大气边界层温度无线检测仪的研究与设计

赵 强 ，崔 畅

(辽宁石油化工大学信息与控制工程学院，辽宁 抚顺113001)

贴近地球表面、受地球表面摩擦以及热力过程显著影响的大气层底部的一层大气称大气边界层，地球表面提供的物质和能量的主要消耗、扩散在大气边界层内，全球气候变化的区域响应以及地表变化和人类活动对气候的影响均是在大气边界层中发生［1－2］。人类生活于边界层中，边界层中气象物理场的变化直接关系到人们的社会生产活动，所以研究大气边界层的特性和规律是非常必要的［3］。

本文设计的高性能多功能大气边界层温度无线检测系统，为掌握一个地区边界层大气运动规律，研究大气污染物稀释、扩散的规律，为工业布局、城市规划、新建项目大气污染预报等提供可靠的资料，具有重要的现实意义。

1 系统硬件电路设计

大气边界层温度无线检测仪主要由电源电路、温度检测电路、无线发射电路、无线接收电路、信息处理电路5 部分组成［4－5］。如图1 所示。系统采用片上系统级单片机C8051F005 处理前端接收机的解调信号，并且完成控制、显示通信等其它功能。

图1 大气边界层温度无线检测系统框图

1.1 温度检测电路设计

系统采用负温度系数热敏电阻(NTC)作为测量传感器，，经过信号转换，把温度信号转换为用于传输处理的电信号，然后通过发射机向外发射。通过温度传感器自身的电阻R，利用555 定时器组成的多谐振荡器实现R－f 变换。最终得到温度－频率(T－f)变换。电路图如图2 所示。

图2 温度检测电路

其中C1、C2为电源的去耦合抗干扰电容;R1、R2为调节频率高低输出的精密匹配电阻;电压输入端口CVOLT 接一个0.01 μF 的电容器C3到地，起谐振作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定［6］。R1、R2、R3、RT1、C4组成多谐振荡器的主要参数元件，最后得到的方波频率信号f 由LM555CM 芯片的第3 引脚输出。

1.2 调制发射电路设计

本系统使用单端型声表面波谐振器的载波频率产生电路，频率设计为433.92 MHz，发系统载波产生如图3 所示。

图3 系统载波产生电路

其中，R1、L、R2、C2和高频三极管RF49 组成高频振荡电路，声表面波谐振器与R2并联，振荡电路的频率稳定在声表面波谐振器的谐振频点433.92 MHz;其中限流电阻R6 和低频三极管8050 是振荡电路的控制端口，起着开关的作用［7－8］。当信号输入端为高电平时，三极管8050 饱和导通，振荡电路开始工作;当为低电平时三极管8050 截止电流导通，振荡电路停止工作。由此，当传感器的信号转换电路信号输出端与系统发射电路的信号输入端相连接，因为信号转换电路的输出是方波信号，于是，通过R6、三极管8050 完成信号的ASK 调制。最终得到由ASK 调制的，与检测温度相关联的高频发射信号，经过电容C1耦合输出到天线对外发射，完成系统信号采集发射部分的功能［9－10］。在系统频率偏移、Q 值范围允许的情况下，直接采用声表面波器件与使用晶体谐振器的方法相比较，具有重量轻、体积小、功耗低、成本低等优点。

1.3 解调接收电路设计

系统选用Micrel 公司的Micrf009BM UHF 频段超外差无线接收芯片，Micrf009BM 芯片具有超低功耗，工作电流仅为290 μA(10 ∶1占空比)［11］。芯片的一个特点是仅需外接少量的元器件即可构成UHF ASK 接收器，而且所有的RF 和IF 调谐都在芯片内自动完成。接收电路如图4 所示。

图4 解调接收电路

图5中，无线信号由天线端进入，解调后的信号从Micrf009M 芯片的第10 引脚DO 端输出，得到发射机调制前的原始频率信号。芯片具有Shutdown 关断功能，在不需要接收信号的情况下对芯片进行关断控制，减少系统功耗，由单片机I/O 端口控制第11 引脚实现。另外，C1、C2、C3为电源的去耦合电容，组成抗干扰电路;C4、L1，L2、C5，L3、C6组成的高通滤波电路过滤无用的低频信号，提高接收机的性能。

