自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器防凍控制電路設計

引 言

　　芬蘭等國家的自動(dòng)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，在氣溫≤4℃的天氣條件下，由自動(dòng)氣象站自動(dòng)啟動(dòng)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，但在我國的試點(diǎn)站運行中，效果并不十分理想，因此，解決風(fēng)傳感器雨霧凇凍害問(wèn)題，僅考慮氣溫是不全面的。尹憲志等人對自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器雨霧凇凍害進(jìn)行了研究，認為風(fēng)傳感器覆冰凍結是溫度、濕度、風(fēng)速等氣象條件綜合因素的結果，雨霧凇混合積冰出現頻率高，對風(fēng)傳感器的凍結時(shí)間最長(cháng)，危害最大，提出嚴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。根據以上覆冰的臨界條件，以氣溫、平均風(fēng)速、相對濕度3個(gè)實(shí)時(shí)氣象要素指標，作為風(fēng)傳感器凍結、融化的判斷依據設計出了針對風(fēng)傳感器的自動(dòng)加熱控制電路，可防止或消除風(fēng)傳感器的凍結，達到自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器防凍保護的目的。

　　1 自動(dòng)控制系統總體結構

　　風(fēng)傳感器加熱自動(dòng)控制系統的結構如圖1所示。主要由參數采樣、指令控制、串行通訊接口、ATmega8型單片機、光電隔離驅動(dòng)電路、加熱電路等部分組成。

　　參數采樣部分利用自動(dòng)氣象站測量的實(shí)時(shí)數據，通過(guò)自編軟件提取自動(dòng)氣象站測量的實(shí)時(shí)氣象要素指標，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。當達到設定標準時(shí)，通過(guò)通訊接口電路給ATmega8型單片機發(fā)出指令，再經(jīng)過(guò)光電隔離驅動(dòng)電路、控制風(fēng)傳感器防凍加熱裝置啟動(dòng)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。當水汽條件不具備凝結時(shí)能夠停止加熱融凍，進(jìn)而達到節約能源的目的。

　　2 硬件設計

　　2.1 通訊接口電路

　　因為PC機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，與單片機的電平不一致，所以不能將PC機和單片機用電纜直接進(jìn)行連接，在PC機和單片機之間必須增加一個(gè)RS232/TTL電平轉換電路，即通信接口電路通常選擇專(zhuān)用的RS232接口電平轉換集成電路，如MAX232、HIN232等，NIH232和MAX232可以直接互換。這里選用NIH232CP芯片來(lái)完成串口接口電路(圖2)。

　　2.2 ATmega8單片機控制電路

　　ATmega8型單片機是ATMEL公司推出的一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于A(yíng)VR RISC結構的高檔Flash型單片機。其核心將32個(gè)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(shí)現了1個(gè)時(shí)鐘周期執行1條指令同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)(讀寫(xiě))2個(gè)獨立寄存器的操作。這種結構提高了代碼效率，使得大部分指令的執行時(shí)間僅為1個(gè)時(shí)鐘周期。因此，ATmega8具有接近1 MI/s/MHz的性能，運行速度比普通CISC單片機高10倍。

　　ATmega8型單片機內集成了執行速度為2個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器、8KB的Flash程序存儲器、512字節的E2PROM、2個(gè)具有比較模式的8位定時(shí)器、1個(gè)具有比較和捕獲模式的16位定時(shí)器、3路最大精度為16位的PWM輸出、8通道10位A/D轉換器，PI/TWI同步串口及 USART異步串口。ATmega8片內集成的眾多系統級功能單元為控制系統的開(kāi)發(fā)提供了很大便利。設計過(guò)程中，盡量通過(guò)軟件編程簡(jiǎn)化硬件電路，有效縮短了開(kāi)發(fā)周期。

　　在本系統的應用中，通過(guò)軟件提取自動(dòng)氣象站測量的氣溫、平均風(fēng)速、相對濕度3個(gè)實(shí)時(shí)氣象要素指標，確定了凍結、融化的氣象要素臨界值。當需要給風(fēng)傳感器加熱時(shí)，通過(guò)接口電路給ATmega8單片機發(fā)送輸出指令，使ATmega8的PC0端(23腳)輸出高電平，控制驅動(dòng)電路使加熱裝置開(kāi)始工作;當達到設定時(shí)間或不滿(mǎn)足凍結條件時(shí)，發(fā)送一個(gè)停止加熱指令，使ATmega8的PC0端(23腳)輸出低電平，控制驅動(dòng)電路斷開(kāi)加熱裝置，使加熱電路停止工作。從而達到自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器防凍保護的目的。ATmega8單片機控制電路如圖3所示。