摘要：為了順應(yīng)民航氣象自動(dòng)化發(fā)展需求，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)氣象溫濕度傳感器采集電路，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)民用機(jī)場(chǎng)跑道周邊溫濕度要素的較高精度采集。系統(tǒng)對(duì)硬件電路部分進(jìn)行了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)溫濕度采集原理進(jìn)行了分析，利用4線制PT100鉑電阻對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)恒流源驅(qū)動(dòng)的方式產(chǎn)生溫度對(duì)應(yīng)電壓，再通過(guò)AD7792進(jìn)行采集，計(jì)算出溫度傳感器的電阻值Rpt100。濕度信號(hào)輸出類(lèi)型為0～1V的直流電壓，利用AD7792的第2通道以及片內(nèi)1.17V的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行采集，得到ADSample2采樣值,計(jì)算出濕度對(duì)應(yīng)的電壓值Vrh(單位：mV)，Vrh在數(shù)值上與濕度采樣值相等。試驗(yàn)證明采集電路可以完成對(duì)溫濕度信號(hào)的采集。

　　關(guān)鍵詞：氣象要素;溫濕度;傳感器;信號(hào)采集

　　0引言隨著氣象探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展[1]，結(jié)合目前民航氣象探測(cè)業(yè)務(wù)需求[2]，對(duì)氣象溫濕度信號(hào)采集提出了更高的要求。本文對(duì)氣象溫濕度傳感器進(jìn)行了自動(dòng)數(shù)字化研究，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)溫濕度傳感器采集電路，該電路結(jié)合溫濕度測(cè)量原理，以高精度低功耗微型化方式將數(shù)據(jù)采集處理單元集成在采集板上，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)氣象溫濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)等功能，能夠廣泛地應(yīng)用于民航氣象業(yè)務(wù)中。

　　氣象論文范例：農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)對(duì)設(shè)施蔬菜種植的價(jià)值探索

　　1設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)

　　溫濕度數(shù)據(jù)采集單元可以對(duì)實(shí)時(shí)環(huán)境溫濕度信息進(jìn)行采集、運(yùn)算處理[3]。設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)包括MCU控制電路、信號(hào)采集電路、通信接口電路、外部時(shí)鐘電路及電源。設(shè)計(jì)中溫度電阻采用PT100，根據(jù)PT100在溫度為0℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電阻值為100Ω，且隨著溫度的變化PT100的電阻值也跟著變化的特性，設(shè)計(jì)通過(guò)測(cè)量PT100的電阻值，計(jì)算出當(dāng)前的溫度值。

　　1.1電源電路設(shè)計(jì)

　　采集電路芯片工作電源為3.3V，采用LT3680模塊，作為頻率在200kHz～2.4MHz之間可調(diào)節(jié)的單片式降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，輸入電壓最高可達(dá)36V，設(shè)計(jì)選擇常用的12V電壓輸入[4]，控制電阻采用63.4kΩ/1%，F(xiàn)B引腳選用阻值大小為316kΩ，能夠產(chǎn)生3.3V電壓值。RUN/SS引腳上的電阻器和電容器提供一個(gè)受控的輸出電壓斜坡控制芯片工作狀態(tài)，以2.5V為基準(zhǔn)，高電平觸發(fā)開(kāi)始工作，低電平觸發(fā)停止工作。

　　1.2時(shí)間電路

　　設(shè)計(jì)時(shí)間電路選用低成本、高精度I2C實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS3231來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，DS3231的寄存器地址為00h～12h，它通過(guò)讀取適當(dāng)?shù)募拇嫫髯止?jié)來(lái)獲取時(shí)鐘和日歷信息[5]。通過(guò)寫(xiě)入適當(dāng)?shù)募拇嫫髯止?jié)設(shè)定或者初始化時(shí)鐘和日歷數(shù)據(jù)[6]。

　　1.3通信電路設(shè)計(jì)

　　通信接口電路采用支持RS-232、RS-485，以及RS-422串行標(biāo)準(zhǔn)的SP339多協(xié)議收發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)RS-232/485/422通信[7]，RS-485/422模式由在半、全和復(fù)合雙工配置中高達(dá)1個(gè)驅(qū)動(dòng)器以及1個(gè) 接收器(1TX/1RX)組成。

　　RS-232模式(3TX/5RX)提供全部與DB9RS-232連接器并用的8個(gè)信號(hào)支持，另外提供專(zhuān)門(mén)的診斷回路模式，所有的驅(qū)動(dòng)程序，可以擺限于任何250kb/s的模式，以最小化電磁干擾(EMI)。所有發(fā)射輸出和接收輸入具備強(qiáng)勁的靜電放電保護(hù)，當(dāng)輸入是開(kāi)路、短路或終止但未使用狀態(tài)時(shí)，通過(guò)默認(rèn)邏輯高輸出電平，每個(gè)接收輸出都具有完全的故障安全保護(hù)，避免系統(tǒng)出現(xiàn)鎖住、振蕩，或不確定的狀態(tài)[8]。

