便携式带通太阳光度计的系统设计

论文摘要

太阳辐射是地球主要的能量来源,决定了全球的气候状况,它在空间和时间上的分配细节对气象、水文、农业等有很大的影响。太阳光度计是测量太阳辐射的重要仪器,通过测量太阳直接辐射可以得到各个波长的大气光学厚度,了解大气中气溶胶粒子的平均尺寸谱,从而可以计算出水汽、臭氧以及氮氧化物等气体分子在大气中的总含量,反演出气溶胶粒子谱和光学特性等参数。太阳光度计广泛应用于大气光学和气象研究等领域,特别是对诸如生物科学、环境科学、材料科学等学科研究提供了测量手段。论文分析了太阳辐射测量的基本原理及方法和太阳光度计的发展状况,在调研国内外现有测量太阳辐射仪器的基础上,设计了一台便携式窄带通智能太阳光度计。论文首先阐述太阳辐射的基本特征以及相关天文参数,分析太阳光度计的工作原理,并对白昼时间地表面接收到的直接太阳辐射进行模拟计算,对仪器光学设计进行系统仿真,最终完成光学系统方案及优化设计。智能电路设计采用89S52单片机为核心,主要包括模数转换、液晶显示、实时时钟、键盘输入、存储以及通信等。文中各个模块分别进行了硬件和软件两方面的设计,使用Keil C51语言编写相关程序,在Proteus软件上模拟成功后进行实验调试。讨论了仪器标定的方法,构建一套太阳光度计的实验系统,观测西安地区一天内的太阳直接辐射变化曲线,实验验证结果与实际情况吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 太阳辐射测量仪器的发展状况
• 1.3 本课题设计内容
• 2 太阳光度计的工作原理
• 2.1 太阳辐射的基本特征
• 2.1.1 大气上界的太阳辐射
• 2.1.2 地面接收到的太阳辐射
• 2.2 太阳直接辐射
• 2.2.1 太阳的高度和方位
• 2.2.2 太阳直接辐射的影响因素
• 2.3 太阳光度计的测量原理
• 2.4 地面直接太阳辐射的计算
• 2.5 本章小结
• 3 太阳光度计的光学系统设计
• 3.1 探测器件要求及规格
• 3.2 光筒内径的设计
• 3.3 光学透镜的技术要求
• 3.4 光阑孔径的设计
• 3.5 滤光片分光设计
• 3.6 光学零件的安装固定
• 3.7 本章小结
• 4 太阳光度计的电路系统设计
• 4.1 流压转换电路的设计
• 4.2 模数转换模块设计
• 4.2.1 转换器件ADC0809简介
• 4.2.2 模数转换电路设计
• 4.3 液晶显示及键盘模块的设计
• 4.3.1 液晶器件LCD1602简介
• 4.3.2 液晶显示及键盘电路设计
• 4.4 时钟模块设计
• 4.4.1 时钟芯片DS1302简介
• 4.4.2 时钟电路设计
• 4.5 存储及通信模块设计
• 4.5.1 24C64存储芯片和RS-232C接口简介
• 4.5.2 存储及通信电路设计
• 4.6 输入参数处理及仪器标定
• 4.6.1 太阳时角和赤纬的计算
• 4.6.2 仪器标定方法的探讨
• 4.7 本章小结
• 5 实验和数据分析
• 5.1 系统搭建及实验
• 5.2 数据分析
• 5.3 实验中出现的问题及其解决
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1:液晶及键扫描模块程序
• 附录2:时钟模块程序
• 附录3:存储模块程序