CN208314229U

CN208314229U - 一种便携式气象传感器故障检测装置

Info

Publication number: CN208314229U
Application number: CN201820999863.8U
Authority: CN
Inventors: 王明辉; 陈冰怀; 李建勇; 吕玉嫦; 郑英镑
Original assignee: Guangdong Meteorological Computer Application Development Research Institute; Guangdong Meteorological Sounding Data Center
Current assignee: Guangdong Meteorological Computer Application Development Research Institute; Guangdong Meteorological Sounding Data Center
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2019-01-01
Anticipated expiration: 2028-06-27

Abstract

本实用新型提供了一种便携式气象传感器故障检测装置，包括主机和在测试时分别与主机连接的待测温度传感器、标准温度传感器、待测湿度传感器、标准湿度传感器、待测风向传感器、待测风速传感器、待测雨量传感器、待测气压传感器和/或标准气压传感器；主机包括主电路板、屏幕、键盘、供电模块及集成采集接口板；主电路板分别与显示模块、键盘模块和集成采集接口板连接以用于采集控制、进行模数转换的数码转换、要素计算、资源调度及时序设计，且主电路板包括RTOS系统以实现测量数据计算和故障判定。本实用新型对温度、湿度、雨量、风向、风速和/或气压六种传感器进行测试，并在少量人工协助下，输出观测数值及故障判定结果。

Description

一种便携式气象传感器故障检测装置

技术领域

本实用新型涉及传感器故障检测技术领域，尤其涉及一种便携式气象传感器故障检测装置。

背景技术

随着我国气象现代化的推进，建设了大量通用和特殊观测的自动气象站，以珠三角为例，已建成站点密度达5km的网格，按照规划，未来几年将向多要素、广维度、高密度建设观测网络，增加PM2.5、土壤酸碱度、日照时数、生态等特色观测项目，可以预见，未来的自动气象站类型、数量的增长速度是前所未有的，保障任务之繁重也是空前的。在可以预见的未来繁重的保障任务面前，是当前捉襟见肘的保障能力。

自动气象站采用模块化架构，数据采集器和传感器是其最主要的两个部分，在现场维护中要求快速判定故障位置并更换相应组件，数据采集器往往通过接入传感器查看是否有采样数据来判断是否正常，而传感器的故障判定是相较更为困难的一环。目前在业务一线并无专门设备用于检测气象传感器工况，维修人员往往依靠经验，采用万用表对部分传感器进行检测，技术要求很高，并且对于气压传感器、风向传感器、风速传感器，尚难以通过万用表进行检测。维保一线亟需一款专门的气象传感器故障检测设备。

实用新型内容

本实用新型针对现有需求，提出一种便携式气象传感器故障检测装置，用以解决上述问题。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种便携式气象传感器故障检测装置，包括主机和在测试时分别与所述主机连接的待测温度传感器、标准温度传感器、待测湿度传感器、标准湿度传感器、待测风向传感器、待测风速传感器、待测雨量传感器、待测气压传感器和/或标准气压传感器；

所述主机包括主电路板、屏幕、键盘、供电模块及集成采集接口板；所述主电路板分别连接所述屏幕、键盘和集成采集接口板以用于采集控制、进行模数转换的数码转换、要素计算、资源调度及时序设计，且所述主电路板包括RTOS系统以实现测量数据计算和故障判定；

集成采集接口板在测试时分别连接所述待测温度传感器、标准温度传感器、待测湿度传感器、标准湿度传感器、待测风向传感器、待测风速传感器、待测雨量传感器、待测气压传感器和/或标准气压传感器。

