引 言

芬蘭等國家的自動氣象站風傳感器，多采用功率≤4W的加熱裝置，僅考慮溫度指標，在氣溫≤4℃的天氣條件下，由自動氣象站自動啟動加熱裝置，對風傳感器進行加熱，融化雨凇和霧凇對風傳感器的凍結，但在我國的試點站運行中，效果并不十分理想，因此，解決風傳感器雨霧凇凍害問題，僅考慮氣溫是不全面的。尹憲志等人對自動氣象站風傳感器雨霧凇凍害進行了研究，認為風傳感器覆冰凍結是溫度、濕度、風速等氣象條件綜合因素的結果，雨霧凇混合積冰出現頻率高，對風傳感器的凍結時間最長，危害最大，提出嚴重覆冰的基本條件及特征是溫度為-5～0℃，平均風速≤5m/s,空氣相對濕度>80%的凍雨或重霧雪天氣。根據以上覆冰的臨界條件，以氣溫、平均風速、相對濕度3個實時氣象要素指標，作為風傳感器凍結、融化的判斷依據設計出了針對風傳感器的自動加熱控制電路，可防止或消除風傳感器的凍結，達到自動氣象站風傳感器防凍保護的目的。

1 自動控制系統總體結構

風傳感器加熱自動控制系統的結構如圖1所示。主要由參數采樣、指令控制、串行通訊接口、ATmega8型單片機、光電隔離驅動電路、加熱電路等部分組成。

參數采樣部分利用自動氣象站測量的實時數據，通過自編軟件提取自動氣象站測量的實時氣象要素指標，以溫度為-5～0℃，平均風速≤5m/s, 空氣相對濕度>80%為臨界值，確定指令控制電路是否發送指令。當達到設定標準時，通過通訊接口電路給ATmega8型單片機發出指令，再經過光電隔離驅動電路、控制風傳感器防凍加熱裝置啟動或停止工作。

采用電阻加熱絲為風傳感器防凍害元件，安置在風傳感器內殼軸承套上方。使用交流36V的安全電壓作為加熱電壓，加熱功率約為8.6W，以保證對人體和儀器的安全。當水汽條件不具備凝結時能夠停止加熱融凍，進而達到節約能源的目的。

2 硬件設計

2.1 通訊接口電路

因為PC機RS232串口采用的是RS232傳輸協議，它的高低電平分別為-l2V和+12V，與單片機的電平不一致，所以不能將PC機和單片機用電纜直接進行連接，在PC機和單片機之間必須增加一個RS232/TTL電平轉換電路，即通信接口電路通常選擇專用的RS232接口電平轉換集成電路，如MAX232、HIN232等，NIH232和MAX232可以直接互換。這里選用NIH232CP芯片來完成串口接口電路(圖2)。

2.2 ATmega8單片機控制電路

ATmega8型單片機是ATMEL公司推出的一款采用低功耗CMOS工藝生產的基于AVR RISC結構的高檔Flash型單片機。其核心將32個工作寄存器和指令集連接在一起，所有工作寄存器都與ALU(算術邏輯單元)直接相連，實現了1個時鐘周期執行1條指令同時訪問(讀寫)2個獨立寄存器的操作。這種結構提高了代碼效率，使得大部分指令的執行時間僅為1個時鐘周期。因此，ATmega8具有接近1 MI/s/MHz的性能，運行速度比普通CISC單片機高10倍。

ATmega8型單片機內集成了執行速度為2個時鐘周期的硬件乘法器、8KB的Flash程序存儲器、512字節的E2PROM、2個具有比較模式的8位定時器、1個具有比較和捕獲模式的16位定時器、3路最大精度為16位的PWM輸出、8通道10位A/D轉換器，PI/TWI同步串口及 USART異步串口。ATmega8片內集成的眾多系統級功能單元為控制系統的開發提供了很大便利。設計過程中，盡量通過軟件編程簡化硬件電路，有效縮短了開發周期。

在本系統的應用中，通過軟件提取自動氣象站測量的氣溫、平均風速、相對濕度3個實時氣象要素指標，確定了凍結、融化的氣象要素臨界值。當需要給風傳感器加熱時，通過接口電路給ATmega8單片機發送輸出指令，使ATmega8的PC0端(23腳)輸出高電平，控制驅動電路使加熱裝置開始工作;當達到設定時間或不滿足凍結條件時，發送一個停止加熱指令，使ATmega8的PC0端(23腳)輸出低電平，控制驅動電路斷開加熱裝置，使加熱電路停止工作。從而達到自動氣象站風傳感器防凍保護的目的。ATmega8單片機控制電路如圖3所示。

