大氣邊界層溫度無線檢測儀的研究與設(shè)計(jì)

趙 強(qiáng) ，崔 暢

(遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧 撫順113001)

貼近地球表面、受地球表面摩擦以及熱力過程顯著影響的大氣層底部的一層大氣稱大氣邊界層，地球表面提供的物質(zhì)和能量的主要消耗、擴(kuò)散在大氣邊界層內(nèi)，全球氣候變化的區(qū)域響應(yīng)以及地表變化和人類活動對氣候的影響均是在大氣邊界層中發(fā)生［1－2］。人類生活于邊界層中，邊界層中氣象物理場的變化直接關(guān)系到人們的社會生產(chǎn)活動，所以研究大氣邊界層的特性和規(guī)律是非常必要的［3］。

本文設(shè)計(jì)的高性能多功能大氣邊界層溫度無線檢測系統(tǒng)，為掌握一個地區(qū)邊界層大氣運(yùn)動規(guī)律，研究大氣污染物稀釋、擴(kuò)散的規(guī)律，為工業(yè)布局、城市規(guī)劃、新建項(xiàng)目大氣污染預(yù)報等提供可靠的資料，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

大氣邊界層溫度無線檢測儀主要由電源電路、溫度檢測電路、無線發(fā)射電路、無線接收電路、信息處理電路5 部分組成［4－5］。如圖1 所示。系統(tǒng)采用片上系統(tǒng)級單片機(jī)C8051F005 處理前端接收機(jī)的解調(diào)信號，并且完成控制、顯示通信等其它功能。

圖1 大氣邊界層溫度無線檢測系統(tǒng)框圖

1.1 溫度檢測電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)作為測量傳感器，，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換，把溫度信號轉(zhuǎn)換為用于傳輸處理的電信號，然后通過發(fā)射機(jī)向外發(fā)射。通過溫度傳感器自身的電阻R，利用555 定時器組成的多諧振蕩器實(shí)現(xiàn)R－f 變換。最終得到溫度－頻率(T－f)變換。電路圖如圖2 所示。

圖2 溫度檢測電路

其中C1、C2為電源的去耦合抗干擾電容;R1、R2為調(diào)節(jié)頻率高低輸出的精密匹配電阻;電壓輸入端口CVOLT 接一個0.01 μF 的電容器C3到地，起諧振作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定［6］。R1、R2、R3、RT1、C4組成多諧振蕩器的主要參數(shù)元件，最后得到的方波頻率信號f 由LM555CM 芯片的第3 引腳輸出。

1.2 調(diào)制發(fā)射電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用單端型聲表面波諧振器的載波頻率產(chǎn)生電路，頻率設(shè)計(jì)為433.92 MHz，發(fā)系統(tǒng)載波產(chǎn)生如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)載波產(chǎn)生電路

其中，R1、L、R2、C2和高頻三極管RF49 組成高頻振蕩電路，聲表面波諧振器與R2并聯(lián)，振蕩電路的頻率穩(wěn)定在聲表面波諧振器的諧振頻點(diǎn)433.92 MHz;其中限流電阻R6 和低頻三極管8050 是振蕩電路的控制端口，起著開關(guān)的作用［7－8］。當(dāng)信號輸入端為高電平時，三極管8050 飽和導(dǎo)通，振蕩電路開始工作;當(dāng)為低電平時三極管8050 截止電流導(dǎo)通，振蕩電路停止工作。由此，當(dāng)傳感器的信號轉(zhuǎn)換電路信號輸出端與系統(tǒng)發(fā)射電路的信號輸入端相連接，因?yàn)樾盘栟D(zhuǎn)換電路的輸出是方波信號，于是，通過R6、三極管8050 完成信號的ASK 調(diào)制。最終得到由ASK 調(diào)制的，與檢測溫度相關(guān)聯(lián)的高頻發(fā)射信號，經(jīng)過電容C1耦合輸出到天線對外發(fā)射，完成系統(tǒng)信號采集發(fā)射部分的功能［9－10］。在系統(tǒng)頻率偏移、Q 值范圍允許的情況下，直接采用聲表面波器件與使用晶體諧振器的方法相比較，具有重量輕、體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 解調(diào)接收電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用Micrel 公司的Micrf009BM UHF 頻段超外差無線接收芯片，Micrf009BM 芯片具有超低功耗，工作電流僅為290 μA(10 ∶1占空比)［11］。芯片的一個特點(diǎn)是僅需外接少量的元器件即可構(gòu)成UHF ASK 接收器，而且所有的RF 和IF 調(diào)諧都在芯片內(nèi)自動完成。接收電路如圖4 所示。

