李毅聰

摘要：手持式自動氣象站綜合測試儀是用電路集成及嵌入式技術，通過單片機來實現對傳感器進行現場數據采集與檢測過程，在液晶屏直觀顯示待測傳感器信息，方便臺站業(yè)務人員現場測試傳感器與采集器是否工作正常。測試儀在省級維修檢定室和基層業(yè)務臺站使用，結果表明：測試儀效果達到野外測試的基本要求，測試結果與DT50、DT500數據采集器信息基本一致。手持式自動氣象站綜合測試儀外觀大方，操作簡單且方便攜帶，可滿足業(yè)務對臺站自動氣象站的現場檢測以提供高效可靠的技術保障。

關鍵詞：自動氣象站;綜合測試儀;便攜式;技術保障

中圖分類號： TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）21-0245-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： Based on the Integrated circuits and embedded technology， The general-purpose tester of handheld automatic weather station by using Microcontroller Unit is to realize field data collection and detection for sensors. For convenience， the measured sensor information is displayed visually on the LCD screen， so that the business staff of weather station can field test whether the sensor and collector work normally. The design is used by provincial laboratory and basic weather stations. The results show that， the design meets the basic requirements of field test， the test results are basically consistent with DT50 and DT500 data collector. The design with graceful appearance and convenient operation can satisfy the field test of automatic weather station to provide efficient and reliable technical support.

Key words： automatic weather station; general-purpose tester; portable; technical support

隨著氣象現代化建設進程的快速發(fā)展，基層業(yè)務臺站觀測設備也越來越多，呈現出種類多樣化、布點分散、技術細節(jié)多、要求高等特點，業(yè)務臺站人員在對于自動氣象站故障排查、維護維修方面存在較多問題[1]。

目前，江西省各級臺站的自動氣象站保障現狀有以下幾個特點：沒有設專職的系統(tǒng)維護人員;維修保障能力不強;人員流動性較大;沒有建立長效培訓機制等。有部分臺站業(yè)務人員有一定的維修檢測能力，但對于自動氣象站的檢查通常采用測量傳感器輸出信號的方式，也大都利用經驗判斷傳感器是否異常。由于測量信號為中間值，容易造成誤判，從而影響維修維護效率。上述問題是影響臺站保障工作效率乃至全省自動站系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要因素，如何解決上述問題提高業(yè)務臺站的保障能力顯得尤為重要。

對手持式自動氣象站綜合測試系統(tǒng)（以下簡稱“檢測儀”或“系統(tǒng)”）研發(fā)，在針對CAWS600型自動站檢測時間，能夠直接輸出信號最終值，從而將人為因素的影響降到最低，通過簡化煩瑣的故障排查過程，在很大程度上減少了維護人員的工作量。

檢測儀的設計面向基層臺站維護人員，結合現階段維護保障工作的要求，使臺站維護人員能夠避免傳統(tǒng)檢測過程當中的一些因素的干擾，作為自動氣象站維護的綜合性檢測工具，能夠在一定程度上解決自動氣象站保障的“最后一公里問題”，提高工作效率，為全省自動氣象站保障工作提供技術支撐[2-3]。

1 系統(tǒng)構架及工作原理

手持式自動氣象站綜合測試系統(tǒng)（以下簡稱“測試儀”或“系統(tǒng)”）是利用微處理器及外圍集成電路研發(fā)的一套自動氣象站綜合檢測終端設備，在實現功能上類似于一個便攜式“采集器”。

檢測儀按照硬件劃分主要由微處理器電路、電源模塊、液晶屏及外圍電路構成。按照功能劃分主要由功能按鍵、采樣模塊及數據顯示模塊構成。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

功能按鍵包括設置、退出、光標上移以及光標下移。維護人員可以通過按鍵的切換設置需要采樣的信號，將待測傳感器信號線纜接入相應接口，由微處理器進行A/D、計數、串口通訊等處理后顯示[4]。

根據檢測功能所需內部資源，微處理器選用STC12C5A60S2單片機，該系列單片機包含以下內部資源及結構特點：

（1）8路高速10位A/D和雙串口。

（2）指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，兼容性強、可移植性強。

（3）工作頻率為普通51的8-12倍，指令周期短。

（4）兩路PWM和4個16位定時器。

2? 采樣電路及外圍電路設計

采樣電路根據傳感器之間的電器特性不同，分別針對溫度、濕度、雨量、氣壓、風向、風度六個要素進行單獨設計相關采樣接口及外圍電路，各采樣模塊之間相互獨立，為后續(xù)系統(tǒng)的可擴展性及兼容性提供便利[5-6]。

