农田气候信息采集与处理系统的硬件构成介绍
气候是长时间内气象要素和天气现象的平均或统计状态，时间尺度为月、季、年、数年到数百年以上。农田气候一般指距农田地面几米内的空间气候，是各种动物、植物和微生物赖以生存的空间气候。农田气候要素包括太阳辐射、大气温度、大气湿度、风速等。农田气候随时间、地点、空间发生变化，对农田作物的生长、发育与产量影响巨大。采集与处理农田气候信息，以便对农业生态环境进行模拟、调节和控制。
农田气候信息采集处理系统（即自动气象站）是一个功能扩张的单片机应用系统，是一种按设定的要求对多项气象要素自动进行采集、处理、存储和编制报表的地面气象监测设备，通常由气候信息采集模块、数据通信输出模块和单片机功能扩展模块等三部分组成(图2-9)。
图2-9 CAWS600地面气象监测站的组成
1．信息采集模块
随着气象要素值的变化，自动气象站各传感器的感应元件输出的电量产生变化，该变化被CPU实时控制的数据采集器所采集，经过线性和定量化处理，实现工程量到要素量的转换，再对数据进行筛选，得出各个气象要素值，并按照一定的格式存储在采集器中。数据采集器有十五六个数据通道，由多路开关分时选通，完成空气温度、空气湿度、光辐射、地面风速以及土壤热通量等气候信息的采集。
(1)土壤热通量信息采集。采用热流量传感器（以电压信号方式输出）测定土壤热流量，以便了解近地面环境中能量的流动和气候的发展趋势。
(2)空气温度信息采集。温度传感器中的敏感元件常用的有热敏电阻和半导体PN(positive and negative)结，分别利用其电阻或电压与温度的线性关系来检测温度信息。铂电阻气温传感器是将铂电阻丝烧制在细小的玻璃棒或者瓷板上，外面有金属保护管。0℃时铂电阻的电阻值为100Ω，铂电阻的电阻值随温度升高呈现非线性增大，经过标定就可求出不同电阻时的温度值。铂电阻地温传感器与气温传感器测量原理相同，需要埋人浅层土壤中来观测5～20cm地温。
(3)空气湿度信息采集。湿敏电容湿度传感器是用有机高分子膜做介质的一种小型电容器（图2-10）。当空气中的水汽透过上电极时，其介电层吸水导致介电常数和电容量变化，电容量变化与相对湿度成正比。在高温和高湿条件下，湿敏电容传感器会对低湿反应显现瘫痪效应。此外，湿度传感器中的湿敏元件还有毛发、尼龙、电解质、半导体、陶瓷等。但至今尚未制成长期稳定、可靠的湿敏元件。
图2-10 湿敏电容湿度传感器
遥测通风干湿球传感器中的干球和湿球感应元件是性能相同的两支铂电阻温度传感器。湿球温度传感器的感应部位套有纱布套，通过上部储水箱湿润纱布。采用干湿球查算法测量相对湿度，湿度查算表存储于计算机中，能自动连续进行采集计算。
(4)太阳辐射信息采集。辐射能的测量基于辐射的热效应，通过热电元件测定温差电动势来计算辐射能。辐射传感器属于热电型传感器，由感应面和热电堆组成（图2-11）。当太阳光投射到辐射传感器时，感应面黑色部分吸收辐射能增热，使位于其下的热电堆形成温度差，产生温差电动势，太阳辐射强度和温差电动势基本呈线性关系。而光照强度通常利用光敏元件将光强直接转换为电压量进行检测。
图2-11 辐射传感器
(5)日照时数信息采集。双金属片日照传感器是由相互均匀隔开的6对双金属黑化元件组成，当照射到传感器上的直接辐射大于设定阈值(120W／m²)时，被照射的那对金属片受热接触闭合形成电流回路，接触闭合的开始时间和持续时间被采集器作为有日照时间记录下来。
(6)风速与风向信息采集。三杯风速传感器通常采用碳纤维增强塑料制成，当风杯转动时带动同轴的多齿截光盘转动，使其下光敏三极管接收其上发光二极管的光线而导通或者截止，通过计数器记录与风杯转速成正比的脉冲信号，利用风速V与风杯线速度u的关系(V=a+bu+cu²，a、b、c为仪器常数)，就可换算出实际风速值。风向采用单翼风标传感器，采用编码式角位移传感器进行检测，风标转动时带动格雷码盘输出分辨率为2.8。的7位格雷码，从而确定与正北的方位角而记录风向变化。
(7)降雨信息采集。常用自动测量雨量的传感器有翻斗式雨量传感器和双阀容栅式雨量传感器。翻斗雨量传感器主要由承水器、过滤漏斗、翻斗、干簧管和底座等组成。降水通过承水器、过滤漏斗流入翻斗里，当翻斗流人一定量的雨水后，翻斗翻转倒空斗里的水，每次翻转动作通过干簧管转换成脉冲信号(1脉冲为0. 1mm)传输到采集器，记录翻斗翻转次数（每次为0. 1mm降水量），进而就可推算出降水量。容栅式雨量传感器主要由承水器、储水室、浮子与感应极板以及信号处理电路组成。利用储水室内浮子随雨量上升带动感应极板，使容栅移位感应器产生电容量的变化，经转换为位移计量数据就可得到降水量值（图2-12）。
(8)气压信息采集。电测气压传感器包括振筒式和膜盒电容式。振筒式气压传感器是由两个一端密封的同轴圆筒组成，位于内振筒中央的线圈架上，相互垂直安装了激振线圈和拾振线圈，能够激励和检测内振筒的振动频率（图2-13）。大气压力使内筒壁表面压力紧张，振筒的固有频率随大气压力增加而增加，测定其频率即可得到大气压力。膜盒式电容气压传感器的感应元件是金属和单晶体真空膜盒，大气压力变化使膜盒弹性膜片产生形变，引起电容量改变，通过测定电容量即可计算大气压力。
图2-12 双阀容栅式雨量传感器
图2-13 振筒式气压传感器的结构图
(9)蒸发信息采集。蒸发传感器由超声波传感器和不锈钢圆筒组成，应用高精度超声波探头，根据超声波测距原理，能够自动测量蒸发筒内水面高度的连续变化，采集器自动计算出每小时和每天的蒸发量，并自动减去同时段内的降水量。测量范围为0～100mm，分辨率为0.1mm，测量准确度为±1.5%。
2．数据通信输出模块
采集处理系统为方便数据处理、数据存储和图形显示，设置了数据通信输出通道，通过RS-232-C串行通信总线（适宜于30m内）和20mA电流环（远距离），将数据送入系统主机，以便对数据做进一步的处理、分析。
3．系统功能扩展模块
为了适应农田气候信息采集、存储、处理的需要，增强单片机系统的功能，系统外扩展了程序存储器、数据存储器、输入／输出口以及定时器／计数器。
