摘要：利用自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)測(cè)量的氣溫、平均風(fēng)速、空氣相對(duì)濕度3個(gè)氣象要素作為基本參數(shù)，確定自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器凍結(jié)、融化的氣象指標(biāo)臨界值，通過(guò)PC機(jī)RS232通訊接口和ATmega8型單片機(jī)、光電隔離驅(qū)動(dòng)等電路控制風(fēng)傳感器防凍加熱裝置的自動(dòng)運(yùn)行，從而達(dá)到自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器防凍保護(hù)的目的。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)氣象站；風(fēng)傳感器；防凍；RS232接口；單片機(jī)；電路設(shè)計(jì)
引 言
隨著我國(guó)大氣監(jiān)測(cè)自動(dòng)化建設(shè)項(xiàng)目的全面實(shí)施，甘肅省目前已建成自動(dòng)氣象站85個(gè)，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(dòng)，使氣象觀測(cè)記錄缺測(cè)。甘肅省的華家?guī)X、烏鞘嶺、西峰和全國(guó)其它自動(dòng)氣象站，已經(jīng)出現(xiàn)因?yàn)橛贲?、霧凇和結(jié)冰凍害造成的記錄缺測(cè)，嚴(yán)重影響自動(dòng)氣象站正常運(yùn)行。華家?guī)X、西峰2003－2005年的14次自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器雨霧凇凍結(jié)情況中，最長(zhǎng)凍結(jié)時(shí)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(duì)濕度93%，凍結(jié)開始時(shí)的最大風(fēng)速4.6m/s,最長(zhǎng)靜風(fēng)時(shí)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(duì)自動(dòng)氣象站的影響，已成為自動(dòng)氣象觀測(cè)亟待解決的問(wèn)題。
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[1] ，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[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(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[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(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[5-6] 。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）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[7] 。
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[8] 。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[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(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)[10-11] ，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[12-14] 。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[15-17] 。
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)。
5 運(yùn)行檢驗(yàn)
此加熱裝置先期在家用電冰箱進(jìn)行模擬試驗(yàn)，當(dāng)-18℃時(shí)，經(jīng)加熱元件加熱表面溫度。保證在5℃。試驗(yàn)中在傳感器外表面安置了溫度傳感器，進(jìn)行溫度觀測(cè)，若＞40℃則自動(dòng)斷電，不會(huì)對(duì)傳感器元件造成熱損傷和損害。在試驗(yàn)中未出現(xiàn)＞40℃的情況。
為了保證試驗(yàn)的對(duì)比性，在2006年10月5日至2008年6月25日進(jìn)行了“自動(dòng)氣象站雨、霧凇和冰凍防凍害觀測(cè)試驗(yàn)”。試驗(yàn)傳感器（有加熱裝置）和業(yè)務(wù)用傳感器（沒(méi)有加熱裝置）均在觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，試驗(yàn)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(yàn)期間，恰逢2008年初全國(guó)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(dòng)氣象站風(fēng)傳感器（未加裝防凍裝置）連續(xù)17d凍結(jié)，試驗(yàn)用傳感器（有加熱裝置）未發(fā)生一次凍結(jié)。
6 結(jié)語(yǔ)
目前，國(guó)產(chǎn)自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器多采用三杯式風(fēng)速傳感器和長(zhǎng)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(chǎng)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(guò)篩選各類元件和開發(fā)風(fēng)傳感器保護(hù)器，確定最佳發(fā)熱功率，設(shè)計(jì)出自動(dòng)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(duì)自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器的危害，確保觀測(cè)資料的準(zhǔn)確性和自動(dòng)氣象站正常運(yùn)行。
自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器加熱裝置安裝在傳感器內(nèi)部，對(duì)風(fēng)流場(chǎng)不產(chǎn)生影響，沒(méi)有機(jī)械摩擦影響，不影響觀測(cè)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(dòng)氣象站檢定周期進(jìn)行檢查維護(hù)，同時(shí)，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)。
