自动气象站风传感器防冻控制电路设计.docx

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1、自动气象站风传感器防冻控制电路设计摘要：利用自动气象站实时测量的气温、平均风速、空气相对湿度3个气象要素作为根本参数，确定自动气象站风传感器冻结、融化的气象指标临界值，通过PC机RS232通讯接口和ATmega8型单片机、光电隔离驱动等电路控制风传感器防冻加热装置的自动运行，进而到达自动气象站风传感器防冻保护的目的。关键词：自动气象站；风传感器；防冻；RS232接口；单片机；电路设计 引 言 随着我国大气监测自动化建立工程的全面施行，甘肃省目前已建成自动气象站85个，但其风传感器都未采取防雨凇、雾凇和冰冻冻害的措施，在低温、静风条件下，雨凇、雾凇和结冰冻害经常造成风传感器冻结，不能转动，负气象

2、观测记录缺测。甘肃省的华家岭、乌鞘岭、西峰和全国其它自动气象站，已经出现由于雨凇、雾凇和结冰冻害造成的记录缺测，严重影响自动气象站正常运行。华家岭、西峰20032005年的14次自动气象站风传感器雨雾凇冻结情况中，最长冻结时间39h，雨雾凇混合物积冰最大直径70mm，最大重量352g/m，最小相对湿度93%，冻结开场时的最大风速4.6m/s,最长静风时间6h,从冻结开场到完毕最大降温幅度6.8。所以，解决雨凇、雾凇和冰冻冻害对自动气象站的影响，已成为自动气象观测亟待解决的问题。 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

3、启动加热装置，对风传感器进展加热，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，效果并不特别理想，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展了研究，以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1，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2-3，提出严重覆冰的根本条件及特征是温度为-50，平均风速 5m/s,空气相对湿度80%的冻雨或者重雾雪天气。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、融化的判定根据设计出了针对风传感器的自动加热控制电路，可

4、防止或者消除风传感器的冻结，到达自动气象站风传感器防冻保护的目的。 1 自动控制系统总体构造 风传感器加热自动控制系统的构造如图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、加热电路等局部组成。 参数采样局部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-50，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。当到达设定标准时，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者停顿工作4。 采用电阻加热丝为风防冻害元件，安置在

5、风传感器内壳轴承套上方。使用沟通36V的平安电压作为加热电压，加热功率约为8.6W，以保证对人体和仪器的平安。当水汽条件不具备凝聚时可以停顿加热融冻，进而到达节约能源的目的。 2 硬件设计 2.1 通讯接口电路 由于PC机RS232串口采用的是RS232传输协议，它的上下电平分别为-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展连接，在PC机和单片机之间必须增加一个RS232/TTL电平转换电路，即通讯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5-6。这里选用NIH232CP芯片来完

6、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工艺消费的基于AVR RISC构造的高档Flash型单片机。其核心将32个工作存放器和指令集连接在一起，所有工作存放器都与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个独立存放器的操纵。这种构造进步了代码效率，使得大局部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7。 Tmega8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、5

7、12字节的E2PROM、2个具有比拟形式的8位定时器、1个具有比拟和捕捉形式的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片内集成的诸多系统级功能单元为控制系统的开发提供了很大便利。设计经过中，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场

8、工作；当到达设定时间或者不知足冻结条件时，发送一个停顿加热指令，使ATmega8的PC0端23脚输出低电平，控制驱动电路断开加热装置，使加热电路停顿工作。进而到达自动气象站风传感器防冻保护的目的8 。ATmega8单片机控制电路如图3所示。 2.3 加热驱动电路 ATmega8的I/O口输出负载才能最大为40mA,无法直接驱动大功率设备，必须通过中间驱动电路实现单片机对功率设备工作状态的控制。实际应用中，通常采用继电器或者沟通接触器间接驱动。由于继电器或者沟通接触用具有机械接触特点，因此在很大程度上降低了控制系统整体的稳定性和可靠性sup9 /sup。可控硅是功率开关型半导体器件，能在高电压、

9、电流条件下工作，有无机械接触、大详细积小、便于安装等优点，广泛应用于电力电子设备中。为了防止机械接触开关的缺点，本系统选用以可控硅为主体的完全光电隔离的中间驱动电路。加热驱动电路示意图如图4所示。 当ATmega8的23脚PC0端输出高电平时，通过限流保护电阻器R4的双向光电耦合器上电工作，双向可控硅TRIACI栅极被经过Rsub1/sub、Rsub2/sub和双向光电耦合器的信号触发导通，加热电路得电工作；当ATmega8的23脚PC0端输出低电平时，双向光电耦合器截止，双向可控硅TRIACI栅极无触发信号被关断，加热电路断电停顿工作。 电路中的Rsub3/sub、Csub2/sub组成阻容