图5 单周期测量频率总流程图

2 系统软件设计

系统采用低功耗软件设计，C8051F005 使用了双重时钟的功能，达到高性能和低功耗的效果。温度信号采样频率为40 Hz，即每隔25 ms 采样一次，利用C8051F040 单片机的定时器3 产生25 ms 定时，定时器溢出时启动A/D 采样。单片机内部时钟发生器受系统工作电压，环境温度等因素的影响，系统内部时钟大约有20%的误差。由于系统需要用到精确定时和串口通信，要求频率稳定度高，所以，必须用外部晶体振荡器作为时钟源。外部晶体振荡器的谐振频率为22. 1184 MHz，其在波特率为115200 时定时器分频误差为0。在系统休眠或者特殊功能场合将时钟切换到内部低频率时钟，以便降低功耗，运行频率为2 MHz。

2.1 大气边界层温度处理程序

大气边界层温度处理程序是系统的核心程序，整个程序可以分成两部分:①测量前端接收机的输出的频率信号;②信号处理计算。

频率测量首先测量单个信号周期T，然后计算得到本次脉冲的频率f。这种单脉冲测量方法只是在时间极短的单个信号波形周期时间里测量，因而有较好的抗干扰性能，适用于外围空间信号干扰较大的场合。

为了测量更为准确的数据和有较强的数据抗干扰处理能力，程序中使用去极值平均滤波的方法:连续采样15 个周期，经过排序，分别去掉2 个最大和最小值，然后对剩下的11 个数值先求和再求平均值，得到最终周期测量值T，程序流程图如图5、图6 所示。

图6 单次周期信号定时间隔测量流程图

信号处理计算程序流程图如图7 所示。

图7 信号处理计算程序流程图

2.2 ADC 测量程序

单片机内部的高性能ADC 子系统通过电压型温度传感器的测量功能，测量系统工作时的外围环境气温，为确定测量范围，标定系统测量算法参数提供参考数据。系统设计时使用芯片内带有可编程增益放大器，能提供0.5，1，2，4，8，16 这6 种增益模式。利用可编程增益放大器，系统测量时候使用了自动增益控制的功能，检测时候先对信号进行测量，确定可编程增益放大器的增益，然后再进行精确测量，这种方法能提高检测的准确度和精度。

通过设计低功耗休眠模式，令系统在非工作期一直处于低消耗状态，从而达到减小整个系统工作电流的目的。以尽可能缩短完成作业所需时间为标准，使得系统能够尽快地恢复到休眠模式。进行温度采样时，系统连接外部晶振，定时器3 每400 ms溢出产生一个中断，将系统从空闲模式唤醒。当系统被激活后，捕捉ADC 采样数据，然后重新返回空闲模式，直到下一个中断发生。在采样时将振荡器转换到内部振荡器，以缩短A/D 转换的时间［12］。

采用去极值平均滤波法，过滤极值端的最大和最小随机脉冲干扰，并且得到有效的平均值。ADC测量程序流程图如图8 所示。

图8 ADC 测量流程图

3 测量结果与误差分析

系统测试时使用电阻箱代替温度传感器，用以模拟传感器的电阻参数随外界测量温度的变化而变化的特性，检验发射机频率输出的准确性。发射端的信号转换是温度值—电阻值—频率值的转换过程。相反地，接收端的信号转换为频率值—电阻值—温度值。系统测量接收解调的频率信号之后，经过f→R→T 变换计算，得到最终测量温度值在液晶显示器输出。

函数拟合误差和算法运行时的舍入误差是系统误差的主要部分，系统程序中对算法分段进行误差补偿的方法提高测试的精度和准确度。实际测量中R1、R2、R3、C4分别为:1 020 Ω、1 020 Ω、6 400 Ω、16.2 nF。最后，在相关算法参数进行修正后得到的测量结果如表1 所示。

表1 全量程方法修正后的测量结果

系统测试使用全量程的测量方式，测量从－20 ℃～+40 ℃之间的任意温度值，当系统算法不经过任何补偿时，全量程方法实际测量的温度值和理论的温度值有0.41 ℃～4.74 ℃的测量偏差。可以看出，偏差的数值和范围比较大，如果不采取补偿措施，结果的精度不能达到预定的要求。

4 结论

本文对大气边界层温度探测系统进行研究和设计，针对目前低空探空设备精度低、频率漂移严重、高功耗等缺点，采用声表面波谐振器解决原发射电路频率偏移的问题，进而解决原有的接收系统需要被动跟踪发射机频率偏移带来的设计问题。利用C8051F005 单片机的高速和高集成度的优点，大大地提高了仪表系统的性能、增强了功能，使用液晶显示器，具有良好的人机界面和方便的通讯功能。采用低功耗优化设计使得整个系统有较低功耗，能实现长距离的低空探测，具有较低的测量误差。

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