自動氣象溫濕度傳感器采集電路設計與實現

李要中

(民航河南空管分局，河南 鄭州450000)

0 引言

隨著氣象探測技術的不斷發展[1]，結合目前民航氣象探測業務需求[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行了自動數字化研究，設計了一種自動溫濕度傳感器采集電路，該電路結合溫濕度測量原理，以高精度低功耗微型化方式將數據采集處理單元集成在采集板上，實現對機場氣象溫濕度觀測數據的采集、處理、存儲等功能，能夠廣泛地應用于民航氣象業務中。

1 設計總體結構

溫濕度數據采集單元可以對實時環境溫濕度信息進行采集、運算處理[3]。 設計整體結構包括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。 設計中溫度電阻采用PT100，根據PT100 在溫度為0 ℃時的標準電阻值為100 Ω，且隨著溫度的變化PT100 的電阻值也跟著變化的特性，設計通過測量PT100 的電阻值，計算出當前的溫度值。 系統設計總體結構如圖1 所示。

圖1 設計結構圖

1.1 電源電路設計

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 之間可調節的單片式降壓型開關穩壓器，輸入電壓最高可達36 V，設計選擇常用的12 V 電壓輸入[4]，控制電阻采用63.4 kΩ/1%，FB 引 腳 選 用 阻 值 大 小 為316 kΩ，能夠產生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，以2.5 V 為基準，高電平觸發開始工作，低電平觸發停止工作。 設計原理如圖2 所示。

1.2 時間電路設計

時間電路選用低成本、高精度I2C 實時時鐘芯片DS3231 來設計實現，DS3231 的寄存器地址為00h ～12h，它通過讀取適當的寄存器字節來獲取時鐘和日歷信息[5]。 通過寫入適當的寄存器字節設定或者初始化時鐘和日歷數據[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 通信電路設計

通信接口電路采用支持RS-232、RS-485，以及RS-422 串行標準的SP339 多協議收發器來實現RS-232/485/422 通 信[7]，RS-485/422 模 式 由 在半、全和復合雙工配置中高達1 個驅動器以及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）。 所有發射輸出和接收輸入具備強勁的靜電放電保護，當輸入是開路、短路或終止但未使用狀態時， 通過默認邏輯高輸出電平，每個接收輸出都具有完全的故障安全保護，避免系統出現鎖住、振蕩，或不確定的狀態[8]。 電路原理如圖4 所示。

2 溫濕度信號采集電路設計及原理

采集電路模數轉換器輸出恒定電流[9]，通過四線制的溫度電阻[10]，從電阻兩端采集電壓信號，經過模數轉換獲取溫濕度相關數字信息，并將其傳送至CPU 進行整合，CPU 控制電子開關實現三路溫度信息切換，依次輸出環境溫濕度信號。

采集電路利用4 線制PT100 鉑電阻對溫度進行測量，通過恒流源驅動的方式產生溫度對應電壓[11]，再通過AD7792 采集可以計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1.17 V 的基準電壓進行采集,得到ADSample2 采樣值,計算出濕度對應的電壓值Vrh(單位：mV)，Vrh 在數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，然后根據上式即可求出當前的溫度值。

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 通道以及片內的基準1.17 V 的基準電壓進行采集，設經AD 測得的采樣信號值為ADSample2，傳感器對應輸出的電壓值為Vrh(單位：mV)，以1.17 V 的基準電壓作為參考電壓，根據式(2)：

圖4 通信接口電路

可計算出對應濕度傳感器輸出的電壓值Vrh，再根據濕度與濕度電壓之間的轉換關系：濕度=濕度電壓×100%(單位：%)可知，上式中輸出電壓值Vrh 在數值上與濕度采樣值相等，即為：

設計溫度采集電路時的模擬/數字轉換芯片采用的是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電壓源，而電流源可用于驅動PT100 鉑電阻，簡化電路設計的同時又縮減了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 鉑電阻自身電阻發熱進而影響實際溫度的測量，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[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。 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

在濕度采集電路設計時，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 數據采集處理應用程序設計

程序設計部分以C 語言為主要開發語言，應用程序主要實現系統時鐘維護、數據補傳、數據采集、數據處理、數據存儲、數據發送、數據讀取、數據接收等功能[14]。 程序采用多線程事件調用的形式，根據事件發生調用SAPI_ProcessEvent()函數，按照事件類型執行不同的事件操作， 其中采樣事件中AD7792的通道0 和通道1 用作信號采集，程序中定義一個關于AD7792 兩個測量通道的函數參數，后期可根據需求改變此參數，實現兩個通道模式間的測量切換。 數據采集處理流程如圖8 所示。

4 測試結果

自動氣象溫濕度傳感器采集電路以IAR 作為軟件程序開發平臺[15]，測試將串口調試助手連接到采集電路，設置串口參數，主動接收調試數據并生成數據狀態文件，發送指定的通信操作指令，如數據讀取命令READDATA，程序能夠接收到正確的數據及狀態信息，主要包括完整數據幀格式和對應傳感器設備狀態提示信息。 測試結果如圖9 所示。

圖8 數據采集處理流程圖

圖9 串口測試結果

5 結論

本文設計了一種自動氣象溫濕度傳感器采集電路，實驗調試后可以獲取到傳感器的數據及對應狀態信息，能夠實現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展需求。