿物资源的开发和利用。风能作为一种清洁廉价的资源越来越受到人们的重视，所以对特定区域的风能资源分布的调查也成为了大气边界层研究的一个重要方面，这就需要对边界层大气中风力场的分布和变化规
13、律有充分的认识。（5）用于建筑的风振及风压问题。风振是建筑物的结构对大气湍流的频率响应问题，风压是建筑物能够经受的风力大小问题。建筑工程结构的正确设计来源于对大气边界层中风和湍流规律的深刻了解，特别是大桥和摩天大楼的设计。1.2 测风技术的发展大气中各种物理过程和天气的变化都是在三维空间中进行的，不同层次大气的性质和物理过程各不相同，地面以上各高度上的气流情况就有很大的差异，因此必须进行高空观测以取得空中各高度上的气象要素值。大气在空间的运动基本上是水平的，气流在垂直方向的分量与水平方向的分量相比，一般是很小的。测量近地面直至30公里高空的风向风速，通常将飞升气球作为随气流移动的质点，用地面设
14、备（经纬仪或雷达）跟踪气球的飞升轨迹，读取其各时间间隔的仰角、方位角、斜距，确定其空间位置的坐标值，求出气球所经过高度上的平均风向风速。以下是几种测风方法的不同分类：1、风廓线测量法可分为两大类：（1）根据气流对测风仪器的动力作用(压力的方向和大小)来测定各高度上的风向、风速。这类方法广泛用于测定近地面风。如铁塔，升空装置(系留气球、飞机等)将测风仪(风杯、风标、风压管等)固定或带到各个高度上，但在观测高度、观测时间上受到限制。（2）根据随气流飘动的物体在空中运动的轨迹，从而测定出风向、风速。这类方法称轨迹法，在高低空观测中广泛采用。用来测风的飘浮物体，要求其惯性很小，没有相对于空气的水平运动
15、的对象才能作为气流水平方向运动轨迹的示踪物。测定出示踪物的运动轨迹即可计算出大气各层中的平均风向、风速。需要指出的是，这样求出的风向、风速是某一时段或某一气层厚度内气流方向和速度的平均值。示踪物一般是定速上升的气球，即测风气球。此外，天空中云团、人工施放的烟团和铝箔也可作为示踪物。2、气球轨迹法测风概况：（1）气球轨迹法测风可以分为三类：单点测风。基线测风，或称为双点(经纬仪)测风。导航测风。（2）气象气球可分为三类：探空气球：作为各种大气探测仪器升空运载工具，分无线电探空气球、系留气球等。平衡气球：作为气流运动的示踪物。测云气球：测定云层高度的云幕气球。（3）气球的一般性质：膨胀型：球皮由伸缩性较大的橡皮制成，充气后，球内外压力差很小，可随大气压的降低而自由膨胀，直到破裂为止，一般用于大气的垂直探测，如探空仪。非膨胀型：球皮由聚乙烯塑料薄膜、聚酯薄膜制成，一般在超压状态下工作，球皮几乎无伸缩性，用于水平探测，制作定高气球、系留气球等。（4）其他用途气球洛宾（ROBIN）气球：下投式垂直探空气球，非膨胀型。棘面气球（Jimsphere）：用于雷达测风的气球，直径为2米。3、根据追踪设备不同，又可分为：
