自動氣象站風(fēng)傳感器防凍控制電路設(shè)計

引  言

      隨著我國大氣監(jiān)測自動化建設(shè)項目的全面實施，甘肅省目前已建成自動氣象站85個，但其風(fēng)傳感器都未采取防雨凇、霧凇和冰凍凍害的措施，在低溫、靜風(fēng)條件下，雨凇、霧凇和結(jié)冰凍害經(jīng)常造成風(fēng)傳感器凍結(jié)，不能轉(zhuǎn)動，使氣象觀測記錄缺測。甘肅省的華家?guī)X、烏鞘嶺、西峰和全國其它自動氣象站，已經(jīng)出現(xiàn)因為雨凇、霧凇和結(jié)冰凍害造成的記錄缺測，嚴(yán)重影響自動氣象站正常運行。華家?guī)X、西峰2003－2005年的14次自動氣象站風(fēng)傳感器雨霧凇凍結(jié)情況中，最長凍結(jié)時間39h，雨霧凇混合物積冰最大直徑70mm，最大重量352g/m，最小相對濕度93%，凍結(jié)開始時的最大風(fēng)速4.6m/s,最長靜風(fēng)時間6h,從凍結(jié)開始到結(jié)束最大降溫幅度6.8℃。所以，解決雨凇、霧凇和冰凍凍害對自動氣象站的影響，已成為自動氣象觀測亟待解決的問題。

      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[1] ，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[2-3] ，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)，達到自動氣象站風(fēng)傳感器防凍保護的目的。

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、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)達到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時，通過通訊接口電路給ATmega8型單片機發(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[4] 。

      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，進而達到節(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行連接，在PC機和單片機之間必須增加一個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[5-6] 。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(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)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(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，運行速度比普通CISC單片機高10倍[7] 。

      ATmega8型單片機內(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。從而達到自動氣象站風(fēng)傳感器防凍保護的目的[8] 。ATmega8單片機控制電路如圖3所示。

2.3  加熱驅(qū)動電路

      ATmega8的I/O口輸出負(fù)載能力最大為40mA,無法直接驅(qū)動大功率設(shè)備，必須通過中間驅(qū)動電路實現(xiàn)單片機對功率設(shè)備工作狀態(tài)的控制。實際應(yīng)用中，通常采用繼電器或交流接觸器間接驅(qū)動。由于繼電器或交流接觸器具有機械接觸特點，因而在很大程度上降低了控制系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性[9] ?？煽毓枋枪β书_關(guān)型半導(dǎo)體器件，能在高電壓、電流條件下工作，有無機械接觸、大具體積小、便于安裝等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電力電子設(shè)備中。為了避免機械接觸開關(guān)的缺點，本系統(tǒng)選用以可控硅為主體的完全光電隔離的中間驅(qū)動電路。加熱驅(qū)動電路示意圖如圖4所示。

當(dāng)ATmega8的23腳（PC0端）輸出高電平時，通過限流保護電阻器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(dǎo)通，加熱電路得電工作；當(dāng)ATmega8的23腳（PC0端）輸出低電平時，雙向光電耦合器截止，雙向可控硅TRIACI柵極無觸發(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)斷時加熱電路中感性元件所產(chǎn)生的自感電動勢對可控硅的過壓沖擊。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(xù)電路的影響。同時，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

      通過各類加熱管、電阻式加熱絲、陶瓷發(fā)熱元器件的加熱效果進行反復(fù)篩選，對觀測數(shù)據(jù)的影響進行論證試驗，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(shè)計

      控制程序由數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)定、加熱控制等部分組成。通過采集程序讀取自動氣象站自動生成的實時數(shù)據(jù)文件，提取氣溫、風(fēng)速、相對濕度等指標(biāo)數(shù)據(jù)[10-11] ，若達到設(shè)定的臨界參數(shù)時，通過串口給ATmega8發(fā)出控制指令，自動啟動加熱電路工作，待延時一定時間（達到設(shè)定的加熱持續(xù)時間或不滿足凍結(jié)條件時）發(fā)出停止加熱指令，斷開加熱電路，關(guān)閉加熱狀態(tài)。也可以使用該軟件選擇“人工啟動”方式，人工控制加熱電路的啟動與停止，達到自動氣象站風(fēng)傳感器防凍、融凍的目的。

