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专利名称：自动气象站温度校准系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种自动气象站温度校准系统，属大气测量技术领域。
背景技术：
胡帆，杨恒祥的《自动气象站温度传感器现场校准的探讨》是对气象站温度传感器进行单独校准，需要对自动气象站进行拆卸送检，检测完还要安装，增加了校准的负担。黄玲的《自动气象站现场校准编证系统》一文中指出了自动气象站拆卸校准和人工校准存在的缺陷并编制了完整的软件系统设计，但没有配套的硬件设计，使用时还需借助现有的校准系统。易先军等在《一种高精度温度测量电路设计》中以钼电阻为测温元件，首先解决了高精度测量对硬件电路的一些苛刻的要求问题，但是精度只达到±0.4°C;方益喜等在《基于PT1000的高精度温度测量系统》中以钼电阻为测温元件，应用三线制恒流源驱动法和二次电压测量法大大降低了测温误差，在测量范围内实验测量误差不大于0.0rc，但由于器件选择等原因，测温范围都比较窄，不能用于自动气象站测温系统的校准。
发明内容为了解决自动气象站的温度校准问题，根据自动气象站测温精度和测温范围之间的关系，本实用新型设计了一种自动气象站温度校准系统。本实用新型的目的是通过以下措施实现的:自动气象站温度校准系统，包括测试电流产生电路、电位器调节电路、钼电阻传感器、信号调理电路、A/D转换电路、隔离器电路、CPU处理电路、显示器、基准电源及电源模块。测试电流产生电路产生的测试电流经信号调理电路产生电压信号，再经A/D转换电路、隔离器电路，送到CPU处理，结果由显示器显示，电源模块为各个电路提供电压源，其中测试电流产生电路和A/D转换电路共用基准电源。所述钼电阻传感器采用PT1000温度传感器。所述测试电流产生电路包括:0PA277运放U3、U7，电阻R27、R28、R29、R36、R37、R40,电位器R31、R32和电容C39 ;电容C39接基准电压源输出，基准电压源输出经电阻R29接0PA277运放U7同向输入端，电阻R29与R27串联接0PA277运放U3的输出端和反向输入端；0PA277运放U7的反向输入端经电阻R37接地，经电阻R40接0PA277运放U7的输出端；电阻U3的同向输入端经电位器调节电路构成的参考电阻接0PA277运放U7的输出端。所述电位器调节电路:包括电阻R1、R3和电位器R2、R4，电阻Rl和电位器R2串联后，再与电阻R3和电位器R4并联电路相串联。A/D转换电路采用24位高精度AD7799 A/D转换器。所述信号调理电路包括:0PA277运放U4、U8，钼电阻PT1000，电阻R30、R39、R30、R41、R42、R25、R26、R34、R35,电位器 R33、R38 和电容 C30、C31、C34、C35、C36 ;测试电流输入钼电阻PTlOOO经电位器调节电路构成的零度参考电阻接地，U4反向输入端接输出端，同向输入端接钼电阻PT1000电流输入端，OPA277运放U8同向输入端接钼电阻PT1000电流输出端，反向输入端经R41接地，经R42接输出端，OPA277运放U4、U8输出端接滤波电路即OPA277运放U4输出端接电阻R25后接电容C30后接地，电阻R25接电阻R26后接C31再接地，OPA277运放U8输出端接电阻R34后接电容C35再接地，电阻R34接电阻R35后接电容C36后接地，电阻R26和电阻R35间接C34，OPA277运放U4、U8输出滤波后的电压分别接AD7799的5脚和6脚。所述隔离器电路采用ADUM5401隔离芯片。所述CPU处理器采用AT89S52为MCU微处理器。本实用新型具有如下优点:本实用新型采用PT1000为温度传感器、具有良好模拟前端的24位高精度AD7799为AD转换器、集成有isoPower隔离式DC/DC转换器的隔离芯片ADUM5401位隔离器，设计出满足子东西抢占温度校准范围和精度的测温系统。

图1为自动气象站校准测温系统。图2为测试电流产生电路。图3为电位器调节电路。图4为信号调理电路。图5为AD转换电路。图6为隔离器电路。图7为电源模块。图8为数字电路模块。
具体实施方式
