自動氣象溫濕度傳感器采集電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李要中

(民航河南空管分局，河南 鄭州450000)

0 引言

隨著氣象探測技術(shù)的不斷發(fā)展[1]，結(jié)合目前民航氣象探測業(yè)務(wù)需求[2]，對氣象溫濕度信號采集提出了更高的要求。本文對氣象溫濕度傳感器進(jìn)行了自動數(shù)字化研究，設(shè)計(jì)了一種自動溫濕度傳感器采集電路，該電路結(jié)合溫濕度測量原理，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)對機(jī)場氣象溫濕度觀測數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲等功能，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)采集單元可以對實(shí)時環(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、信號采集電路、通信接口電路、外部時鐘電路及電源。 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 時間電路設(shè)計(jì)

時間電路選用低成本、高精度I2C 實(shí)時時鐘芯片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 個驅(qū)動器以及1 個接收器(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 個信號支持，另外提供專門的診斷回路模式，所有的驅(qū)動程序，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， 通過默認(rèn)邏輯高輸出電平，每個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，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。

采集電路利用4 線制PT100 鉑電阻對溫度進(jìn)行測量，通過恒流源驅(qū)動的方式產(chǎn)生溫度對應(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。

對于濕度傳感器，輸出的是一個0～1 V 的電壓信號，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 測得的采樣信號值為ADSample2，傳感器對應(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PT100 鉑電阻，簡化電路設(shè)計(jì)的同時又縮減了PCB 的體積[12]。 針對PT100 鉑電阻來說，如果選取的恒流源電流值太大，會造成PT100 鉑電阻自身電阻發(fā)熱進(jìn)而影響實(shí)際溫度的測量，同時也會增加功耗，所以，理想的恒流源大小為1 mA，而AD7792 支持1 mA 電流源輸出，此時鉑電阻自身的功耗僅為100 μW，可以忽略不計(jì)[13]。 溫度信號采集電路如圖5 所示。

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

圖5 PT100 溫度信號采集電路

圖6 3 路溫度采集原理

在濕度采集電路設(shè)計(jì)時，將一個電壓跟隨器加在濕度傳感器信號輸出和AD7792 之間， 使得前后電路相互不影響，將輸出信號與負(fù)載隔離開來。 濕度傳感器輸出信號類型為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。 濕度信號采集電路如圖7 所示。

圖7 濕度信號采集電路

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、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 用作信號采集，程序中定義一個關(guān)于AD7792 兩個測量通道的函數(shù)參數(shù)，后期可根據(jù)需求改變此參數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩個通道模式間的測量切換。 數(shù)據(jù)采集處理流程如圖8 所示。

4 測試結(jié)果

自動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[15]，測試將串口調(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)幀格式和對應(yīng)傳感器設(shè)備狀態(tài)提示信息。 測試結(jié)果如圖9 所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集處理流程圖

圖9 串口測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種自動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)及對應(yīng)狀態(tài)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對氣象溫濕度要素的較高精度采集，適用于民航氣象探測智能化發(fā)展需求。