1 引言

        我國的疆域廣闊，時區分布不同，海拔以及溫度，濕度等氣候差異都很大，實時的了解我們所處位置的氣候情況對工作和生活是很重要的。尤其對一些野外工作的科研人員來說，需要測試海拔，溫度，濕度等物理量作為參考因素。為了測量這些物理量需要我們攜帶多種測試設備，這對野外工作很不方便。為了實時方便的了解我們所處的海拔高度和天氣情況，我們需要有更便捷，功能更齊全的綜合測量儀器。同時可以將現場的數據送到PC，以方便今后的進一步分析和處理。

2系統組成以及基本原理

        整個綜合測試儀主要由五個部分組成。分別是核心控制單元，濕度測量，海拔高度測量，溫度測量，以及測量數據顯示部分。濕度測量是通過濕度傳感器將環境濕度物理量變換為電信號，最終將處理后的模擬信號經過A/D后送到CPU。海拔測量主要是通過間接測量大氣壓強，經過計算來得出當地的海拔高度，其中也考慮到其他因素的影響而采取了軟件修正的方法。溫度測量采用數字溫度測量芯片DS1820來實現，這是一個應用的比較廣泛，也是得到了實踐驗證，確切可行的一種測量方法。所有采集的物理量經過A/D轉換后，在CPU中經過處理，反映出各自代表的物理量后，送到顯示電路，以提供使用者信息，也可送到PC，讓PC機上的數據分析軟件做進一步的處理和存儲。

3系統硬件整體設計

系統控制器單元

        本設計采用LPC2104作為控制器的控制芯片[1][3]。LPC2104是PHILIPS公司專為嵌入式應用提供的高性價比微控制器解決方案。它采用ARM公司的16位/32位RISC結構，內核是ARM7TDMI-S，CPU操作頻率可達60MHz，片上集成：具有ISP和IAP功能的128KB Flash程序存儲器、16KB靜態RAM、2個UART、1個I2C串行接口、1個SPI串行接口，多達6路輸出的PWM、2個定時器，分別具有4路捕獲/比較通道、實時時鐘及看門狗定時器等，能夠與常用的外圍設備實現無縫連接，本系統以LPC2104為核心控制電路，對外圍的各種前端測量電路，包括濕度測量，溫度測量，海拔測量，以及數據顯示電路進行無逢整合。其中系統整體框圖如圖1。

 

3．1 濕度測試電路設計

        濕敏測量在工業、農業、氣象、醫療以及日常生活等方面都得到了廣泛的應用，特別是隨著科學技發展，對于濕度的檢測和控制越來越受到人們的重視并進行了大量的研制工作。

        在本測量儀中濕度測量電路是由濕敏元件和轉換電路，信號調理電路，以及A/D轉換電路等組成，它將環境濕度變換為電信號，然后通過A/D轉換成數字信號。

        在實際應用中，需要同時考慮對濕度傳感器進行線性處理和溫度補償，常常采用運算放大器構成濕度測量電路，在圖2中Rt是熱敏電阻器(20kΩ，B=4100K)；RH為H204C濕度傳感器，運算放大器型號為OP07。該電路的濕度電壓特性及溫度特性表明：在(30％～90％)RH、15℃～35℃范圍內，輸出電壓表示的濕度誤差不超過3％RH。下式是濕度測量的原理表達式：

        R=R0exp(B/T-AH)

        其中H為相對濕度；T為絕對溫度；R0為在T=0℃ ，相對濕度H=0時RH的阻值；A為濕度常數；B為溫度常數。
 

　　

3．2 海拔高程測試電路設計

        海拔測量的方法主要有兩種：一種是GPS，一種是氣壓檢測法。GPS測量是一個比較好的，也比較先進的測量方法，測量結果也非常精確。但是存在著成本較高這個缺點，所以在本系統中采用氣壓檢測的方法。氣壓測量的原理是依據海拔高度增加氣壓隨之減小的原理，但是這個變化不是線性，而是一個函數，函數關系大致如下：

        P=760(e^-(a/7924))

        P:氣壓，毫米汞柱a:海拔, 千米。當然，氣壓還跟季節，空氣濕度，氣流有關系，要把這些數據也參入計算是很復雜的事。所以在設計中通過采樣多個數據進行加權求和。同時在軟件設計中考慮進行軟件的修正。

        在系統設計中，氣壓測量傳感器采用TP051P測量現場氣壓值，而后通過AD620進行前端放大，放大以后的數據送到ICL7135進行A/D轉換。轉換后的數據以串行的方式送到CPU進行處理。圖2是海拔測量的前端采樣以及調理電路。