　　2溫濕度信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)及原理

　　采集電路模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出恒定電流[9]，通過(guò)四線制的溫度電阻[10]，從電阻兩端采集電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換獲取溫濕度相關(guān)數(shù)字信息，并將其傳送至CPU進(jìn)行整合，CPU控制電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)三路溫度信息切換，依次輸出環(huán)境溫濕度信號(hào)。

　　采集電路利用4線制PT100鉑電阻對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)恒流源驅(qū)動(dòng)的方式產(chǎn)生溫度對(duì)應(yīng)電壓[11]， 再通過(guò)AD7792采集可以計(jì)算出溫度傳感器的電阻值Rpt100。濕度信號(hào)輸出類(lèi)型為0～1V的直流電壓，利用AD7792的第2通道以及片內(nèi)1.17V的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行采集,得到ADSample2采樣值,計(jì)算出濕度對(duì)應(yīng)的電壓值Vrh(單位：mV)，Vrh在數(shù)值上與濕度采樣值相等。

　　PT100在溫度為0℃時(shí)電阻值為100Ω，隨著溫度的變化PT100的電阻值也跟著變化，其電阻隨溫度的變化關(guān)系可以用式(1)表示：Rt=R0(βt2+αt+1)(1)其中，α=3.9083×10-3，β=-5.775×10-7，通過(guò)測(cè)量得到PT100的電阻值，然后根據(jù)上式即可求出當(dāng)前的溫度值。對(duì)于濕度傳感器，輸出的是一個(gè)0～1V的電壓信號(hào)，利用AD7792的第2通道以及片內(nèi)的基準(zhǔn)1.17V的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行采集，設(shè)經(jīng)AD測(cè)得的采樣信號(hào)值為ADSample2，傳感器對(duì)應(yīng)輸出的電壓值為Vrh(單位：mV)，以1.17V的基準(zhǔn)電壓作為參考電壓，根據(jù)式(2)： Vrh1170=ADSample265536(2)可計(jì)算出對(duì)應(yīng)濕度傳感器輸出的電壓值Vrh。

　　再根據(jù)濕度與濕度電壓之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：濕度=濕度電壓×100%(單位：%)可知，上式中輸出電壓值Vrh在數(shù)值上與濕度采樣值相等，即為：Vrh=ADSample2×117065536(3)設(shè)計(jì)溫度采集電路時(shí)的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片采用的是AD7792，作為16位ADC芯片，其具有三個(gè)差分模擬輸入通道，自帶可編程電流源及基準(zhǔn)電壓源，而電流源可用于驅(qū)動(dòng)PT100鉑電阻，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的同時(shí)又縮減了PCB的體積[12]。

　　針對(duì)PT100鉑電阻來(lái)說(shuō)，如果選取的恒流源電流值太大，會(huì)造成PT100鉑電阻自身電阻發(fā)熱進(jìn)而影響實(shí)際溫度的測(cè)量，同時(shí)也會(huì)增加功耗，所以，理想的恒流源大小為1mA，而AD7792支持1mA電流源輸出，此時(shí)鉑電阻自身的功耗僅為100μW，可以忽略不計(jì)[13]。

　　3數(shù)據(jù)采集處理應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　程序設(shè)計(jì)部分以C語(yǔ)言為主要開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘維護(hù)、數(shù)據(jù)補(bǔ)傳、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)接收等功能[14]。

　　程序采用多線程事件調(diào)用的形式，根據(jù)事件發(fā)生調(diào)用SAPI_ProcessEvent()函數(shù)，按照事件類(lèi)型執(zhí)行不同的事件操作，其中采樣事件中AD7792的通道0和通道1用作信號(hào)采集，程序中定義一個(gè)關(guān)于AD7792兩個(gè)測(cè)量通道的函數(shù)參數(shù)，后期可根據(jù)需求改變此參數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通道模式間的測(cè)量切換。數(shù)據(jù)采集處理流程如圖8所示。

　　4測(cè)試結(jié)果

　　自動(dòng)氣象溫濕度傳感器采集電路以IAR作為軟件程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)[15]，測(cè)試將串口調(diào)試助手連接到采集電路，設(shè)置串口參數(shù)，主動(dòng)接收調(diào)試數(shù)據(jù)并生成數(shù)據(jù)狀態(tài)文件，發(fā)送指定的通信操作指令，如數(shù)據(jù)讀取命令READDATA，程序能夠接收到正確的數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息，主要包括完整數(shù)據(jù)幀格式和對(duì)應(yīng)傳感器設(shè)備狀態(tài)提示信息。

　　5結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)氣象溫濕度傳感器采集電路，實(shí)驗(yàn)調(diào)試后可以獲取到傳感器的數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)狀態(tài)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣象溫濕度要素的較高精度采集，適用于民航氣象探測(cè)智能化發(fā)展需求。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]張靄琛.現(xiàn)代氣象觀測(cè)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2000.

　　[2]中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司.自動(dòng)氣候站功能規(guī)格需求書(shū)[Z].北京：中國(guó)氣象局，2015.

　　作者：李要中