      控制程序基于Visual Basic 6.0開發(fā)。使用微軟公司提供的MsComm控件有效避免了直接調(diào)用Win32API造成的編程繁瑣等弊端，以較少代碼量實現(xiàn)本系統(tǒng)要求的全雙工異步通信[12-14] 。用戶可通過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氣象站監(jiān)控微機上便于讀取實時觀測資料。若安裝在其它微機上，則必須設(shè)定實時觀測資料的共享路徑。若微機串口不夠用，可以使用USB轉(zhuǎn)232接口進行轉(zhuǎn)換，但需安裝USB線驅(qū)動程序，并在控制程序中正確設(shè)定串口的端口號。開發(fā)中使用筆記本電腦并安裝USB線驅(qū)動程序試驗運行通過。

4  硬件安裝

4.1  加熱裝置

      自動氣象站風(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(nèi)部。優(yōu)點是：①由于對風(fēng)流場不產(chǎn)生影響，沒有機械摩擦影響，對測風(fēng)光電計數(shù)器沒有影響。因此，不影響觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；②電阻加熱絲裝置具有易換性、易維護性、易維修和價格低廉等特點；③加熱裝置的預(yù)期壽命及周期為2a以上，便于自動氣象站定期維護。

4.2  加熱導(dǎo)線和供電電源

      自動氣象站風(fēng)傳感器加熱裝置利用廠家預(yù)留的空間位置，導(dǎo)線與自動氣象站供電線路走向相同，通過自動氣象站風(fēng)桿內(nèi)部送到傳感器，不影響美觀，同時保證能抗雷擊和電磁干擾[15-17] 。

      使用交流電源變壓器將自動氣象站供電的220V交流轉(zhuǎn)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。整個電路體積小巧，重量在1000g以下，可以安放在采集器機箱內(nèi)。

5  運行檢驗

      此加熱裝置先期在家用電冰箱進行模擬試驗，當(dāng)-18℃時，經(jīng)加熱元件加熱表面溫度。保證在5℃。試驗中在傳感器外表面安置了溫度傳感器，進行溫度觀測，若＞40℃則自動斷電，不會對傳感器元件造成熱損傷和損害。在試驗中未出現(xiàn)＞40℃的情況。
      為了保證試驗的對比性，在2006年10月5日至2008年6月25日進行了“自動氣象站雨、霧凇和冰凍防凍害觀測試驗”。試驗傳感器（有加熱裝置）和業(yè)務(wù)用傳感器（沒有加熱裝置）均在觀測場內(nèi)，試驗傳感器架設(shè)在電接風(fēng)鐵塔上方，并與業(yè)務(wù)用風(fēng)傳感器保持相同高度。試驗期間，恰逢2008年初全國最嚴(yán)重的低溫雨雪冰凍災(zāi)害發(fā)生，從2月28日至3月16日，業(yè)務(wù)用自動氣象站風(fēng)傳感器（未加裝防凍裝置）連續(xù)17d凍結(jié)，試驗用傳感器（有加熱裝置）未發(fā)生一次凍結(jié)。

6  結(jié)語

      目前，國產(chǎn)自動氣象站風(fēng)傳感器多采用三杯式風(fēng)速傳感器和長臂單葉風(fēng)向傳感器。在大氣的近地面層，氣流帶有湍流性質(zhì)，風(fēng)場結(jié)構(gòu)的湍流性質(zhì)，導(dǎo)致雨霧凇在風(fēng)傳感器上凍結(jié)的不均勻。在全面了解雨凇、霧凇和冰凍形成條件的前提下，分析研究在不同氣象條件下的防凍技術(shù)，根據(jù)嚴(yán)重覆冰的氣象條件，確定溫控融凍的臨界指標(biāo)。通過篩選各類元件和開發(fā)風(fēng)傳感器保護器，確定最佳發(fā)熱功率，設(shè)計出自動氣象站風(fēng)傳感器加熱控制電路，能有效防御雨凇、霧凇和冰凍凍害對自動氣象站風(fēng)傳感器的危害，確保觀測資料的準(zhǔn)確性和自動氣象站正常運行。

      自動氣象站風(fēng)傳感器加熱裝置安裝在傳感器內(nèi)部，對風(fēng)流場不產(chǎn)生影響，沒有機械摩擦影響，不影響觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。加熱裝置的預(yù)期壽命及周期為2a以上，可以隨自動氣象站檢定周期進行檢查維護，同時，電阻加熱絲裝置具有易換性、易維護性、易維修和價格低廉等特點。