自动气象站风传感器防冻控制电路设计

　　ATmega8的I/O口输出负载能力最大为40mA,无法直接驱动大功率设备，必须通过中间驱动电路实现单片机对功率设备工作状态的控制。实际应用中，通常采用继电器或交流接触器间接驱动。由于继电器或交流接触器具有机械接触特点，因而在很大程度上降低了控制系统整体的稳定性和可靠性。可控硅是功率开关型半导体器件，能在高电压、电流条件下工作，有无机械接触、大具体积小、便于安装等优点，广泛应用于电力电子设备中。为了避免机械接触开关的缺点，本系统选用以可控硅为主体的完全光电隔离的中间驱动电路。加热驱动电路示意图如图4所示。

　　当ATmega8的23脚(PC0端)输出高电平时，通过限流保护电阻器R4的双向光电耦合器上电工作，双向可控硅TRIACI栅极被经由R1、R2和双向光电耦合器的信号触发导通，加热电路得电工作;当ATmega8的23脚(PC0端)输出低电平时，双向光电耦合器截止，双向可控硅TRIACI栅极无触发信号被关断，加热电路断电停止工作。

　　电路中的R3、C2组成阻容吸收单元，可减小可控硅关断时加热电路中感性元件所产生的自感电动势对可控硅的过压冲击。R1、C1组成低通滤波单元，能降低双向光电耦合器误触发对后续电路的影响。同时，双向光电耦合器的使用彻底隔离了强弱电路，避免了大功率器件对单片机的干扰。

　　2.4 加热元器件的选用

　　通过各类加热管、电阻式加热丝、陶瓷发热元器件的加热效果进行反复筛选，对观测数据的影响进行论证试验，最终选用电阻加热丝为风传感器防冻害的加热元件。

　　3 软件设计

控制程序由数据采集、参数设定、加热控制等部分组成。通过采集程序读取自动气象站自动生成的实时数据文件，提取气温、风速、相对湿度等指标数据，若达到设定的临界参数时，通过串口给ATmega8发出控制指令，自动启动加热电路工作，待延时一定时间(达到设定的加热持续时间或不满足冻结条件时)发出停止加热指令，断开加热电路，关闭加热状态。也可以使用该软件选择“人工启动”方式，人工控制加热电路的启动与停止，达到自动气象站风传感器防冻、融冻的目的。

　　控制程序基于Visual Basic 6.0开发。使用微软公司提供的MsComm控件有效避免了直接调用Win32API造成的编程繁琐等弊端，以较少代码量实现本系统要求的全双工异步通信。用户可通过该软件任意控制加热电路的运行。软件运行界面如图5所示。

　　控制程序一般安装在自动气象站监控微机上便于读取实时观测资料。若安装在其它微机上，则必须设定实时观测资料的共享路径。若微机串口不够用，可以使用USB转232 接口进行转换，但需安装USB线驱动程序，并在控制程序中正确设定串口的端口号。开发中使用笔记本电脑并安装USB线驱动程序试验运行通过。

　　4 硬件安装

　　4.1 加热装置

　　自动气象站风传感器加热装置选用电阻加热丝为加热元件，安装在传感器内部。优点是：①由于对风流场不产生影响，没有机械摩擦影响，对测风光电计数器没有影响。因此，不影响观测数据准确性;②电阻加热丝装置具有易换性、易维护性、易维修和价格低廉等特点;③加热装置的预期寿命及周期为2a以上，便于自动气象站定期维护。

　　4.2 加热导线和供电电源

　　自动气象站风传感器加热装置利用厂家预留的空间位置，导线与自动气象站供电线路走向相同，通过自动气象站风杆内部送到传感器，不影响美观，同时保证能抗雷击和电磁干扰。

　　使用交流电源变压器将自动气象站供电的220V交流转换为36V(安全电压)，作为加热电压，以保证对人体和仪器的安全。电热丝电阻为150Ω，加热功率为8.64W。整个电路体积小巧，重量在1000g以下，可以安放在采集器机箱内。