毕业设计---自动气象站风传感器防冻控制电路设计

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1、引 言 随着我国大气监测自动化建设项目的全面实施，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， 使气象观测记录缺测。 甘肃省的华家岭、 乌鞘岭、西峰和全国其它自动气象站，已经出现因为雨凇、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%，冻结开始时的最大风速 4.6m/s,最

2、长 静风时间 6h,从冻结开始到结束最大降温幅度 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 自动启动加热装置，对风传感器进行加热， 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，效果并不十分理想，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行了研究， 认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

3、传感器的冻结时间最长，危害最大2-3 ，提出 严重覆冰的基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、融化的判断依据设计出了针对风传感器的自动加热控制电路，可 防止或消除风传感器的冻结， 达到自动气象站风传感器防冻保护的目 的。 1 自动控制系统总体结构 风传感器加热自动控制系统的结构如图 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、加热电路等部分组成。 参数采样部分利用自动气象站测量的实时数据，通过自

4、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。当达到设定标准时，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 启动或停止工作4 。 采用电阻加热丝为风传感器防冻害元件，安置在风传感器内 壳轴承套上方。使用交流 36V 的安全电压作为加热电压，加热功率 约为 8.6W，以保证对人体和仪器的安全。当水汽条件不具备凝结时 能够停止加热融冻，进而达到节约能源的目的。 2 硬件设计 2.1 通讯接口电路 因为 PC机 RS232 串口采用的是 RS232 传输协议， 它的高低 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行连接，在 PC 机和单片机之间必须增加一 个 RS232/TTL 电平转换电路，即通信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 。