本实用新型中PT1000为钼电阻温度传感器、ADR421为基准电压源、0PA2277为运放、AD7799为A/D转换器、ADUM5401数字隔离器、AT89S52为MCU微处理器，各部分硬件电路如下:1、测试电流产生电路测试电流的稳定性直接决定这整个系统的精度和稳定性，其产生电路如图2所示，该电路产生的恒定的测试电流通过PT1000的两条附加线，将随温度变化的电阻信号转换成便于测量的电压信号，通过PT1000的另两条测试线测量电压信号。2、电位器校准调节电路如图3所示为电位器调节电路，串联后与馬JJ4的并联电路串联构成电位器调节电路。馬为小于所需电阻值的固定电阻，馬为用于粗调的可调电位器，且馬与馬的最大阻值之和大于所需电阻值。馬为阻值IOQ的固定电阻与100Q的可调电位器為串联，可实现0 9Q的精密微调。首先调节馬使阻值接近所需阻值，再调节馬使最终阻值在误差范围内接近所需阻值。[0031]由于测量时钼电阻和测温系统电路共同影响了测温精度，为降低系统误差，提高系统精度，硬件电路中零度电阻和测试电流产生电路中的参考电阻分别用电位器调节电路代替。3、信号调理电路信号调理电路如图4所示，该电路把PT1000与零度参考电阻串联，通过运放调节滤波后，将两个电阻两端的电压值送入AD7799的差分输入端，直接测出钼电阻电压相对零度时的变化量，该方法可以达到极高的测量精度。组合为电位器调节电路，调节产生PT1000的零度参考电阻R值。U4输出的电压信号经滤波后接入AD的5脚，U8输出的电压信号经滤波后介入AD的6脚。4、高精度差分AD的选择如图5，测温系统的分辨率及精度很大程度上取决于A/D转换单元，所以AD的选用非常重要。本系统AD转换芯片选择AD7799。AD7799具有以下特点:低功耗；0.0015%的低非线性度；转换精度达到24位无误码；50Hz和60Hz同步陷波，消除工频电源干扰；内置一 128增益的低噪声可编程仪表放大器；3个差分输入通道；带有SPI数据接口，可以方便地与MCU连接。运用AD的差分输入可有效抑制环境噪声和直流误差，因为噪声同时会对两路信号进行干扰且两路都存在直流误差源，差分后进行相减操作可有效消除噪声，从而减小误差。并且AD7799具有完整的模拟前端，可以直接测量钼电阻传感器输出的微弱的模拟信号，可简化电路使本系统的测量精度达到要求。由于本设计测温范围比较大，基准电压产生的温度飘移误差也比较大。本系统将AD和测试电流产生电路共用一个基准电压源:ADR421。当温度改变时，电流源和AD的基准电压同时飘移，飘移误差可相互抵消，从而进一步降低系统误差。AD的1、2、15、16脚分别接隔离器 ADUM5401 的 13、14、11、12 脚。5、隔离器电路如图6，单片机数字输出线存在高频噪声，直接与AD相连会把噪声引入AD，降低AD转换器的转换精度，所以本设计采用数字隔离器ADUM5401进行隔离。ADUM5401具有四个DC-25Mbps信号隔离通道，使AD7799和单片机之间实现完全的信号隔离，避免单片机把噪声引入AD ；ADUM5401还集成有isoPower的隔离式DC/DC转换器，为所有模拟电路部分提供5V电源供电，从而实现数字电源和模拟电源的完全隔离。ADUM5401的外围电路如图6所示。ADUM5401 的 3、4、5、6 脚分别接 AT89S51 的 21、22、23、24 脚。6、电源模块:如图7所示，电源输入后经LM7805转换生成+5V电压作为数字模块的电源，+5V电压作为ADUM5401芯片的原边电源，输出隔离的+5V副边电源作为模拟电路的正电源，+5V副边电源输入ICL7662产生-5V电压作为模拟电路的负电源。7、数字电路原理如图8所示。如图1所示组成，本实用新型的工作原理如下:可结合图1再详细点说明，不用给公式硬件部分为消除引线电阻的影响用四线制钼电阻传感器作为测温元件，参考电阻(大小等于钼电阻的零度电阻)与钼电阻串联，用测试电流作为驱动，通过信号调理电路和A/D转换器的差分模拟输入通道直接测量电压随温度的变化量，将A/D转换器处理后的数据经数字电路模块微处理器运用最小二乘法对数据进行分段线性拟合处理处理后获得的实时温度送液晶显示。系统完成后对其进行了实验验证其精度和测量范围能否满足校准要求。将本实用新型自动气象站温度校准系统的PT1000钼电阻和标准系统的PT100钼电阻都接入恒温槽后，首先将恒温槽温度调到0°C和80°C对系统进行调节校准，校准后对应CODE码分别为8388620和16267930，然后每隔10°C左右对测量系统进行一次定标测量。将恒温槽温度调到测试点附近，待标准系统显示的温度基本稳定后，每隔3min对同一温度点进行10次测量并分别求出自动气象站智能温度校准系统和标准系统的平均值做对比，并在误差较大的区域点做适当的修正，多次实验后得出最终系统测量数据，如表I所示，可以看出本系统的测温精度可达到0.06°C。可用于对目前国内大部分自动气象站的校准。校准时，将本系统测得的温度数据与上位机与同一时间自动气象站测得的温度数据对比求出相对误差便可知道自动气象站测温部分是否正常运。表I系统测量数据
