自动气象站风传感器防冻控制电路设计

引 言

　　芬兰等国家的自动气象站风传感器，多采用功率≤4W的加热装置，仅考虑温度指标，在气温≤4℃的天气条件下，由自动气象站自动启动加热装置，对风传感器进行加热，融化雨凇和雾凇对风传感器的冻结，但在我国的试点站运行中，效果并不十分理想，因此，解决风传感器雨雾凇冻害问题，仅考虑气温是不全面的。尹宪志等人对自动气象站风传感器雨雾凇冻害进行了研究，认为风传感器覆冰冻结是温度、湿度、风速等气象条件综合因素的结果，雨雾凇混合积冰出现频率高，对风传感器的冻结时间最长，危害最大，提出严重覆冰的基本条件及特征是温度为-5～0℃，平均风速≤5m/s,空气相对湿度>80%的冻雨或重雾雪天气。根据以上覆冰的临界条件，以气温、平均风速、相对湿度3个实时气象要素指标，作为风传感器冻结、融化的判断依据设计出了针对风传感器的自动加热控制电路，可防止或消除风传感器的冻结，达到自动气象站风传感器防冻保护的目的。

　　1 自动控制系统总体结构

　　风传感器加热自动控制系统的结构如图1所示。主要由参数采样、指令控制、串行通讯接口、ATmega8型单片机、光电隔离驱动电路、加热电路等部分组成。

　　参数采样部分利用自动气象站测量的实时数据，通过自编软件提取自动气象站测量的实时气象要素指标，以温度为-5～0℃，平均风速≤5m/s, 空气相对湿度>80%为临界值，确定指令控制电路是否发送指令。当达到设定标准时，通过通讯接口电路给ATmega8型单片机发出指令，再经过光电隔离驱动电路、控制风传感器防冻加热装置启动或停止工作。

　　采用电阻加热丝为风传感器防冻害元件，安置在风传感器内壳轴承套上方。使用交流36V的安全电压作为加热电压，加热功率约为8.6W，以保证对人体和仪器的安全。当水汽条件不具备凝结时能够停止加热融冻，进而达到节约能源的目的。

　　2 硬件设计

　　2.1 通讯接口电路

　　因为PC机RS232串口采用的是RS232传输协议，它的高低电平分别为-l2V和+12V，与单片机的电平不一致，所以不能将PC机和单片机用电缆直接进行连接，在PC机和单片机之间必须增加一个RS232/TTL电平转换电路，即通信接口电路通常选择专用的RS232接口电平转换集成电路，如MAX232、HIN232等，NIH232和MAX232可以直接互换。这里选用NIH232CP芯片来完成串口接口电路(图2)。

　　2.2 ATmega8单片机控制电路

　　ATmega8型单片机是ATMEL公司推出的一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的高档Flash型单片机。其核心将32个工作寄存器和指令集连接在一起，所有工作寄存器都与ALU(算术逻辑单元)直接相连，实现了1个时钟周期执行1条指令同时访问(读写)2个独立寄存器的操作。这种结构提高了代码效率，使得大部分指令的执行时间仅为1个时钟周期。因此，ATmega8具有接近1 MI/s/MHz的性能，运行速度比普通CISC单片机高10倍。

　　ATmega8型单片机内集成了执行速度为2个时钟周期的硬件乘法器、8KB的Flash程序存储器、512字节的E2PROM、2个具有比较模式的8位定时器、1个具有比较和捕获模式的16位定时器、3路最大精度为16位的PWM输出、8通道10位A/D转换器，PI/TWI同步串口及 USART异步串口。ATmega8片内集成的众多系统级功能单元为控制系统的开发提供了很大便利。设计过程中，尽量通过软件编程简化硬件电路，有效缩短了开发周期。

　　在本系统的应用中，通过软件提取自动气象站测量的气温、平均风速、相对湿度3个实时气象要素指标，确定了冻结、融化的气象要素临界值。当需要给风传感器加热时，通过接口电路给ATmega8单片机发送输出指令，使ATmega8的PC0端(23脚)输出高电平，控制驱动电路使加热装置开始工作;当达到设定时间或不满足冻结条件时，发送一个停止加热指令，使ATmega8的PC0端(23脚)输出低电平，控制驱动电路断开加热装置，使加热电路停止工作。从而达到自动气象站风传感器防冻保护的目的。ATmega8单片机控制电路如图3所示。