手持式自动气象站综合测试仪研制与应用

李毅聪

摘要：手持式自动气象站综合测试仪是用电路集成及嵌入式技术，通过单片机来实现对传感器进行现场数据采集与检测过程，在液晶屏直观显示待测传感器信息，方便台站业务人员现场测试传感器与采集器是否工作正常。测试仪在省级维修检定室和基层业务台站使用，结果表明：测试仪效果达到野外测试的基本要求，测试结果与DT50、DT500数据采集器信息基本一致。手持式自动气象站综合测试仪外观大方，操作简单且方便携带，可满足业务对台站自动气象站的现场检测以提供高效可靠的技术保障。

关键词：自动气象站;综合测试仪;便携式;技术保障

中图分类号： TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）21-0245-03

开放科学（资源服务）标识码（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

隨着气象现代化建设进程的快速发展，基层业务台站观测设备也越来越多，呈现出种类多样化、布点分散、技术细节多、要求高等特点，业务台站人员在对于自动气象站故障排查、维护维修方面存在较多问题[1]。

目前，江西省各级台站的自动气象站保障现状有以下几个特点：没有设专职的系统维护人员;维修保障能力不强;人员流动性较大;没有建立长效培训机制等。有部分台站业务人员有一定的维修检测能力，但对于自动气象站的检查通常采用测量传感器输出信号的方式，也大都利用经验判断传感器是否异常。由于测量信号为中间值，容易造成误判，从而影响维修维护效率。上述问题是影响台站保障工作效率乃至全省自动站系统稳定运行的重要因素，如何解决上述问题提高业务台站的保障能力显得尤为重要。

对手持式自动气象站综合测试系统（以下简称“检测仪”或“系统”）研发，在针对CAWS600型自动站检测时间，能够直接输出信号最终值，从而将人为因素的影响降到最低，通过简化烦琐的故障排查过程，在很大程度上减少了维护人员的工作量。

检测仪的设计面向基层台站维护人员，结合现阶段维护保障工作的要求，使台站维护人员能够避免传统检测过程当中的一些因素的干扰，作为自动气象站维护的综合性检测工具，能够在一定程度上解决自动气象站保障的“最后一公里问题”，提高工作效率，为全省自动气象站保障工作提供技术支撑[2-3]。

1 系统构架及工作原理

手持式自动气象站综合测试系统（以下简称“测试仪”或“系统”）是利用微处理器及外围集成电路研发的一套自动气象站综合检测终端设备，在实现功能上类似于一个便携式“采集器”。

检测仪按照硬件划分主要由微处理器电路、电源模块、液晶屏及外围电路构成。按照功能划分主要由功能按键、采样模块及数据显示模块构成。系统功能框图如图1所示。

功能按键包括设置、退出、光标上移以及光标下移。维护人员可以通过按键的切换设置需要采样的信号，将待测传感器信号线缆接入相应接口，由微处理器进行A/D、计数、串口通讯等处理后显示[4]。

根据检测功能所需内部资源，微处理器选用STC12C5A60S2单片机，该系列单片机包含以下内部资源及结构特点：

（1）8路高速10位A/D和双串口。

（2）指令代码完全兼容传统8051，兼容性强、可移植性强。

（3）工作频率为普通51的8-12倍，指令周期短。

（4）两路PWM和4个16位定时器。

2  采样电路及外围电路设计

采样电路根据传感器之间的电器特性不同，分别针对温度、湿度、雨量、气压、风向、风度六个要素进行单独设计相关采样接口及外围电路，各采样模块之间相互独立，为后续系统的可扩展性及兼容性提供便利[5-6]。

2.1  湿度采样电路设计

CAWS600型自动站采用HMP45D型温湿度传感器测量空气湿度。测湿元件是聚合物薄膜电容传感器HUMICAP180，湿度输出为0-1V电压信号，对应的湿度值为0%RH-100%RH。