权利要求1.自动气象站温度校准系统，其特征是:包括测试电流产生电路、电位器调节电路、钼电阻传感器、信号调理电路、A/D转换电路、隔离器电路、CPU处理电路、显示器、基准电源及电源模块；所述测试电流产生电路产生的测试电流经信号调理电路产生电压信号，再经A/D转换电路、隔离器电路，送到CPU处理，结果由显示器显示，电源模块为各个电路提供电压源，其中测试电流产生电路和A/D转换电路共用基准电源。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是:所述钼电阻传感器采用PTlOOO温度传感器。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征是:所述测试电流产生电路包括:OPA277运放U3、U7，电阻 R27、R28、R29、R36、R37、R40,电位器 R31、R32 和电容 C39 ；电容 C39 接基准电压源输出，基准电压源输出经电阻R29接OPA277运放U7同向输入端，电阻R29与R27串联接OPA277运放U3的输出端和反向输入端；OPA277运放U7的反向输入端经电阻R37接地，经电阻R40接OPA277运放U7的输出端；电阻U3的同向输入端经电位器调节电路构成的参考电阻接OPA277运放U7的输出端。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征是:所述电位器调节电路:包括电阻R1、R3和电位器R2、R4，电阻Rl和电位器R2串联后，再与电阻R3和电位器R4并联电路相串联。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征是:A/D转换电路采用24位高精度AD7799A/D转换器。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征是:所述信号调理电路包括:OPA277运放U4、U8，钼电阻 PT1000，电阻 R30、R39、R30、R41、R42、R25、R26、R34、R35，电位器 R33、R38 和电容C30、C31、C34、C35、C36 ;测试电流输入钼电阻PT1000经电位器调节电路构成的零度参考电阻接地，U4反向输入端接输出端，同向输入端接钼电阻PT1000电流输入端，OPA277运放U8同向输入端接钼电阻PT1000电流输出端，反向输入端经R41接地，经R42接输出端，OPA277运放U4、U8输出端接滤波电路即OPA277运放U4输出端接电阻R25后接电容C30后接地，电阻R25接电阻R26后接C31再接地，OPA277运放U8输出端接电阻R34后接电容C35再接地，电阻R34接电阻R35后接电容C36后接地，电阻R26和电阻R35间接C34，OPA277运放U4、U8输出滤波后的电压分别接AD7799的5脚和6脚。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征是:所述隔离器电路采用ADUM5401隔离芯片。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征是:所述CPU处理器采用AT89S52为MCU微处理器。
专利摘要本实用新型为了解决自动气象站的温度校准问题，根据自动气象站测温精度和测温范围之间的关系，设计了一种自动气象站温度校准系统。该系统包括测试电流产生电路、电位器调节电路、铂电阻传感器、信号调理电路、A/D转换电路、隔离器电路、CPU处理电路、显示器、基准电源及电源模块。
文档编号G01W1/18GK203054250SQ201220521928
公开日2013年7月10日 申请日期2012年10月12日 优先权日2012年10月12日
发明者行鸿彦, 张莉莉, 沙奕卓, 徐伟 申请人:南京信息工程大学