1 農業氣象儀儀器特點
1.1 農業氣象儀采用功能強大的C8051F020單片機
    C8051F020單片機是Cygnal公司推出的完全集成的混合信號系統級芯片(SOC),具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內核。它在一個芯片內集成了一個單片機數據采集或控制系統所需要的幾乎所有的模擬和數字外設及其它功能部件。這些外設或功能部件包括:2個多通道ADC子系統(每個子系統包括一個可編程增益放大器和一個模擬多路選擇器)、2個電壓輸出DAC、2個電壓比較器、電壓基準、SMBusPI2C總線接口、2個UART、SPI總線接口、5個通用的16位定時器、一個具有5個捕捉P比較模塊的可編程計數器P定時器陣列(PCA)、內部P外部振蕩器、8個8位通用數字IPO端口和64KB FLASH程序存儲器。CIP-51與標準的8051結構相比,指令執行速度有很大的提高。70%指令的執行時間為1個或2個系統時鐘周期,只有4條指令的執行時間大于4個系統時鐘周期。CIP-51工作在最大系統時鐘頻率為25MHz時,它的峰值速度達到25MIPS。
    C8051F020實現了片內模擬與數字電路的3V供電標準(電壓范圍為2.7~3.6V),大大降低了系統功耗。完善的時鐘系統可以保證系統在滿足響應速度要求下,使系統的平均時鐘頻率達到最低。因此,C8051F020具有極佳的最小功耗系統設計環境。
1.2 農業氣象儀功能齊全,界面友好
    小型氣象站具有系統自檢、參數裝訂、清除裝訂、傳感器測試、大風報警等功能。氣象儀采用320@240點陣的液晶顯示器顯示實時氣象信息,同時通過串口向計算機發送這些數據。
2 系統的硬件設計
    小型農業氣象儀的原理框圖如圖1所示。

2.1 電源設計
    為保證農業氣象記錄儀工作穩定可靠,在單片機的前端通道(風速、風向串行信號輸入)和后端通道(422信號輸出)均加光電隔離,故設備采用雙+5V開關電源,其中一路+5V給各傳感器、濾波、整形和電平轉換電路供電。由于C80512F020需要3.3V供電電壓,采用低壓差穩壓器TPS7333將另一路+5V轉換為3.3V輸出。另外采用電壓基準源AD584產生APD轉換所需要的2.5V的基準電壓。
2.2 傳感器信號處理
    風速信號是脈沖信號,經過濾波、驅動和光隔后送到MCU的計數器T0。風向信號是一組電流信號,加100K排阻將其轉變為并行開關量,再用施密特觸發器整形,經驅動和光隔后送入單片機的P2口。溫度和相對濕度信號都是4~20mA電流信號,分別加1008精密電阻后變為0.4~2V電壓信號,經過模擬放大器AD623AN放大后送入MCU。
    氣壓傳感器輸出的是0~5V電壓信號,而C8051F020要求信號電壓低于基準電壓2.5V,所以必須分壓后才能送入MCU。
2.3 串行通信接口
    C8051F020有兩個完全相同的UART[1],通過設置交叉開關控制寄存器將TX0、RX0、TX1、RX1分別連到P0.0、P0.1、P1.0和P1.1。UART0和UART1經光隔、驅動和電平轉換,成為雙向RS232接口,UART0與顯示控制單元實現全雙工通信。UART1將測量的氣象數據送入上位機存入數據庫。
3 軟件設計
    主程序的工作是每2s采樣一次風速和風向,向顯示控制單元發送氣象信息,并計算2min平均風速和多數風向;每10s采樣一次氣溫、相對濕度和氣壓,并計算平均值。如果顯示控制單元發出聯機請求,則進行聯機操作。
系統有2級中斷,UART0中斷和T3中斷。UART0中斷優先級高于T3。當顯示控制單元發出聯機命令時,則產生UART0中斷,系統執行聯機處理子程序。
    系統采用11.0592MHz晶振產生系統時鐘,用定時器T3計時,T3每50ms產生一次中斷,當產生40次中斷,即2s時執行2s子程序;T3產生200次中斷時,即10s,系統執行10s子程序。系統軟件流程圖見圖2。

4 結束語
    小型氣象儀研制成功后,先后做了多項試驗,包括溫度循環應力、電源拉偏等可靠性試驗;電磁兼容試驗和各項測量參數的精度標定試驗,并通過了本所的技術鑒定,現已安裝在國內60m海監船上,從一年多來的使用情況看,該儀器性能穩定,運行可靠,測量準確,取得了用戶的信任,并將在國內許多中小型民船上推廣應用。