引 言

芬蘭等國(guó)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(biāo),，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(duì)風(fēng)傳感器進(jìn)行加熱,，融化雨凇和霧凇對(duì)風(fēng)傳感器的凍結(jié)，但在我國(guó)的試點(diǎn)站運(yùn)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(duì)自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器雨霧凇凍害進(jìn)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,，雨霧凇混合積冰出現(xiàn)頻率高，對(duì)風(fēng)傳感器的凍結(jié)時(shí)間最長(zhǎng),，危害最大,，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(duì)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(duì)濕度3個(gè)實(shí)時(shí)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(jì)出了針對(duì)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(jié),，達(dá)到自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器防凍保護(hù)的目的。

1 自動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

風(fēng)傳感器加熱自動(dòng)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(jī),、光電隔離驅(qū)動(dòng)電路、加熱電路等部分組成,。

參數(shù)采樣部分利用自動(dòng)氣象站測(cè)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),，通過(guò)自編軟件提取自動(dòng)氣象站測(cè)量的實(shí)時(shí)氣象要素指標(biāo)，以溫度為-5～0℃,，平均風(fēng)速≤5m/s, 空氣相對(duì)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(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí),，通過(guò)通訊接口電路給ATmega8型單片機(jī)發(fā)出指令,，再經(jīng)過(guò)光電隔離驅(qū)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(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(duì)人體和儀器的安全。當(dāng)水汽條件不具備凝結(jié)時(shí)能夠停止加熱融凍,，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約能源的目的,。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 通訊接口電路

因?yàn)镻C機(jī)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(jī)的電平不一致,，所以不能將PC機(jī)和單片機(jī)用電纜直接進(jìn)行連接，在PC機(jī)和單片機(jī)之間必須增加一個(gè)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,。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(jī)控制電路

ATmega8型單片機(jī)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(jī),。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(xiàn)了1個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行1條指令同時(shí)訪問(wèn)(讀寫(xiě))2個(gè)獨(dú)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(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(yùn)行速度比普通CISC單片機(jī)高10倍。

ATmega8型單片機(jī)內(nèi)集成了執(zhí)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(chǔ)器,、512字節(jié)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(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(jí)功能單元為控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了很大便利。設(shè)計(jì)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(tǒng)的應(yīng)用中,，通過(guò)軟件提取自動(dòng)氣象站測(cè)量的氣溫,、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度3個(gè)實(shí)時(shí)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(shí),，通過(guò)接口電路給ATmega8單片機(jī)發(fā)送輸出指令,，使ATmega8的PC0端(23腳)輸出高電平,，控制驅(qū)動(dòng)電路使加熱裝置開(kāi)始工作;當(dāng)達(dá)到設(shè)定時(shí)間或不滿足凍結(jié)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(qū)動(dòng)電路斷開(kāi)加熱裝置，使加熱電路停止工作,。從而達(dá)到自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器防凍保護(hù)的目的,。ATmega8單片機(jī)控制電路如圖3所示。

2.3 加熱驅(qū)動(dòng)電路

ATmega8的I/O口輸出負(fù)載能力最大為40mA,無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)大功率設(shè)備,，必須通過(guò)中間驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)功率設(shè)備工作狀態(tài)的控制,。實(shí)際應(yīng)用中，通常采用繼電器或交流接觸器間接驅(qū)動(dòng),。由于繼電器或交流接觸器具有機(jī)械接觸特點(diǎn),，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?？煽毓枋枪β书_(kāi)關(guān)型半導(dǎo)體器件,，能在高電壓、電流條件下工作,，有無(wú)機(jī)械接觸,、大具體積小、便于安裝等優(yōu)點(diǎn),，廣泛應(yīng)用于電力電子設(shè)備中,。為了避免機(jī)械接觸開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)，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(dòng)電路,。加熱驅(qū)動(dòng)電路示意圖如圖4所示,。

當(dāng)ATmega8的23腳(PC0端)輸出高電平時(shí)，通過(guò)限流保護(hù)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(hào)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(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(hào)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(shì)對(duì)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(duì)后續(xù)電路的影響,。同時(shí),，雙向光電耦合器的使用徹底隔離了強(qiáng)弱電路,，避免了大功率器件對(duì)單片機(jī)的干擾。

2.4 加熱元器件的選用

通過(guò)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(jìn)行反復(fù)篩選，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響進(jìn)行論證試驗(yàn),，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(jì)

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(guò)采集程序讀取自動(dòng)氣象站自動(dòng)生成的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件,，提取氣溫,、風(fēng)速、相對(duì)濕度等指標(biāo)數(shù)據(jù),，若達(dá)到設(shè)定的臨界參數(shù)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(dá)到設(shè)定的加熱持續(xù)時(shí)間或不滿足凍結(jié)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(dá)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(diào)用Win32API造成的編程繁瑣等弊端,，以較少代碼量實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)要求的全雙工異步通信,。用戶可通過(guò)該軟件任意控制加熱電路的運(yùn)行。軟件運(yùn)行界面如圖5所示,。

控制程序一般安裝在自動(dòng)氣象站監(jiān)控微機(jī)上便于讀取實(shí)時(shí)觀測(cè)資料,。若安裝在其它微機(jī)上，則必須設(shè)定實(shí)時(shí)觀測(cè)資料的共享路徑,。若微機(jī)串口不夠用,，可以使用USB轉(zhuǎn)232 接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但需安裝USB線驅(qū)動(dòng)程序,，并在控制程序中正確設(shè)定串口的端口號(hào),。開(kāi)發(fā)中使用筆記本電腦并安裝USB線驅(qū)動(dòng)程序試驗(yàn)運(yùn)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(nèi)部,。優(yōu)點(diǎn)是：①由于對(duì)風(fēng)流場(chǎng)不產(chǎn)生影響,，沒(méi)有機(jī)械摩擦影響，對(duì)測(cè)風(fēng)光電計(jì)數(shù)器沒(méi)有影響,。因此,，不影響觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性;②電阻加熱絲裝置具有易換性、易維護(hù)性,、易維修和價(jià)格低廉等特點(diǎn);③加熱裝置的預(yù)期壽命及周期為2a以上,，便于自動(dòng)氣象站定期維護(hù)。

4.2 加熱導(dǎo)線和供電電源

自動(dòng)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(dòng)氣象站供電線路走向相同,，通過(guò)自動(dòng)氣象站風(fēng)桿內(nèi)部送到傳感器，不影響美觀,，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(zhuǎn)換為36V(安全電壓)，作為加熱電壓,，以保證對(duì)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(jī)箱內(nèi),。