摘要：利用自動氣象站實時測量的氣溫、平均風速、空氣相對濕度3個氣象要素作為基本參數(shù)，確定自動氣象站風傳感器凍結、融化的氣象指標臨界值，通過PC機RS232通訊接口和ATmega8型單片機、光電隔離驅動等電路控制風傳感器防凍加熱裝置的自動運行，從而達到自動氣象站風傳感器防凍保護的目的。

關鍵詞：自動氣象站；風傳感器；防凍；RS232接口；單片機；電路設計

引 言

隨著我國大氣監(jiān)測自動化建設項目的全面實施，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、靜風條件下，雨凇、霧凇和結冰凍害經(jīng)常造成風傳感器凍結，不能轉動，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、霧凇和結冰凍害造成的記錄缺測，嚴重影響自動氣象站正常運行。華家?guī)X、西峰2003－2005年的14次自動氣象站風傳感器雨霧凇凍結情況中，最長凍結時間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%，凍結開始時的最大風速4.6m/s,最長靜風時間6h,從凍結開始到結束最大降溫幅度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傳感器，多采用功率≤4W的加熱裝置，僅考慮溫度指標，在氣溫≤4℃的天氣條件下，由自動氣象站自動啟動加熱裝置，對風傳感器進行加熱，融化雨凇和霧凇對風傳感器的凍結，但在我國的試點站運行中，效果并不十分理想，因此，解決風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傳感器雨霧凇凍害進行了研究，認為風傳感器覆冰凍結是溫度、濕度、風速等氣象條件綜合因素的結果^[1]，雨霧凇混合積冰出現(xiàn)頻率高，對風傳感器的凍結時間最長，危害最大^[2-3]，提出嚴重覆冰的基本條件及特征是溫度為-5～0℃，平均風速≤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、平均風速、相對濕度3個實時氣象要素指標，作為風傳感器凍結、融化的判斷依據(jù)設計出了針對風傳感器的自動加熱控制電路，可防止或消除風傳感器的凍結，達到自動氣象站風傳感器防凍保護的目的。

1 自動控制系統(tǒng)總體結構

風傳感器加熱自動控制系統(tǒng)的結構如圖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，以溫度為-5～0℃，平均風速≤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。當達到設定標準時，通過通訊接口電路給ATmega8型單片機發(fā)出指令，再經(jīng)過光電隔離驅動電路、控制風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傳感器防凍害元件，安置在風傳感器內(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。當水汽條件不具備凝結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電平轉換電路，即通信接口電路通常選擇專用的RS232接口電平轉換集成電路，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結構的高檔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。這種結構提高了代碼效率，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]。

Tmega8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)的應用中，通過軟件提取自動氣象站測量的氣溫、平均風速、相對濕度3個實時氣象要素指標，確定了凍結、融化的氣象要素臨界值。當需要給風傳感器加熱時，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，控制驅動電路使加熱裝置開始工作；當達到設定時間或不滿足凍結條件時，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 加熱驅動電路 ATmega8的I/O口輸出負載能力最大為40mA,無法直接驅動大功率設備，必須通過中間驅動電路實現(xiàn)單片機對功率設備工作狀態(tài)的控制。實際應用中，通常采用繼電器或交流接觸器間接驅動。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[sup][9] [/sup]。可控硅是功率開關型半導體器件，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，廣泛應用于電力電子設備中。為了避免機械接觸開關的缺點，本系統(tǒng)選用以可控硅為主體的完全光電隔離的中間驅動電路。加熱驅動電路示意圖如圖4所示。

當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R[sub]1[/sub]、R[sub]2[/sub]和雙向光電耦合器的信號觸發(fā)導通，加熱電路得電工作；當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)信號被關斷，加熱電路斷電停止工作。 電路中的R[sub]3[/sub]、C[sub]2[/sub]組成阻容吸收單元，可減小可控硅關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。R[sub]1[/sub]、C[sub]1[/sub]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傳感器防凍害的加熱元件。

3 軟件設計

控制程序由數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設定、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、風速、相對濕度等指標數(shù)據(jù)^[10-11]，若達到設定的臨界參數(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（達到設定的加熱持續(xù)時間或不滿足凍結條件時）發(fā)出停止加熱指令，斷開加熱電路，關閉加熱狀態(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232接口進行轉換，但需安裝USB線驅動程序，并在控制程序中正確設定串口的端口號。開發(fā)中使用筆記本電腦并安裝USB線驅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由于對風流場不產(chǎn)生影響，沒有機械摩擦影響，對測風光電計數(shù)器沒有影響。因此，不影響觀測數(shù)據(jù)準確性；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 加熱導線和供電電源

自動氣象站風傳感器加熱裝置利用廠家預留的空間位置，導線與自動氣象站供電線路走向相同，通過自動氣象站風桿內(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-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)務用傳感器（沒有加熱裝置）均在觀測場內(nèi)，試驗傳感器架設在電接風鐵塔上方，并與業(yè)務用風傳感器保持相同高度。試驗期間，恰逢2008年初全國最嚴重的低溫雨雪冰凍災害發(fā)生，從2月28日至3月16日，業(yè)務用自動氣象站風傳感器（未加裝防凍裝置）連續(xù)17d凍結，試驗用傳感器（有加熱裝置）未發(fā)生一次凍結。

6 結語

目前，國產(chǎn)自動氣象站風傳感器多采用三杯式風速傳感器和長臂單葉風向傳感器。在大氣的近地面層，氣流帶有湍流性質，風場結構的湍流性質，導致雨霧凇在風傳感器上凍結的不均勻。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，根據(jù)嚴重覆冰的氣象條件，確定溫控融凍的臨界指標。通過篩選各類元件和開發(fā)風傳感器保護器，確定最佳發(fā)熱功率，設計出自動氣象站風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傳感器的危害，確保觀測資料的準確性和自動氣象站正常運行。

自動氣象站風傳感器加熱裝置安裝在傳感器內(nèi)部，對風流場不產(chǎn)生影響，沒有機械摩擦影響，不影響觀測數(shù)據(jù)準確性。加熱裝置的預期壽命及周期為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。

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