圖4 解調(diào)接收電路

圖5中，無線信號由天線端進(jìn)入，解調(diào)后的信號從Micrf009M 芯片的第10 引腳DO 端輸出，得到發(fā)射機(jī)調(diào)制前的原始頻率信號。芯片具有Shutdown 關(guān)斷功能，在不需要接收信號的情況下對芯片進(jìn)行關(guān)斷控制，減少系統(tǒng)功耗，由單片機(jī)I/O 端口控制第11 引腳實(shí)現(xiàn)。另外，C1、C2、C3為電源的去耦合電容，組成抗干擾電路;C4、L1，L2、C5，L3、C6組成的高通濾波電路過濾無用的低頻信號，提高接收機(jī)的性能。

圖5 單周期測量頻率總流程圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用低功耗軟件設(shè)計(jì)，C8051F005 使用了雙重時鐘的功能，達(dá)到高性能和低功耗的效果。溫度信號采樣頻率為40 Hz，即每隔25 ms 采樣一次，利用C8051F040 單片機(jī)的定時器3 產(chǎn)生25 ms 定時，定時器溢出時啟動A/D 采樣。單片機(jī)內(nèi)部時鐘發(fā)生器受系統(tǒng)工作電壓，環(huán)境溫度等因素的影響，系統(tǒng)內(nèi)部時鐘大約有20%的誤差。由于系統(tǒng)需要用到精確定時和串口通信，要求頻率穩(wěn)定度高，所以，必須用外部晶體振蕩器作為時鐘源。外部晶體振蕩器的諧振頻率為22. 1184 MHz，其在波特率為115200 時定時器分頻誤差為0。在系統(tǒng)休眠或者特殊功能場合將時鐘切換到內(nèi)部低頻率時鐘，以便降低功耗，運(yùn)行頻率為2 MHz。

2.1 大氣邊界層溫度處理程序

大氣邊界層溫度處理程序是系統(tǒng)的核心程序，整個程序可以分成兩部分:①測量前端接收機(jī)的輸出的頻率信號;②信號處理計(jì)算。

頻率測量首先測量單個信號周期T，然后計(jì)算得到本次脈沖的頻率f。這種單脈沖測量方法只是在時間極短的單個信號波形周期時間里測量，因而有較好的抗干擾性能，適用于外圍空間信號干擾較大的場合。

為了測量更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)抗干擾處理能力，程序中使用去極值平均濾波的方法:連續(xù)采樣15 個周期，經(jīng)過排序，分別去掉2 個最大和最小值，然后對剩下的11 個數(shù)值先求和再求平均值，得到最終周期測量值T，程序流程圖如圖5、圖6 所示。

圖6 單次周期信號定時間隔測量流程圖

信號處理計(jì)算程序流程圖如圖7 所示。

圖7 信號處理計(jì)算程序流程圖

2.2 ADC 測量程序

單片機(jī)內(nèi)部的高性能ADC 子系統(tǒng)通過電壓型溫度傳感器的測量功能，測量系統(tǒng)工作時的外圍環(huán)境氣溫，為確定測量范圍，標(biāo)定系統(tǒng)測量算法參數(shù)提供參考數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時使用芯片內(nèi)帶有可編程增益放大器，能提供0.5，1，2，4，8，16 這6 種增益模式。利用可編程增益放大器，系統(tǒng)測量時候使用了自動增益控制的功能，檢測時候先對信號進(jìn)行測量，確定可編程增益放大器的增益，然后再進(jìn)行精確測量，這種方法能提高檢測的準(zhǔn)確度和精度。