2.1.1 功能实现及湿度值计算

湿度电压信号接入A/D转换接口P1.1，检测仪对信号进行A/D转换。令湿度电压为V，A/D输出值为b，湿度值为c。其对应关系如下：

由上述两式可得：

2.2 气压采样电路设计

2.2.1  采样过程

PTB220型气压传感器相对其他传感器而言比较特殊，其内部含有微处理器，因此属于智能传感器。PTB220有以下输出方式：软件可设的RS232串行输出;TTL电平输出;模拟（电压、电流）输出;脉冲输出。

检测仪通过RS232通讯口，直接接收气压数字信号。电路如图2所示，其中DB9为通讯接口，MAX232为电平转换电路，实现TTL电平与RS232标准电平的相互转换。

2.3  雨量采样电路设计

2.3.1  采样过程

目前，自动站普遍采用的是翻斗式雨量传感器。当翻斗承积的水量达到一定的数量值时，翻斗翻倒。当计数翻斗翻动时，磁钢对干簧管扫描，使干簧接点因磁化而瞬间闭合一次，送出一个电路导通脉冲，相当于0.1mm降雨量。

雨量信号通过J4接口接入P3.5，通过I/O口对雨量信号进行采集计数。对于脉冲计数后的延迟不宜过大，也不宜过小，在采样过程中设置10ms的时间间隔。

2.4  温度采样电路设计

2.4.1  功能实现

CAWS600型自动站采用HMP45D型温湿度传感器测量空气温度。测温元件是铂电阻传感器（Pt100），温度输出为电阻信号。

系统设定1mA激励源通过100欧姆标准电阻和被测铂电阻，分别经过放大、滤波后进行A/D转换，并利用此两组电压与电阻的对应关系换算出被测PT100阻值，最后通过计算得到当前温度值。

系统采用16位A/D转换芯片AD7792，1mA激励源可通过编程由片内产生，基准电压为1.17V，由片内产生。温度采样电路如图5所示。令标准电阻值为R1，采样电压为V1，被测PT100阻值为R2，采样电压为V2，温度为T，变量间对应关系如下：

由上述两式可得：

2.5  风向及风速采样电路设计

2.5.1  风向采样原理与实现

EL15-2/2A是低起动风速的光电风向传感器。传感器输出为0-2.5V线性电压信号，对应0?-360?风向值。风向信号接入P1.2端口进行A/D处理，如图7所示。此时，令A/D值为a，风向输出电压为V，风向值为c，三个变量对应关系如下：

由上述两式可得：

2.5.2  风速采样原理与实现

EL15-1/1A型风速传感器是响应快、起动风速小的风杯式光电风速传感器。风杯带动附着在中心不锈钢轴上的截光盘随轴旋转，每转动一圈，切割红外光束14次，从而由光电晶体中产生出一个脉冲链。输出的脉冲频率与风速成正比，风速与采样频率的关系为：风速=2.96+（0.419-0.000001）*频率，风速脉冲采样口为P3.4。风向、风速采样电路如图3所示。

2.6  液晶屏及其外围电路

2.6.1  液晶屏选型及特点

显示屏采用12864图形液晶，控制器选用ST7920。该显示屏的特点是：支持SPI通信，只需3根信号线就能完成处理器与显示屏的连接，且带中文字库，无须取字模，节省了处理器的端口资源和内存资源。由于系统需要的按键数量不多，因此采用独立式按键。

2.7  充电电路设计

系统采用市电与充电电池双电源供电。当接通市电并打开充电开关时，由变压、整流模块输出系统12V电压，同时为电池充电;当市电断开时，由充电电池为系统供电。

充电电源部分是利用开关控制锂电池的充、放电。当开关闭合且接通市电时，通过水泥电阻R24对电池进行充电，当充电电流太大时，R24能够将多余的电功率转化为热量。正常充电时，电流约为167mA，二极管D3用于电源和电池的隔离，双色发光二极管C16用来指示电池的充电状态。

