手持式自動(dòng)氣象站綜合測試儀研制與應(yīng)用

李毅聰

摘要：手持式自動(dòng)氣象站綜合測試儀是用電路集成及嵌入式技術(shù)，通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對傳感器進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與檢測過程，在液晶屏直觀顯示待測傳感器信息，方便臺站業(yè)務(wù)人員現(xiàn)場測試傳感器與采集器是否工作正常。測試儀在省級維修檢定室和基層業(yè)務(wù)臺站使用，結(jié)果表明：測試儀效果達(dá)到野外測試的基本要求，測試結(jié)果與DT50、DT500數(shù)據(jù)采集器信息基本一致。手持式自動(dòng)氣象站綜合測試儀外觀大方，操作簡單且方便攜帶，可滿足業(yè)務(wù)對臺站自動(dòng)氣象站的現(xiàn)場檢測以提供高效可靠的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)氣象站;綜合測試儀;便攜式;技術(shù)保障

中圖分類號： TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）21-0245-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract： Based on the Integrated circuits and embedded technology， The general-purpose tester of handheld automatic weather station by using Microcontroller Unit is to realize field data collection and detection for sensors. For convenience， the measured sensor information is displayed visually on the LCD screen， so that the business staff of weather station can field test whether the sensor and collector work normally. The design is used by provincial laboratory and basic weather stations. The results show that， the design meets the basic requirements of field test， the test results are basically consistent with DT50 and DT500 data collector. The design with graceful appearance and convenient operation can satisfy the field test of automatic weather station to provide efficient and reliable technical support.

Key words： automatic weather station; general-purpose tester; portable; technical support

隨著氣象現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的快速發(fā)展，基層業(yè)務(wù)臺站觀測設(shè)備也越來越多，呈現(xiàn)出種類多樣化、布點(diǎn)分散、技術(shù)細(xì)節(jié)多、要求高等特點(diǎn)，業(yè)務(wù)臺站人員在對于自動(dòng)氣象站故障排查、維護(hù)維修方面存在較多問題[1]。

目前，江西省各級臺站的自動(dòng)氣象站保障現(xiàn)狀有以下幾個(gè)特點(diǎn)：沒有設(shè)專職的系統(tǒng)維護(hù)人員;維修保障能力不強(qiáng);人員流動(dòng)性較大;沒有建立長效培訓(xùn)機(jī)制等。有部分臺站業(yè)務(wù)人員有一定的維修檢測能力，但對于自動(dòng)氣象站的檢查通常采用測量傳感器輸出信號的方式，也大都利用經(jīng)驗(yàn)判斷傳感器是否異常。由于測量信號為中間值，容易造成誤判，從而影響維修維護(hù)效率。上述問題是影響臺站保障工作效率乃至全省自動(dòng)站系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，如何解決上述問題提高業(yè)務(wù)臺站的保障能力顯得尤為重要。

對手持式自動(dòng)氣象站綜合測試系統(tǒng)（以下簡稱“檢測儀”或“系統(tǒng)”）研發(fā)，在針對CAWS600型自動(dòng)站檢測時(shí)間，能夠直接輸出信號最終值，從而將人為因素的影響降到最低，通過簡化煩瑣的故障排查過程，在很大程度上減少了維護(hù)人員的工作量。

檢測儀的設(shè)計(jì)面向基層臺站維護(hù)人員，結(jié)合現(xiàn)階段維護(hù)保障工作的要求，使臺站維護(hù)人員能夠避免傳統(tǒng)檢測過程當(dāng)中的一些因素的干擾，作為自動(dòng)氣象站維護(hù)的綜合性檢測工具，能夠在一定程度上解決自動(dòng)氣象站保障的“最后一公里問題”，提高工作效率，為全省自動(dòng)氣象站保障工作提供技術(shù)支撐[2-3]。

