李要中

(民航河南空管分局，河南 郑州450000)

0 引言

随着气象探测技术的不断发展[1]，结合目前民航气象探测业务需求[2]，对气象温湿度信号采集提出了更高的要求。本文对气象温湿度传感器进行了自动数字化研究，设计了一种自动温湿度传感器采集电路，该电路结合温湿度测量原理，以高精度低功耗微型化方式将数据采集处理单元集成在采集板上，实现对机场气象温湿度观测数据的采集、处理、存储等功能，能够广泛地应用于民航气象业务中。

1 设计总体结构

温湿度数据采集单元可以对实时环境温湿度信息进行采集、运算处理[3]。 设计整体结构包括MCU 控制电路、信号采集电路、通信接口电路、外部时钟电路及电源。 设计中温度电阻采用PT100，根据PT100 在温度为0 ℃时的标准电阻值为100 Ω，且随着温度的变化PT100 的电阻值也跟着变化的特性，设计通过测量PT100 的电阻值，计算出当前的温度值。 系统设计总体结构如图1 所示。

图1 设计结构图

1.1 电源电路设计

采集电路芯片工作电源为3.3 V，采用LT3680模块，作为频率在200 kHz～2.4 MHz 之间可调节的单片式降压型开关稳压器，输入电压最高可达36 V，设计选择常用的12 V 电压输入[4]，控制电阻采用63.4 kΩ/1%，FB 引 脚 选 用 阻 值 大 小 为316 kΩ，能够产生3.3 V 电压值。 RUN/SS 引脚上的电阻器和电容器提供一个受控的输出电压斜坡控制芯片工作状态，以2.5 V 为基准，高电平触发开始工作，低电平触发停止工作。 设计原理如图2 所示。

1.2 时间电路设计

时间电路选用低成本、高精度I2C 实时时钟芯片DS3231 来设计实现，DS3231 的寄存器地址为00h ～12h，它通过读取适当的寄存器字节来获取时钟和日历信息[5]。 通过写入适当的寄存器字节设定或者初始化时钟和日历数据[6]。 具体电路原理如图3 所示。

图2 电源电路图

图3 时间电路

1.3 通信电路设计

通信接口电路采用支持RS-232、RS-485，以及RS-422 串行标准的SP339 多协议收发器来实现RS-232/485/422 通 信[7]，RS-485/422 模 式 由 在半、全和复合双工配置中高达1 个驱动器以及1 个接收器(1TX/1RX)组成。 RS-232 模式(3TX/5RX)提供全部与DB9 RS-232 连接器并用的8 个信号支持，另外提供专门的诊断回路模式，所有的驱动程序，可以摆限于任何250 kb/s 的模式，以最小化电磁干扰(EMI）。 所有发射输出和接收输入具备强劲的静电放电保护，当输入是开路、短路或终止但未使用状态时， 通过默认逻辑高输出电平，每个接收输出都具有完全的故障安全保护，避免系统出现锁住、振荡，或不确定的状态[8]。 电路原理如图4 所示。

2 温湿度信号采集电路设计及原理

采集电路模数转换器输出恒定电流[9]，通过四线制的温度电阻[10]，从电阻两端采集电压信号，经过模数转换获取温湿度相关数字信息，并将其传送至CPU 进行整合，CPU 控制电子开关实现三路温度信息切换，依次输出环境温湿度信号。

采集电路利用4 线制PT100 铂电阻对温度进行测量，通过恒流源驱动的方式产生温度对应电压[11]，再通过AD7792 采集可以计算出温度传感器的电阻值Rpt100。 湿度信号输出类型为0 ～1 V 的直流电压，利用AD7792 的第2 通道以及片内1.17 V 的基准电压进行采集,得到ADSample2 采样值,计算出湿度对应的电压值Vrh(单位：mV)，Vrh 在数值上与湿度采样值相等。

PT100 在温度为0 ℃时电阻值为100 Ω，随着温度的变化PT100 的电阻值也跟着变化，其电阻随温度的变化关系可以用式(1)表示：

其中，α=3.908 3×10-3，β=-5.775×10-7，通过测量得到PT100 的电阻值，然后根据上式即可求出当前的温度值。

对于湿度传感器，输出的是一个0～1 V 的电压信号，利用AD7792 的第2 通道以及片内的基准1.17 V 的基准电压进行采集，设经AD 测得的采样信号值为ADSample2，传感器对应输出的电压值为Vrh(单位：mV)，以1.17 V 的基准电压作为参考电压，根据式(2)：

图4 通信接口电路

可计算出对应湿度传感器输出的电压值Vrh，再根据湿度与湿度电压之间的转换关系：湿度=湿度电压×100%(单位：%)可知，上式中输出电压值Vrh 在数值上与湿度采样值相等，即为：

设计温度采集电路时的模拟/数字转换芯片采用的是AD7792，作为16 位ADC 芯片，其具有三个差分模拟输入通道，自带可编程电流源及基准电压源，而电流源可用于驱动PT100 铂电阻，简化电路设计的同时又缩减了PCB 的体积[12]。 针对PT100 铂电阻来说，如果选取的恒流源电流值太大，会造成PT100 铂电阻自身电阻发热进而影响实际温度的测量，同时也会增加功耗，所以，理想的恒流源大小为1 mA，而AD7792 支持1 mA 电流源输出，此时铂电阻自身的功耗仅为100 μW，可以忽略不计[13]。 温度信号采集电路如图5 所示。

PT100 与AD7792 连接的3 路温度采集电路中的AIN1 通道用来测量PT100 两端的差分电压，AIN2 用于测量100 Ω 精密电阻两端的差分电压，两个差分电压需成对测量，也就是测量完AIN1 通道后就测量AIN2，二者成对出现。 3 路温度采集原理如图6 所示。

图5 PT100 温度信号采集电路

图6 3 路温度采集原理

在湿度采集电路设计时，将一个电压跟随器加在湿度传感器信号输出和AD7792 之间， 使得前后电路相互不影响，将输出信号与负载隔离开来。 湿度传感器输出信号类型为0 ～1 V 的直流电压，用AD7792 芯片直接采集得到高精度的湿度信号。 湿度信号采集电路如图7 所示。

图7 湿度信号采集电路

3 数据采集处理应用程序设计

程序设计部分以C 语言为主要开发语言，应用程序主要实现系统时钟维护、数据补传、数据采集、数据处理、数据存储、数据发送、数据读取、数据接收等功能[14]。 程序采用多线程事件调用的形式，根据事件发生调用SAPI_ProcessEvent()函数，按照事件类型执行不同的事件操作， 其中采样事件中AD7792的通道0 和通道1 用作信号采集，程序中定义一个关于AD7792 两个测量通道的函数参数，后期可根据需求改变此参数，实现两个通道模式间的测量切换。 数据采集处理流程如图8 所示。

4 测试结果

自动气象温湿度传感器采集电路以IAR 作为软件程序开发平台[15]，测试将串口调试助手连接到采集电路，设置串口参数，主动接收调试数据并生成数据状态文件，发送指定的通信操作指令，如数据读取命令READDATA，程序能够接收到正确的数据及状态信息，主要包括完整数据帧格式和对应传感器设备状态提示信息。 测试结果如图9 所示。

图8 数据采集处理流程图

图9 串口测试结果

5 结论

本文设计了一种自动气象温湿度传感器采集电路，实验调试后可以获取到传感器的数据及对应状态信息，能够实现对气象温湿度要素的较高精度采集，适用于民航气象探测智能化发展需求。