自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器防凍控制電路設計

　　ATmega8的I/O口輸出負載能力最大為40mA,無(wú)法直接驅動(dòng)大功率設備，必須通過(guò)中間驅動(dòng)電路實(shí)現單片機對功率設備工作狀態(tài)的控制。實(shí)際應用中，通常采用繼電器或交流接觸器間接驅動(dòng)。由于繼電器或交流接觸器具有機械接觸特點(diǎn)，因而在很大程度上降低了控制系統整體的穩定性和可靠性?？煽毓枋枪β书_(kāi)關(guān)型半導體器件，能在高電壓、電流條件下工作，有無(wú)機械接觸、大具體積小、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于電力電子設備中。為了避免機械接觸開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)，本系統選用以可控硅為主體的完全光電隔離的中間驅動(dòng)電路。加熱驅動(dòng)電路示意圖如圖4所示。

　　當ATmega8的23腳(PC0端)輸出高電平時(shí)，通過(guò)限流保護電阻器R4的雙向光電耦合器上電工作，雙向可控硅TRIACI柵極被經(jīng)由R1、R2和雙向光電耦合器的信號觸發(fā)導通，加熱電路得電工作;當ATmega8的23腳(PC0端)輸出低電平時(shí)，雙向光電耦合器截止，雙向可控硅TRIACI柵極無(wú)觸發(fā)信號被關(guān)斷，加熱電路斷電停止工作。

　　電路中的R3、C2組成阻容吸收單元，可減小可控硅關(guān)斷時(shí)加熱電路中感性元件所產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢對可控硅的過(guò)壓沖擊。R1、C1組成低通濾波單元，能降低雙向光電耦合器誤觸發(fā)對后續電路的影響。同時(shí)，雙向光電耦合器的使用徹底隔離了強弱電路，避免了大功率器件對單片機的干擾。

　　2.4 加熱元器件的選用

　　通過(guò)各類(lèi)加熱管、電阻式加熱絲、陶瓷發(fā)熱元器件的加熱效果進(jìn)行反復篩選，對觀(guān)測數據的影響進(jìn)行論證試驗，最終選用電阻加熱絲為風(fēng)傳感器防凍害的加熱元件。

　　3 軟件設計

　　控制程序由數據采集、參數設定、加熱控制等部分組成。通過(guò)采集程序讀取自動(dòng)氣象站自動(dòng)生成的實(shí)時(shí)數據文件，提取氣溫、風(fēng)速、相對濕度等指標數據，若達到設定的臨界參數時(shí)，通過(guò)串口給ATmega8發(fā)出控制指令，自動(dòng)啟動(dòng)加熱電路工作，待延時(shí)一定時(shí)間(達到設定的加熱持續時(shí)間或不滿(mǎn)足凍結條件時(shí))發(fā)出停止加熱指令，斷開(kāi)加熱電路，關(guān)閉加熱狀態(tài)。也可以使用該軟件選擇“人工啟動(dòng)”方式，人工控制加熱電路的啟動(dòng)與停止，達到自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器防凍、融凍的目的。

　　控制程序基于Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)。使用微軟公司提供的MsComm控件有效避免了直接調用Win32API造成的編程繁瑣等弊端，以較少代碼量實(shí)現本系統要求的全雙工異步通信。用戶(hù)可通過(guò)該軟件任意控制加熱電路的運行。軟件運行界面如圖5所示。

　　控制程序一般安裝在自動(dòng)氣象站監控微機上便于讀取實(shí)時(shí)觀(guān)測資料。若安裝在其它微機上，則必須設定實(shí)時(shí)觀(guān)測資料的共享路徑。若微機串口不夠用，可以使用USB轉232 接口進(jìn)行轉換，但需安裝USB線(xiàn)驅動(dòng)程序，并在控制程序中正確設定串口的端口號。開(kāi)發(fā)中使用筆記本電腦并安裝USB線(xiàn)驅動(dòng)程序試驗運行通過(guò)。

　　4 硬件安裝

　　4.1 加熱裝置

　　自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器加熱裝置選用電阻加熱絲為加熱元件，安裝在傳感器內部。優(yōu)點(diǎn)是：①由于對風(fēng)流場(chǎng)不產(chǎn)生影響，沒(méi)有機械摩擦影響，對測風(fēng)光電計數器沒(méi)有影響。因此，不影響觀(guān)測數據準確性;②電阻加熱絲裝置具有易換性、易維護性、易維修和價(jià)格低廉等特點(diǎn);③加熱裝置的預期壽命及周期為2a以上，便于自動(dòng)氣象站定期維護。

　　4.2 加熱導線(xiàn)和供電電源

　　自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器加熱裝置利用廠(chǎng)家預留的空間位置，導線(xiàn)與自動(dòng)氣象站供電線(xiàn)路走向相同，通過(guò)自動(dòng)氣象站風(fēng)桿內部送到傳感器，不影響美觀(guān)，同時(shí)保證能抗雷擊和電磁干擾。

　　使用交流電源變壓器將自動(dòng)氣象站供電的220V交流轉換為36V(安全電壓)，作為加熱電壓，以保證對人體和儀器的安全。電熱絲電阻為150Ω，加熱功率為8.64W。整個(gè)電路體積小巧，重量在1000g以下，可以安放在采集器機箱內。