自動氣象站風傳感器防凍控制電路設計

引 言

　　芬蘭等國家的自動氣象站風傳感器，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，由自動氣象站自動啟動加熱裝置，對風傳感器進行加熱，融化雨凇和霧凇對風傳感器的凍結，但在我國的試點站運行中，效果并不十分理想，因此，解決風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傳感器雨霧凇凍害進行了研究，認為風傳感器覆冰凍結是溫度、濕度、風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，對風傳感器的凍結時間最長，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、平均風速、相對濕度3個實時氣象要素指標，作為風傳感器凍結、融化的判斷依據設計出了針對風傳感器的自動加熱控制電路，可防止或消除風傳感器的凍結，達到自動氣象站風傳感器防凍保護的目的。

　　1 自動控制系統總體結構

　　風傳感器加熱自動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、光電隔離驅動電路、加熱電路等部分組成。

　　參數采樣部分利用自動氣象站測量的實時數據，通過自編軟件提取自動氣象站測量的實時氣象要素指標，以溫度為-5～0℃，平均風速≤5m/s, 空氣相對濕度>80%為臨界值，確定指令控制電路是否發送指令。當達到設定標準時，通過通訊接口電路給ATmega8型單片機發出指令，再經過光電隔離驅動電路、控制風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傳感器防凍害元件，安置在風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能夠停止加熱融凍，進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行連接，在PC機和單片機之間必須增加一個RS232/TTL電平轉換電路，即通信接口電路通常選擇專用的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工藝生產的基于AVR RISC結構的高檔Flash型單片機。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(算術邏輯單元)直接相連，實現了1個時鐘周期執行1條指令同時訪問(讀寫)2個獨立寄存器的操作。這種結構提高了代碼效率，使得大部分指令的執行時間僅為1個時鐘周期。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個時鐘周期的硬件乘法器、8KB的Flash程序存儲器、512字節的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發提供了很大便利。設計過程中，盡量通過軟件編程簡化硬件電路，有效縮短了開發周期。

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