通過設(shè)計(jì)低功耗休眠模式，令系統(tǒng)在非工作期一直處于低消耗狀態(tài)，從而達(dá)到減小整個系統(tǒng)工作電流的目的。以盡可能縮短完成作業(yè)所需時間為標(biāo)準(zhǔn)，使得系統(tǒng)能夠盡快地恢復(fù)到休眠模式。進(jìn)行溫度采樣時，系統(tǒng)連接外部晶振，定時器3 每400 ms溢出產(chǎn)生一個中斷，將系統(tǒng)從空閑模式喚醒。當(dāng)系統(tǒng)被激活后，捕捉ADC 采樣數(shù)據(jù)，然后重新返回空閑模式，直到下一個中斷發(fā)生。在采樣時將振蕩器轉(zhuǎn)換到內(nèi)部振蕩器，以縮短A/D 轉(zhuǎn)換的時間［12］。

采用去極值平均濾波法，過濾極值端的最大和最小隨機(jī)脈沖干擾，并且得到有效的平均值。ADC測量程序流程圖如圖8 所示。

圖8 ADC 測量流程圖

3 測量結(jié)果與誤差分析

系統(tǒng)測試時使用電阻箱代替溫度傳感器，用以模擬傳感器的電阻參數(shù)隨外界測量溫度的變化而變化的特性，檢驗(yàn)發(fā)射機(jī)頻率輸出的準(zhǔn)確性。發(fā)射端的信號轉(zhuǎn)換是溫度值—電阻值—頻率值的轉(zhuǎn)換過程。相反地，接收端的信號轉(zhuǎn)換為頻率值—電阻值—溫度值。系統(tǒng)測量接收解調(diào)的頻率信號之后，經(jīng)過f→R→T 變換計(jì)算，得到最終測量溫度值在液晶顯示器輸出。

函數(shù)擬合誤差和算法運(yùn)行時的舍入誤差是系統(tǒng)誤差的主要部分，系統(tǒng)程序中對算法分段進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣邷y試的精度和準(zhǔn)確度。實(shí)際測量中R1、R2、R3、C4分別為:1 020 Ω、1 020 Ω、6 400 Ω、16.2 nF。最后，在相關(guān)算法參數(shù)進(jìn)行修正后得到的測量結(jié)果如表1 所示。

表1 全量程方法修正后的測量結(jié)果

系統(tǒng)測試使用全量程的測量方式，測量從－20 ℃～+40 ℃之間的任意溫度值，當(dāng)系統(tǒng)算法不經(jīng)過任何補(bǔ)償時，全量程方法實(shí)際測量的溫度值和理論的溫度值有0.41 ℃～4.74 ℃的測量偏差?？梢钥闯?，偏差的數(shù)值和范圍比較大，如果不采取補(bǔ)償措施，結(jié)果的精度不能達(dá)到預(yù)定的要求。

4 結(jié)論

本文對大氣邊界層溫度探測系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，針對目前低空探空設(shè)備精度低、頻率漂移嚴(yán)重、高功耗等缺點(diǎn)，采用聲表面波諧振器解決原發(fā)射電路頻率偏移的問題，進(jìn)而解決原有的接收系統(tǒng)需要被動跟蹤發(fā)射機(jī)頻率偏移帶來的設(shè)計(jì)問題。利用C8051F005 單片機(jī)的高速和高集成度的優(yōu)點(diǎn)，大大地提高了儀表系統(tǒng)的性能、增強(qiáng)了功能，使用液晶顯示器，具有良好的人機(jī)界面和方便的通訊功能。采用低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)使得整個系統(tǒng)有較低功耗，能實(shí)現(xiàn)長距離的低空探測，具有較低的測量誤差。

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