1 系統(tǒng)構(gòu)架及工作原理

手持式自動(dòng)氣象站綜合測試系統(tǒng)（以下簡稱“測試儀”或“系統(tǒng)”）是利用微處理器及外圍集成電路研發(fā)的一套自動(dòng)氣象站綜合檢測終端設(shè)備，在實(shí)現(xiàn)功能上類似于一個(gè)便攜式“采集器”。

檢測儀按照硬件劃分主要由微處理器電路、電源模塊、液晶屏及外圍電路構(gòu)成。按照功能劃分主要由功能按鍵、采樣模塊及數(shù)據(jù)顯示模塊構(gòu)成。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

功能按鍵包括設(shè)置、退出、光標(biāo)上移以及光標(biāo)下移。維護(hù)人員可以通過按鍵的切換設(shè)置需要采樣的信號，將待測傳感器信號線纜接入相應(yīng)接口，由微處理器進(jìn)行A/D、計(jì)數(shù)、串口通訊等處理后顯示[4]。

根據(jù)檢測功能所需內(nèi)部資源，微處理器選用STC12C5A60S2單片機(jī)，該系列單片機(jī)包含以下內(nèi)部資源及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

（1）8路高速10位A/D和雙串口。

（2）指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，兼容性強(qiáng)、可移植性強(qiáng)。

（3）工作頻率為普通51的8-12倍，指令周期短。

（4）兩路PWM和4個(gè)16位定時(shí)器。

2? 采樣電路及外圍電路設(shè)計(jì)

采樣電路根據(jù)傳感器之間的電器特性不同，分別針對溫度、濕度、雨量、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)度六個(gè)要素進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)相關(guān)采樣接口及外圍電路，各采樣模塊之間相互獨(dú)立，為后續(xù)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性及兼容性提供便利[5-6]。

2.1? 濕度采樣電路設(shè)計(jì)

CAWS600型自動(dòng)站采用HMP45D型溫濕度傳感器測量空氣濕度。測濕元件是聚合物薄膜電容傳感器HUMICAP180，濕度輸出為0-1V電壓信號，對應(yīng)的濕度值為0%RH-100%RH。

2.1.1 功能實(shí)現(xiàn)及濕度值計(jì)算

濕度電壓信號接入A/D轉(zhuǎn)換接口P1.1，檢測儀對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。令濕度電壓為V，A/D輸出值為b，濕度值為c。其對應(yīng)關(guān)系如下：

由上述兩式可得：

2.2 氣壓采樣電路設(shè)計(jì)

2.2.1? 采樣過程

PTB220型氣壓傳感器相對其他傳感器而言比較特殊，其內(nèi)部含有微處理器，因此屬于智能傳感器。PTB220有以下輸出方式：軟件可設(shè)的RS232串行輸出;TTL電平輸出;模擬（電壓、電流）輸出;脈沖輸出。

檢測儀通過RS232通訊口，直接接收氣壓數(shù)字信號。電路如圖2所示，其中DB9為通訊接口，MAX232為電平轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS232標(biāo)準(zhǔn)電平的相互轉(zhuǎn)換。

2.3? 雨量采樣電路設(shè)計(jì)

2.3.1? 采樣過程

目前，自動(dòng)站普遍采用的是翻斗式雨量傳感器。當(dāng)翻斗承積的水量達(dá)到一定的數(shù)量值時(shí)，翻斗翻倒。當(dāng)計(jì)數(shù)翻斗翻動(dòng)時(shí)，磁鋼對干簧管掃描，使干簧接點(diǎn)因磁化而瞬間閉合一次，送出一個(gè)電路導(dǎo)通脈沖，相當(dāng)于0.1mm降雨量。

雨量信號通過J4接口接入P3.5，通過I/O口對雨量信號進(jìn)行采集計(jì)數(shù)。對于脈沖計(jì)數(shù)后的延遲不宜過大，也不宜過小，在采樣過程中設(shè)置10ms的時(shí)間間隔。

2.4? 溫度采樣電路設(shè)計(jì)

2.4.1? 功能實(shí)現(xiàn)

