李要中

(民航河南空管分局，河南 鄭州450000)

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。

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100 Ω，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)通過測(cè)量PT100 的電阻值，計(jì)算出當(dāng)前的溫度值。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

1.1 電源電路設(shè)計(jì)

采集電路芯片工作電源為3.3 V，采用LT3680模塊，作為頻率在200 kHz～2.4 MHz 之間可調(diào)節(jié)的單片式降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，輸入電壓最高可達(dá)36 V，設(shè)計(jì)選擇常用的12 V 電壓輸入[4]，控制電阻采用63.4 kΩ/1%，F(xiàn)B 引 腳 選 用 阻 值 大 小 為316 kΩ，能夠產(chǎn)生3.3 V 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2.5 V 為基準(zhǔn)，高電平觸發(fā)開始工作，低電平觸發(fā)停止工作。 設(shè)計(jì)原理如圖2 所示。

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 來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，DS3231 的寄存器地址為00h ～12h，它通過讀取適當(dāng)?shù)募拇嫫髯止?jié)來獲取時(shí)鐘和日歷信息[5]。 通過寫入適當(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]。 具體電路原理如圖3 所示。

圖2 電源電路圖

圖3 時(shí)間電路

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DB9 RS-232 連接器并用的8 個(gè)信號(hào)支持，另外提供專門的診斷回路模式，所有的驅(qū)動(dòng)程序，可以擺限于任何250 kb/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)輸入是開路、短路或終止但未使用狀態(tài)時(shí)， 通過默認(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]。 電路原理如圖4 所示。

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]，通過四線制的溫度電阻[10]，從電阻兩端采集電壓信號(hào)，經(jīng)過模數(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)輸出類型為0 ～1 V 的直流電壓，利用AD7792 的第2 通道以及片內(nèi)1.17 V 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100 Ω，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：

其中，α=3.908 3×10-3，β=-5.775×10-7，通過測(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)0～1 V 的電壓信號(hào)，利用AD7792 的第2 通道以及片內(nèi)的基準(zhǔn)1.17 V 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1.17 V 的基準(zhǔn)電壓作為參考電壓，根據(jù)式(2)：

圖4 通信接口電路

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：

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 鉑電阻來說，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1 mA，而AD7792 支持1 mA 電流源輸出，此時(shí)鉑電阻自身的功耗僅為100 μW，可以忽略不計(jì)[13]。 溫度信號(hào)采集電路如圖5 所示。

PT100 與AD7792 連接的3 路溫度采集電路中的AIN1 通道用來測(cè)量PT100 兩端的差分電壓，AIN2 用于測(cè)量100 Ω 精密電阻兩端的差分電壓，兩個(gè)差分電壓需成對(duì)測(cè)量，也就是測(cè)量完AIN1 通道后就測(cè)量AIN2，二者成對(duì)出現(xiàn)。 3 路溫度采集原理如圖6 所示。

圖5 PT100 溫度信號(hào)采集電路

圖6 3 路溫度采集原理

在濕度采集電路設(shè)計(jì)時(shí)，將一個(gè)電壓跟隨器加在濕度傳感器信號(hào)輸出和AD7792 之間， 使得前后電路相互不影響，將輸出信號(hào)與負(fù)載隔離開來。 濕度傳感器輸出信號(hào)類型為0 ～1 V 的直流電壓，用AD7792 芯片直接采集得到高精度的濕度信號(hào)。 濕度信號(hào)采集電路如圖7 所示。

圖7 濕度信號(hào)采集電路

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 語言為主要開發(fā)語言，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。 測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集處理流程圖

圖9 串口測(cè)試結(jié)果

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。