2.1? 濕度采樣電路設計

CAWS600型自動站采用HMP45D型溫濕度傳感器測量空氣濕度。測濕元件是聚合物薄膜電容傳感器HUMICAP180，濕度輸出為0-1V電壓信號，對應的濕度值為0%RH-100%RH。

2.1.1 功能實現及濕度值計算

濕度電壓信號接入A/D轉換接口P1.1，檢測儀對信號進行A/D轉換。令濕度電壓為V，A/D輸出值為b，濕度值為c。其對應關系如下：

由上述兩式可得：

2.2 氣壓采樣電路設計

2.2.1? 采樣過程

PTB220型氣壓傳感器相對其他傳感器而言比較特殊，其內部含有微處理器，因此屬于智能傳感器。PTB220有以下輸出方式：軟件可設的RS232串行輸出;TTL電平輸出;模擬（電壓、電流）輸出;脈沖輸出。

檢測儀通過RS232通訊口，直接接收氣壓數字信號。電路如圖2所示，其中DB9為通訊接口，MAX232為電平轉換電路，實現TTL電平與RS232標準電平的相互轉換。

2.3? 雨量采樣電路設計

2.3.1? 采樣過程

目前，自動站普遍采用的是翻斗式雨量傳感器。當翻斗承積的水量達到一定的數量值時，翻斗翻倒。當計數翻斗翻動時，磁鋼對干簧管掃描，使干簧接點因磁化而瞬間閉合一次，送出一個電路導通脈沖，相當于0.1mm降雨量。

雨量信號通過J4接口接入P3.5，通過I/O口對雨量信號進行采集計數。對于脈沖計數后的延遲不宜過大，也不宜過小，在采樣過程中設置10ms的時間間隔。

2.4? 溫度采樣電路設計

2.4.1? 功能實現

CAWS600型自動站采用HMP45D型溫濕度傳感器測量空氣溫度。測溫元件是鉑電阻傳感器（Pt100），溫度輸出為電阻信號。

系統(tǒng)設定1mA激勵源通過100歐姆標準電阻和被測鉑電阻，分別經過放大、濾波后進行A/D轉換，并利用此兩組電壓與電阻的對應關系換算出被測PT100阻值，最后通過計算得到當前溫度值。

系統(tǒng)采用16位A/D轉換芯片AD7792，1mA激勵源可通過編程由片內產生，基準電壓為1.17V，由片內產生。溫度采樣電路如圖5所示。令標準電阻值為R1，采樣電壓為V1，被測PT100阻值為R2，采樣電壓為V2，溫度為T，變量間對應關系如下：

由上述兩式可得：

2.5? 風向及風速采樣電路設計

2.5.1? 風向采樣原理與實現

EL15-2/2A是低起動風速的光電風向傳感器。傳感器輸出為0-2.5V線性電壓信號，對應0?-360?風向值。風向信號接入P1.2端口進行A/D處理，如圖7所示。此時，令A/D值為a，風向輸出電壓為V，風向值為c，三個變量對應關系如下：

由上述兩式可得：

2.5.2? 風速采樣原理與實現

EL15-1/1A型風速傳感器是響應快、起動風速小的風杯式光電風速傳感器。風杯帶動附著在中心不銹鋼軸上的截光盤隨軸旋轉，每轉動一圈，切割紅外光束14次，從而由光電晶體中產生出一個脈沖鏈。輸出的脈沖頻率與風速成正比，風速與采樣頻率的關系為：風速=2.96+（0.419-0.000001）*頻率，風速脈沖采樣口為P3.4。風向、風速采樣電路如圖3所示。

2.6? 液晶屏及其外圍電路

2.6.1? 液晶屏選型及特點

顯示屏采用12864圖形液晶，控制器選用ST7920。該顯示屏的特點是：支持SPI通信，只需3根信號線就能完成處理器與顯示屏的連接，且?guī)е形淖謳?，無須取字模，節(jié)省了處理器的端口資源和內存資源。由于系統(tǒng)需要的按鍵數量不多，因此采用獨立式按鍵。

2.7? 充電電路設計

系統(tǒng)采用市電與充電電池雙電源供電。當接通市電并打開充電開關時，由變壓、整流模塊輸出系統(tǒng)12V電壓，同時為電池充電;當市電斷開時，由充電電池為系統(tǒng)供電。

充電電源部分是利用開關控制鋰電池的充、放電。當開關閉合且接通市電時，通過水泥電阻R24對電池進行充電，當充電電流太大時，R24能夠將多余的電功率轉化為熱量。正常充電時，電流約為167mA，二極管D3用于電源和電池的隔離，雙色發(fā)光二極管C16用來指示電池的充電狀態(tài)。

