大氣邊界層溫度無線檢測儀的研究與設計

趙 強 ，崔 暢

(遼寧石油化工大學信息與控制工程學院，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和能量的主要消耗、擴散在大氣邊界層內，全球氣候變化的區域響應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系到人們的社會生產活動，所以研究大氣邊界層的特性和規律是非常必要的［3］。

本文設計的高性能多功能大氣邊界層溫度無線檢測系統，為掌握一個地區邊界層大氣運動規律，研究大氣污染物稀釋、擴散的規律，為工業布局、城市規劃、新建項目大氣污染預報等提供可靠的資料，具有重要的現實意義。

1 系統硬件電路設計

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。系統采用片上系統級單片機C8051F005 處理前端接收機的解調信號，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框圖

1.1 溫度檢測電路設計

系統采用負溫度系數熱敏電阻(NTC)作為測量傳感器，，經過信號轉換，把溫度信號轉換為用于傳輸處理的電信號，然后通過發射機向外發射。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現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為調節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定［6］。R1、R2、R3、RT1、C4組成多諧振蕩器的主要參數元件，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 調制發射電路設計

本系統使用單端型聲表面波諧振器的載波頻率產生電路，頻率設計為433.92 MHz，發系統載波產生如圖3 所示。

圖3 系統載波產生電路

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，振蕩電路的頻率穩定在聲表面波諧振器的諧振頻點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，起著開關的作用［7－8］。當信號輸入端為高電平時，三極管8050 飽和導通，振蕩電路開始工作;當為低電平時三極管8050 截止電流導通，振蕩電路停止工作。由此，當傳感器的信號轉換電路信號輸出端與系統發射電路的信號輸入端相連接，因為信號轉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 調制。最終得到由ASK 調制的，與檢測溫度相關聯的高頻發射信號，經過電容C1耦合輸出到天線對外發射，完成系統信號采集發射部分的功能［9－10］。在系統頻率偏移、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、成本低等優點。

1.3 解調接收電路設計

系統選用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］。芯片的一個特點是僅需外接少量的元器件即可構成UHF ASK 接收器，而且所有的RF 和IF 調諧都在芯片內自動完成。接收電路如圖4 所示。

圖4 解調接收電路

圖5中，無線信號由天線端進入，解調后的信號從Micrf009M 芯片的第10 引腳DO 端輸出，得到發射機調制前的原始頻率信號。芯片具有Shutdown 關斷功能，在不需要接收信號的情況下對芯片進行關斷控制，減少系統功耗，由單片機I/O 端口控制第11 引腳實現。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，提高接收機的性能。

圖5 單周期測量頻率總流程圖

2 系統軟件設計

系統采用低功耗軟件設計，C8051F005 使用了雙重時鐘的功能，達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 單片機的定時器3 產生25 ms 定時，定時器溢出時啟動A/D 采樣。單片機內部時鐘發生器受系統工作電壓，環境溫度等因素的影響，系統內部時鐘大約有20%的誤差。由于系統需要用到精確定時和串口通信，要求頻率穩定度高，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。在系統休眠或者特殊功能場合將時鐘切換到內部低頻率時鐘，以便降低功耗，運行頻率為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的核心程序，整個程序可以分成兩部分:①測量前端接收機的輸出的頻率信號;②信號處理計算。

頻率測量首先測量單個信號周期T，然后計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。

為了測量更為準確的數據和有較強的數據抗干擾處理能力，程序中使用去極值平均濾波的方法:連續采樣15 個周期，經過排序，分別去掉2 個最大和最小值，然后對剩下的11 個數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

信號處理計算程序流程圖如圖7 所示。

圖7 信號處理計算程序流程圖

2.2 ADC 測量程序

單片機內部的高性能ADC 子系統通過電壓型溫度傳感器的測量功能，測量系統工作時的外圍環境氣溫，為確定測量范圍，標定系統測量算法參數提供參考數據。系統設計時使用芯片內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行測量，確定可編程增益放大器的增益，然后再進行精確測量，這種方法能提高檢測的準確度和精度。

通過設計低功耗休眠模式，令系統在非工作期一直處于低消耗狀態，從而達到減小整個系統工作電流的目的。以盡可能縮短完成作業所需時間為標準，使得系統能夠盡快地恢復到休眠模式。進行溫度采樣時，系統連接外部晶振，定時器3 每400 ms溢出產生一個中斷，將系統從空閑模式喚醒。當系統被激活后，捕捉ADC 采樣數據，然后重新返回空閑模式，直到下一個中斷發生。在采樣時將振蕩器轉換到內部振蕩器，以縮短A/D 轉換的時間［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 測量結果與誤差分析

系統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隨外界測量溫度的變化而變化的特性，檢驗發射機頻率輸出的準確性。發射端的信號轉換是溫度值—電阻值—頻率值的轉換過程。相反地，接收端的信號轉換為頻率值—電阻值—溫度值。系統測量接收解調的頻率信號之后，經過f→R→T 變換計算，得到最終測量溫度值在液晶顯示器輸出。

函數擬合誤差和算法運行時的舍入誤差是系統誤差的主要部分，系統程序中對算法分段進行誤差補償的方法提高測試的精度和準確度。實際測量中R1、R2、R3、C4分別為:1 020 Ω、1 020 Ω、6 400 Ω、16.2 nF。最后，在相關算法參數進行修正后得到的測量結果如表1 所示。

表1 全量程方法修正后的測量結果

系統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，當系統算法不經過任何補償時，全量程方法實際測量的溫度值和理論的溫度值有0.41 ℃～4.74 ℃的測量偏差。可以看出，偏差的數值和范圍比較大，如果不采取補償措施，結果的精度不能達到預定的要求。

4 結論

本文對大氣邊界層溫度探測系統進行研究和設計，針對目前低空探空設備精度低、頻率漂移嚴重、高功耗等缺點，采用聲表面波諧振器解決原發射電路頻率偏移的問題，進而解決原有的接收系統需要被動跟蹤發射機頻率偏移帶來的設計問題。利用C8051F005 單片機的高速和高集成度的優點，大大地提高了儀表系統的性能、增強了功能，使用液晶顯示器，具有良好的人機界面和方便的通訊功能。采用低功耗優化設計使得整個系統有較低功耗，能實現長距離的低空探測，具有較低的測量誤差。

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