CAWS600型自動(dòng)站采用HMP45D型溫濕度傳感器測量空氣溫度。測溫元件是鉑電阻傳感器（Pt100），溫度輸出為電阻信號。

系統(tǒng)設(shè)定1mA激勵(lì)源通過100歐姆標(biāo)準(zhǔn)電阻和被測鉑電阻，分別經(jīng)過放大、濾波后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并利用此兩組電壓與電阻的對應(yīng)關(guān)系換算出被測PT100阻值，最后通過計(jì)算得到當(dāng)前溫度值。

系統(tǒng)采用16位A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7792，1mA激勵(lì)源可通過編程由片內(nèi)產(chǎn)生，基準(zhǔn)電壓為1.17V，由片內(nèi)產(chǎn)生。溫度采樣電路如圖5所示。令標(biāo)準(zhǔn)電阻值為R1，采樣電壓為V1，被測PT100阻值為R2，采樣電壓為V2，溫度為T，變量間對應(yīng)關(guān)系如下：

由上述兩式可得：

2.5? 風(fēng)向及風(fēng)速采樣電路設(shè)計(jì)

2.5.1? 風(fēng)向采樣原理與實(shí)現(xiàn)

EL15-2/2A是低起動(dòng)風(fēng)速的光電風(fēng)向傳感器。傳感器輸出為0-2.5V線性電壓信號，對應(yīng)0?-360?風(fēng)向值。風(fēng)向信號接入P1.2端口進(jìn)行A/D處理，如圖7所示。此時(shí)，令A(yù)/D值為a，風(fēng)向輸出電壓為V，風(fēng)向值為c，三個(gè)變量對應(yīng)關(guān)系如下：

由上述兩式可得：

2.5.2? 風(fēng)速采樣原理與實(shí)現(xiàn)

EL15-1/1A型風(fēng)速傳感器是響應(yīng)快、起動(dòng)風(fēng)速小的風(fēng)杯式光電風(fēng)速傳感器。風(fēng)杯帶動(dòng)附著在中心不銹鋼軸上的截光盤隨軸旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，切割紅外光束14次，從而由光電晶體中產(chǎn)生出一個(gè)脈沖鏈。輸出的脈沖頻率與風(fēng)速成正比，風(fēng)速與采樣頻率的關(guān)系為：風(fēng)速=2.96+（0.419-0.000001）*頻率，風(fēng)速脈沖采樣口為P3.4。風(fēng)向、風(fēng)速采樣電路如圖3所示。

2.6? 液晶屏及其外圍電路

2.6.1? 液晶屏選型及特點(diǎn)

顯示屏采用12864圖形液晶，控制器選用ST7920。該顯示屏的特點(diǎn)是：支持SPI通信，只需3根信號線就能完成處理器與顯示屏的連接，且?guī)е形淖謳?，無須取字模，節(jié)省了處理器的端口資源和內(nèi)存資源。由于系統(tǒng)需要的按鍵數(shù)量不多，因此采用獨(dú)立式按鍵。

2.7? 充電電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用市電與充電電池雙電源供電。當(dāng)接通市電并打開充電開關(guān)時(shí)，由變壓、整流模塊輸出系統(tǒng)12V電壓，同時(shí)為電池充電;當(dāng)市電斷開時(shí)，由充電電池為系統(tǒng)供電。

充電電源部分是利用開關(guān)控制鋰電池的充、放電。當(dāng)開關(guān)閉合且接通市電時(shí)，通過水泥電阻R24對電池進(jìn)行充電，當(dāng)充電電流太大時(shí)，R24能夠?qū)⒍嘤嗟碾姽β兽D(zhuǎn)化為熱量。正常充電時(shí)，電流約為167mA，二極管D3用于電源和電池的隔離，雙色發(fā)光二極管C16用來指示電池的充電狀態(tài)。