2.8? 線路故障檢測電路設計

系統(tǒng)利用固定電阻、傳感器線路和微處理器I/O口構成回路。I/O口輸出電壓為5V，固定電阻兩端電壓為V1，線路等效電阻兩端電壓為V2，由電路分壓原理可得：V2=5-V1，系統(tǒng)通過檢測V1大小判斷線路有無短路等故障。如V1=5，則V2=0，根據串聯電路分壓原理，可知線路阻抗為0，線路短路;如V1=0，則V2=5，線路阻抗為極大值，線路正常。

3 系統(tǒng)試驗、安裝與調試

根據外殼尺寸，完成電路板的布局以及尺寸設計;確定電池以及變壓器的安裝位置;確認功能按鍵、顯示屏在面板上的布局以及各采樣接口的位置。樣機如圖4所示。

采樣模塊調試說明：

（1）雨量采樣部分的試驗與調試。該部分的關鍵問題是采樣脈沖之后的時間間隔設置，如果設置時間較長，則會造成雨量計數偏小，如果設置時間較短，則容易造成雨量計數偏大。在經過一系列的調試之后，最終確定間隔為10ms。

（2）風速采樣部分的調試。由于風速采樣可以采用兩種方式，一種方式為對采樣端口電平進行查詢計數，另一種方式是利用單片機外部中斷的方式進行脈沖計數。為了選取合適的采樣方式，課題組在開發(fā)過程中分別對這兩種方式進行調試比對，最終確定采用第一種方式。

（3）溫度采樣模塊的調試。由于溫度采樣對于采樣電路的A/D轉換精度、激勵源穩(wěn)定度以及信號放大的線性度要求非常高，導致通常會產生溫度采樣誤差，因此需要加入軟件溫度補償。調試過程中，利用可變電阻模擬各個溫度區(qū)間，通過實際采樣值和理論值進行對比，得出在不同溫度區(qū)間內的補償系數，從而提高系統(tǒng)溫度采樣的精度[7]。

為驗證采樣數據的準確性，該測試儀在江西省大氣探測技術中心檢定所進行了連續(xù)10小時的拷機測試，同時將系統(tǒng)在外場臺站（新余觀測站）進行3小時現場測試，結果表明測試儀在運行過程中工作穩(wěn)定，系統(tǒng)操作簡單、數據顯示清晰、可讀性強。采樣數據準確、可靠，便于臺站業(yè)務人員使用。

4? 結論與討論

手持式自動氣象站綜合測試儀在臺站使用試運行一段時間，實際使用效果良好，能夠縮短自動氣象站維護人員的保障培訓周期，減少保障維護人員的煩瑣工作量，提高自動氣象站維護維修時效。系統(tǒng)采用模塊化的開發(fā)方式，整體結構具有較高的靈活性和適應性，能夠根據不同的需求定制相應的功能以及擴充功能模塊，以適應不同的維護工作需求。

由于充電電路采用直接流充電方式，對于充、放電過程的控制不夠精確，有待增加對充電電壓的判斷，從而實現對鋰電池電壓的在線監(jiān)控與充、放電控制。此測試儀能針對CAWS600型自動站的傳感器進行現場檢測，今后可根據需要增加其他型號傳感器的采樣功能，實現“種類全覆蓋、格式全兼容”。

參考文獻：

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[2] 趙寶義，錢毅，王科.新型自動氣象站的測量通道檢測方法及其使用注意事項[J].氣象海洋水文儀器， 2013，30（6）：98-101.

[3] 宋中玲，張靜.新型自動氣象站傳感器工作原理及測試方法研究[J].自動化儀表，2018，39（7）：78-81.

[4] 裴建勛，姚繼東，趙雪明.新型自動氣象觀測站故障檢測儀的研發(fā)[J].氣象災害防御，2018，25（2）：44-48.

[5] 魏明明，章維東，李常春，等.區(qū)域自動氣象站溫度傳感器檢測儀的研制與應用[J].氣象科技，2017，45（2）：223-227.

[6] 余炳瑩，行鴻彥，鄒應全，等.自動氣象站信號模擬器通信系統(tǒng)的設計與實現[J].氣象水文海洋儀器，2011，28（3）：57-60.

[7] 國家質量監(jiān)督檢疫檢驗總局.JJF 1257-2010干體式溫度校準器校準方法[S].北京：國家質量監(jiān)督檢疫檢驗總局，2009.

【通聯編輯：唐一東】