2.3 加熱驅動電路

ATmega8的I/O口輸出負載能力最大為40mA,無法直接驅動大功率設備，必須通過中間驅動電路實現單片機對功率設備工作狀態的控制。實際應用中，通常采用繼電器或交流接觸器間接驅動。由于繼電器或交流接觸器具有機械接觸特點，因而在很大程度上降低了控制系統整體的穩定性和可靠性。可控硅是功率開關型半導體器件，能在高電壓、電流條件下工作，有無機械接觸、大具體積小、便于安裝等優點，廣泛應用于電力電子設備中。為了避免機械接觸開關的缺點，本系統選用以可控硅為主體的完全光電隔離的中間驅動電路。加熱驅動電路示意圖如圖4所示。

當ATmega8的23腳(PC0端)輸出高電平時，通過限流保護電阻器R4的雙向光電耦合器上電工作，雙向可控硅TRIACI柵極被經由R1、R2和雙向光電耦合器的信號觸發導通，加熱電路得電工作;當ATmega8的23腳(PC0端)輸出低電平時，雙向光電耦合器截止，雙向可控硅TRIACI柵極無觸發信號被關斷，加熱電路斷電停止工作。

電路中的R3、C2組成阻容吸收單元，可減小可控硅關斷時加熱電路中感性元件所產生的自感電動勢對可控硅的過壓沖擊。R1、C1組成低通濾波單元，能降低雙向光電耦合器誤觸發對后續電路的影響。同時，雙向光電耦合器的使用徹底隔離了強弱電路，避免了大功率器件對單片機的干擾。

2.4 加熱元器件的選用

通過各類加熱管、電阻式加熱絲、陶瓷發熱元器件的加熱效果進行反復篩選，對觀測數據的影響進行論證試驗，最終選用電阻加熱絲為風傳感器防凍害的加熱元件。

3 軟件設計

控制程序由數據采集、參數設定、加熱控制等部分組成。通過采集程序讀取自動氣象站自動生成的實時數據文件，提取氣溫、風速、相對濕度等指標數據，若達到設定的臨界參數時，通過串口給ATmega8發出控制指令，自動啟動加熱電路工作，待延時一定時間(達到設定的加熱持續時間或不滿足凍結條件時)發出停止加熱指令，斷開加熱電路，關閉加熱狀態。也可以使用該軟件選擇“人工啟動”方式，人工控制加熱電路的啟動與停止，達到自動氣象站風傳感器防凍、融凍的目的。

控制程序基于Visual Basic 6.0開發。使用微軟公司提供的MsComm控件有效避免了直接調用Win32API造成的編程繁瑣等弊端，以較少代碼量實現本系統要求的全雙工異步通信。用戶可通過該軟件任意控制加熱電路的運行。軟件運行界面如圖5所示。

控制程序一般安裝在自動氣象站監控微機上便于讀取實時觀測資料。若安裝在其它微機上，則必須設定實時觀測資料的共享路徑。若微機串口不夠用，可以使用USB轉232 接口進行轉換，但需安裝USB線驅動程序，并在控制程序中正確設定串口的端口號。開發中使用筆記本電腦并安裝USB線驅動程序試驗運行通過。

4 硬件安裝

4.1 加熱裝置

自動氣象站風傳感器加熱裝置選用電阻加熱絲為加熱元件，安裝在傳感器內部。優點是：①由于對風流場不產生影響，沒有機械摩擦影響，對測風光電計數器沒有影響。因此，不影響觀測數據準確性;②電阻加熱絲裝置具有易換性、易維護性、易維修和價格低廉等特點;③加熱裝置的預期壽命及周期為2a以上，便于自動氣象站定期維護。

4.2 加熱導線和供電電源

自動氣象站風傳感器加熱裝置利用廠家預留的空間位置，導線與自動氣象站供電線路走向相同，通過自動氣象站風桿內部送到傳感器，不影響美觀，同時保證能抗雷擊和電磁干擾。

使用交流電源變壓器將自動氣象站供電的220V交流轉換為36V(安全電壓)，作為加熱電壓，以保證對人體和儀器的安全。電熱絲電阻為150Ω，加熱功率為8.64W。整個電路體積小巧，重量在1000g以下，可以安放在采集器機箱內。