2.8? 線路故障檢測電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用固定電阻、傳感器線路和微處理器I/O口構(gòu)成回路。I/O口輸出電壓為5V，固定電阻兩端電壓為V1，線路等效電阻兩端電壓為V2，由電路分壓原理可得：V2=5-V1，系統(tǒng)通過檢測V1大小判斷線路有無短路等故障。如V1=5，則V2=0，根據(jù)串聯(lián)電路分壓原理，可知線路阻抗為0，線路短路;如V1=0，則V2=5，線路阻抗為極大值，線路正常。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)、安裝與調(diào)試

根據(jù)外殼尺寸，完成電路板的布局以及尺寸設(shè)計(jì);確定電池以及變壓器的安裝位置;確認(rèn)功能按鍵、顯示屏在面板上的布局以及各采樣接口的位置。樣機(jī)如圖4所示。

采樣模塊調(diào)試說明：

（1）雨量采樣部分的試驗(yàn)與調(diào)試。該部分的關(guān)鍵問題是采樣脈沖之后的時(shí)間間隔設(shè)置，如果設(shè)置時(shí)間較長，則會造成雨量計(jì)數(shù)偏小，如果設(shè)置時(shí)間較短，則容易造成雨量計(jì)數(shù)偏大。在經(jīng)過一系列的調(diào)試之后，最終確定間隔為10ms。

（2）風(fēng)速采樣部分的調(diào)試。由于風(fēng)速采樣可以采用兩種方式，一種方式為對采樣端口電平進(jìn)行查詢計(jì)數(shù)，另一種方式是利用單片機(jī)外部中斷的方式進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。為了選取合適的采樣方式，課題組在開發(fā)過程中分別對這兩種方式進(jìn)行調(diào)試比對，最終確定采用第一種方式。

（3）溫度采樣模塊的調(diào)試。由于溫度采樣對于采樣電路的A/D轉(zhuǎn)換精度、激勵(lì)源穩(wěn)定度以及信號放大的線性度要求非常高，導(dǎo)致通常會產(chǎn)生溫度采樣誤差，因此需要加入軟件溫度補(bǔ)償。調(diào)試過程中，利用可變電阻模擬各個(gè)溫度區(qū)間，通過實(shí)際采樣值和理論值進(jìn)行對比，得出在不同溫度區(qū)間內(nèi)的補(bǔ)償系數(shù)，從而提高系統(tǒng)溫度采樣的精度[7]。

為驗(yàn)證采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，該測試儀在江西省大氣探測技術(shù)中心檢定所進(jìn)行了連續(xù)10小時(shí)的拷機(jī)測試，同時(shí)將系統(tǒng)在外場臺站（新余觀測站）進(jìn)行3小時(shí)現(xiàn)場測試，結(jié)果表明測試儀在運(yùn)行過程中工作穩(wěn)定，系統(tǒng)操作簡單、數(shù)據(jù)顯示清晰、可讀性強(qiáng)。采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，便于臺站業(yè)務(wù)人員使用。

4? 結(jié)論與討論

手持式自動(dòng)氣象站綜合測試儀在臺站使用試運(yùn)行一段時(shí)間，實(shí)際使用效果良好，能夠縮短自動(dòng)氣象站維護(hù)人員的保障培訓(xùn)周期，減少保障維護(hù)人員的煩瑣工作量，提高自動(dòng)氣象站維護(hù)維修時(shí)效。系統(tǒng)采用模塊化的開發(fā)方式，整體結(jié)構(gòu)具有較高的靈活性和適應(yīng)性，能夠根據(jù)不同的需求定制相應(yīng)的功能以及擴(kuò)充功能模塊，以適應(yīng)不同的維護(hù)工作需求。

由于充電電路采用直接流充電方式，對于充、放電過程的控制不夠精確，有待增加對充電電壓的判斷，從而實(shí)現(xiàn)對鋰電池電壓的在線監(jiān)控與充、放電控制。此測試儀能針對CAWS600型自動(dòng)站的傳感器進(jìn)行現(xiàn)場檢測，今后可根據(jù)需要增加其他型號傳感器的采樣功能，實(shí)現(xiàn)“種類全覆蓋、格式全兼容”。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】