2.8  线路故障检测电路设计

系统利用固定电阻、传感器线路和微处理器I/O口构成回路。I/O口输出电压为5V，固定电阻两端电压为V1，线路等效电阻两端电压为V2，由电路分压原理可得：V2=5-V1，系统通过检测V1大小判断线路有无短路等故障。如V1=5，则V2=0，根据串联电路分压原理，可知线路阻抗为0，线路短路;如V1=0，则V2=5，线路阻抗为极大值，线路正常。

3 系统试验、安装与调试

根据外壳尺寸，完成电路板的布局以及尺寸设计;确定电池以及变压器的安装位置;确认功能按键、显示屏在面板上的布局以及各采样接口的位置。样机如图4所示。

采样模块调试说明：

（1）雨量采样部分的试验与调试。该部分的关键问题是采样脉冲之后的时间間隔设置，如果设置时间较长，则会造成雨量计数偏小，如果设置时间较短，则容易造成雨量计数偏大。在经过一系列的调试之后，最终确定间隔为10ms。

（2）风速采样部分的调试。由于风速采样可以采用两种方式，一种方式为对采样端口电平进行查询计数，另一种方式是利用单片机外部中断的方式进行脉冲计数。为了选取合适的采样方式，课题组在开发过程中分别对这两种方式进行调试比对，最终确定采用第一种方式。

（3）温度采样模块的调试。由于温度采样对于采样电路的A/D转换精度、激励源稳定度以及信号放大的线性度要求非常高，导致通常会产生温度采样误差，因此需要加入软件温度补偿。调试过程中，利用可变电阻模拟各个温度区间，通过实际采样值和理论值进行对比，得出在不同温度区间内的补偿系数，从而提高系统温度采样的精度[7]。

为验证采样数据的准确性，该测试仪在江西省大气探测技术中心检定所进行了连续10小时的拷机测试，同时将系统在外场台站（新余观测站）进行3小时现场测试，结果表明测试仪在运行过程中工作稳定，系统操作简单、数据显示清晰、可读性强。采样数据准确、可靠，便于台站业务人员使用。

4  结论与讨论

手持式自动气象站综合测试仪在台站使用试运行一段时间，实际使用效果良好，能够缩短自动气象站维护人员的保障培训周期，减少保障维护人员的烦琐工作量，提高自动气象站维护维修时效。系统采用模块化的开发方式，整体结构具有较高的灵活性和适应性，能够根据不同的需求定制相应的功能以及扩充功能模块，以适应不同的维护工作需求。

由于充电电路采用直接流充电方式，对于充、放电过程的控制不够精确，有待增加对充电电压的判断，从而实现对锂电池电压的在线监控与充、放电控制。此测试仪能针对CAWS600型自动站的传感器进行现场检测，今后可根据需要增加其他型号传感器的采样功能，实现“种类全覆盖、格式全兼容”。

参考文献：

[1] 陈冬冬，杨志彪，施丽娟，等.新型自动气象站结构特点及其优越性[J].气象海洋水文仪器，2011， 28（4）：93-99.

[2] 赵宝义，钱毅，王科.新型自动气象站的测量通道检测方法及其使用注意事项[J].气象海洋水文仪器， 2013，30（6）：98-101.

[3] 宋中玲，张静.新型自动气象站传感器工作原理及测试方法研究[J].自动化仪表，2018，39（7）：78-81.

[4] 裴建勋，姚继东，赵雪明.新型自动气象观测站故障检测仪的研发[J].气象灾害防御，2018，25（2）：44-48.

[5] 魏明明，章维东，李常春，等.区域自动气象站温度传感器检测仪的研制与应用[J].气象科技，2017，45（2）：223-227.

[6] 余炳莹，行鸿彦，邹应全，等.自动气象站信号模拟器通信系统的设计与实现[J].气象水文海洋仪器，2011，28（3）：57-60.

[7] 國家质量监督检疫检验总局.JJF 1257-2010干体式温度校准器校准方法[S].北京：国家质量监督检疫检验总局，2009.

【通联编辑：唐一东】