10、吸收单元，可减小可控硅关断时加热电路中感性元件所产生的自感电动势对可控硅的过压冲击。Rsub1/sub、Csub1/sub组成低通滤波单元，能降低双向光电耦合器误触发对后续电路的影响。同时，双向光电耦合器的使用彻底隔离了强弱电路，防止了大功率器件对单片机的干扰。 2.4 加热元器件的选用 通过各类加热管、电阻式加热丝、陶瓷发热元器件的加热效果进展反复挑选，对观测数据的影响进展论证试验，最终选用电阻加热丝为风传感器防冻害的加热元件。 3 软件设计 控制程序由数据收集、参数设定、加热控制等局部组成。通过收集程序读取自动气象站自动生成的实时数据文件，提取气温、风速、相对湿度等指标数据10-11，假设

11、到达设定的临界参数时，通过串口给ATmega8发出控制指令，自动启动加热电路工作，待延时一定时间到达设定的加热持续时间或者不知足冻结条件时发出停顿加热指令，断开加热电路，关闭加热状态。也可以使用该软件选择 人工启动 方式，人工控制加热电路的启动与停顿，到达自动气象站风传感器防冻、融冻的目的。 控制程序基于Visual Basic 6.0开发。使用微软公司提供的MsComm控件有效防止了直接调用Win32API造成的编程繁琐等弊端，以较少代码量实现本系统要求的全双工异步通讯12-14。用户可通过该软件任意控制加热电路的运行。软件运行界面如图5所示。 控制程序一般安装在自动气象站监控微机上便于读取

12、实时观测资料。假设安装在其它微机上，那么必须设定实时观测资料的分享途径。假设微机串口不够用，可以使用USB转232接口进展转换，但需安装USB线驱动程序，并在控制程序中正确设定串口的端口号。开发中使用笔记本电脑并安装USB线驱动程序试验运行通过。 4 硬件安装 4.1 加热装置 自动气象站风传感器加热装置选用电阻加热丝为加热元件，安装在传感器内部。优点是：由于对风流场不产生影响，没有机械摩擦影响，对测风光电计数器没有影响。因此，不影响观测数据准确性；电阻加热丝装置具有易换性、易维护性、易维修和价格低廉等特点；加热装置的预期寿命及周期为2a以上，便于自动气象站定期维护。 4.2 加热导线和供电电

13、源 自动气象站风传感器加热装置利用厂家预留的空间位置，导线与自动气象站供电线路走向一样，通过自动气象站风杆内部送到传感器，不影响美观，同时保证能抗雷击和电磁干扰15-17 。 使用变压器将自动气象站供电的220V沟通转换为36V平安电压，作为加热电压，以保证对人体和仪器的平安。电热丝电阻为150 ，加热功率为8.64W。整个电路体积小巧，重量在1000g以下，可以安放在收集器机箱内。 5 运行检验 此加热装置先期在家用电冰箱进展模拟试验，当-18时，经加热元件加热外表温度。保证在5。试验中在传感器外外表安置了温度传感器，进展温度观测，假设40那么自动断电，不会对传感器元件造成热损伤和损害。在试

14、验中未出现40的情况。 为了保证试验的比照性，在2006年10月5日至2020年6月25日进展了 自动气象站雨、雾凇和冰冻防冻害观测试验 。试验传感器有加热装置和业务用传感器没有加热装置均在观测场内，试验传感器架设在电接风铁塔上方，并与业务用风传感器保持一样高度。试验期间，恰逢2020年初全国最严重的低温雨雪冰冻灾难发生，从2月28日至3月16日，业务用自动气象站风传感器未加装防冻装置连续17d冻结，试验用传感器有加热装置未发生一次冻结。 6 结语 目前，国产自动气象站风传感器多采用三杯式风速传感器和长臂单叶风向传感器。在大气的近地面层，气流带有湍流性质，风场构造的湍流性质，导致雨雾凇在风传感

15、器上冻结的不均匀。在全面理解雨凇、雾凇和冰冻形成条件的前提下，分析研究在不同气象条件下的防冻技术，根据严重覆冰的气象条件，确定温控融冻的临界指标。通过挑选各类元件和开发风传感器保护器，确定最正确发热功率，设计出自动气象站风传感器加热控制电路，能有效防御雨凇、雾凇和冰冻冻害对自动气象站风传感器的危害，确保观测资料的准确性和自动气象站正常运行。 自动气象站风传感器加热装置安装在传感器内部，对风流场不产生影响，没有机械摩擦影响，不影响观测数据准确性。加热装置的预期寿命及周期为2a以上，可以随自动气象站检定周期进展检查维护，同时，电阻加热丝装置具有易换性、易维护性、易维修和价格低廉等特点。 参考文献：

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