自動氣象站風(fēng)傳感器防凍控制電路設(shè)計

引 言

　　芬蘭等國家的自動氣象站風(fēng)傳感器，多采用功率≤4W的加熱裝置，僅考慮溫度指標(biāo)，在氣溫≤4℃的天氣條件下，由自動氣象站自動啟動加熱裝置，對風(fēng)傳感器進(jìn)行加熱，融化雨凇和霧凇對風(fēng)傳感器的凍結(jié)，但在我國的試點(diǎn)站運(yùn)行中，效果并不十分理想，因此，解決風(fēng)傳感器雨霧凇凍害問題，僅考慮氣溫是不全面的。尹憲志等人對自動氣象站風(fēng)傳感器雨霧凇凍害進(jìn)行了研究，認(rèn)為風(fēng)傳感器覆冰凍結(jié)是溫度、濕度、風(fēng)速等氣象條件綜合因素的結(jié)果，雨霧凇混合積冰出現(xiàn)頻率高，對風(fēng)傳感器的凍結(jié)時間最長，危害最大，提出嚴(yán)重覆冰的基本條件及特征是溫度為-5～0℃，平均風(fēng)速≤5m/s,空氣相對濕度>80%的凍雨或重霧雪天氣。根據(jù)以上覆冰的臨界條件，以氣溫、平均風(fēng)速、相對濕度3個實時氣象要素指標(biāo)，作為風(fēng)傳感器凍結(jié)、融化的判斷依據(jù)設(shè)計出了針對風(fēng)傳感器的自動加熱控制電路，可防止或消除風(fēng)傳感器的凍結(jié)，達(dá)到自動氣象站風(fēng)傳感器防凍保護(hù)的目的。

　　1 自動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　風(fēng)傳感器加熱自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由參數(shù)采樣、指令控制、串行通訊接口、ATmega8型單片機(jī)、光電隔離驅(qū)動電路、加熱電路等部分組成。

　　參數(shù)采樣部分利用自動氣象站測量的實時數(shù)據(jù)，通過自編軟件提取自動氣象站測量的實時氣象要素指標(biāo)，以溫度為-5～0℃，平均風(fēng)速≤5m/s, 空氣相對濕度>80%為臨界值，確定指令控制電路是否發(fā)送指令。當(dāng)達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時，通過通訊接口電路給ATmega8型單片機(jī)發(fā)出指令，再經(jīng)過光電隔離驅(qū)動電路、控制風(fēng)傳感器防凍加熱裝置啟動或停止工作。

　　采用電阻加熱絲為風(fēng)傳感器防凍害元件，安置在風(fēng)傳感器內(nèi)殼軸承套上方。使用交流36V的安全電壓作為加熱電壓，加熱功率約為8.6W，以保證對人體和儀器的安全。當(dāng)水汽條件不具備凝結(jié)時能夠停止加熱融凍，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約能源的目的。

　　2 硬件設(shè)計

　　2.1 通訊接口電路

　　因為PC機(jī)RS232串口采用的是RS232傳輸協(xié)議，它的高低電平分別為-l2V和+12V，與單片機(jī)的電平不一致，所以不能將PC機(jī)和單片機(jī)用電纜直接進(jìn)行連接，在PC機(jī)和單片機(jī)之間必須增加一個RS232/TTL電平轉(zhuǎn)換電路，即通信接口電路通常選擇專用的RS232接口電平轉(zhuǎn)換集成電路，如MAX232、HIN232等，NIH232和MAX232可以直接互換。這里選用NIH232CP芯片來完成串口接口電路(圖2)。

　　2.2 ATmega8單片機(jī)控制電路

　　ATmega8型單片機(jī)是ATMEL公司推出的一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的高檔Flash型單片機(jī)。其核心將32個工作寄存器和指令集連接在一起，所有工作寄存器都與ALU(算術(shù)邏輯單元)直接相連，實現(xiàn)了1個時鐘周期執(zhí)行1條指令同時訪問(讀寫)2個獨(dú)立寄存器的操作。這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時間僅為1個時鐘周期。因此，ATmega8具有接近1 MI/s/MHz的性能，運(yùn)行速度比普通CISC單片機(jī)高10倍。

　　ATmega8型單片機(jī)內(nèi)集成了執(zhí)行速度為2個時鐘周期的硬件乘法器、8KB的Flash程序存儲器、512字節(jié)的E2PROM、2個具有比較模式的8位定時器、1個具有比較和捕獲模式的16位定時器、3路最大精度為16位的PWM輸出、8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，PI/TWI同步串口及 USART異步串口。ATmega8片內(nèi)集成的眾多系統(tǒng)級功能單元為控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了很大便利。設(shè)計過程中，盡量通過軟件編程簡化硬件電路，有效縮短了開發(fā)周期。

　　在本系統(tǒng)的應(yīng)用中，通過軟件提取自動氣象站測量的氣溫、平均風(fēng)速、相對濕度3個實時氣象要素指標(biāo)，確定了凍結(jié)、融化的氣象要素臨界值。當(dāng)需要給風(fēng)傳感器加熱時，通過接口電路給ATmega8單片機(jī)發(fā)送輸出指令，使ATmega8的PC0端(23腳)輸出高電平，控制驅(qū)動電路使加熱裝置開始工作;當(dāng)達(dá)到設(shè)定時間或不滿足凍結(jié)條件時，發(fā)送一個停止加熱指令，使ATmega8的PC0端(23腳)輸出低電平，控制驅(qū)動電路斷開加熱裝置，使加熱電路停止工作。從而達(dá)到自動氣象站風(fēng)傳感器防凍保護(hù)的目的。ATmega8單片機(jī)控制電路如圖3所示。