进一步的，所述主电路板还包括系统主芯片，该系统主芯片为单片机STC12C5A60S2。

进一步的，所述待测温度传感器和标准温度传感器均为铂电阻温度传感器且连接温度测量电路。

进一步的，所述主电路板还包括连接单片机的A/D转换器AD7711以实现温度的测量；

所述A/D转换器AD7711包括一个sigma-delta ADC、数字滤波器、可编程放大器、时钟发生器、24位控制/数据/校准寄存器、恒流源。

进一步的，所述湿度传感器为HMP155A相对湿度传感器且连接湿度测量电路。

进一步的，所述风向传感器为EL15-2风向传感器且连接风向测量电路。

进一步的，所述主电路板还包括连接单片机的八选一多路选择器CD4512以实现风向的测量。

进一步的，所述风速传感器为EL15-1风速传感器且连接风速测量电路。

进一步的，所述雨量传感器为SL3-1双翻斗雨量传感器且连接雨量测量电路。

进一步的，所述待测气压传感器和标准气压传感器为型号为PTB220和/或PTB330的气压传感器且连接气压测量电路。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过RTOS系统监测待测温度传感器、标准温度传感器、待测湿度传感器、标准湿度传感器、待测风向传感器、待测风速传感器、待测雨量传感器、待测气压传感器和/或标准气压传感器，分别实现对比待测温度传感器和标准温度传感器、待测湿度传感器和标准湿度传感器、待测气压传感器和标准气压传感器的差异，从而实现对待测温度传感器、待测湿度传感器、待测雨量传感器、待测风向传感器、待测风速传感器和/或待测气压传感器的测试，并在少量人工协助下，输出观测数值及故障判定结果。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型实施例中的一种便携式气象传感器故障检测装置的结构框图；

图2为本实用新型实施例中的一种便携式气象传感器故障检测装置的系统框图；

图3为本实用新型实施例中的单片机STC12C5A60S2管脚图；

图4为本实用新型实施例中的温度测量电路图；

图5为本实用新型实施例中的湿度测量电路图；

图6为本实用新型实施例中的风向测量电路图；

图7为本实用新型实施例中的风速测量电路图；

图8为本实用新型实施例中的雨量测量电路图；

图9为本实用新型实施例中的气压测量电路图；

图10为本实用新型实施例中的HS19264-8液晶显示模块驱动电路图；

图11为本实用新型实施例中的键盘检测电路图；

图12为本实用新型实施例中的标准温度传感器接口电路图；

图13为本实用新型实施例中的待测温度传感器接口电路图；

图14为本实用新型实施例中的标准湿度传感器接口电路图；

图15为本实用新型实施例中的待测湿度传感器接口电路图；

图16为本实用新型实施例中的待测风向、风速传感器接口电路图；

图17为本实用新型实施例中的待测雨量传感器接口电路图；

图18为本实用新型实施例中的标准气压传感器接口电路图；

图19为本实用新型实施例中的待测气压传感器接口电路图；

图20为本实用新型实施例中的温度、湿度传感器测量电路原理图；

图21为本实用新型实施例中的温度传感器检测流程图；

图22为本实用新型实施例中的温度传感器故障判断流程图；

图23为本实用新型实施例中的湿度传感器检测流程图；

图24为本实用新型实施例中的湿度传感器故障判断流程图；

图25为本实用新型实施例中的风向传感器检测流程图；

图26为本实用新型实施例中的风向传感器故障判断流程图；

图27为本实用新型实施例中的风速传感器检测流程图；

图28为本实用新型实施例中的风速传感器故障判断流程图；

图29为本实用新型实施例中的雨量传感器检测流程图；

图30为本实用新型实施例中的雨量传感器故障判断流程图；

图31为本实用新型实施例中的气压传感器检测流程图；

图32为本实用新型实施例中的气压传感器故障判断流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分例，实施而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

实施例

如图1-2所示，提供了本实用新型实施例的一种便携式气象传感器故障检测装置，包括主机110和在测试时分别与主机110连接的待测温度传感器120、标准温度传感器121、待测湿度传感器130、标准湿度传感器131、待测风向传感器140、待测风速传感器150、待测雨量传感器160、待测气压传感器170和/或标准气压传感器171；

待测温度传感器120和标准温度传感器121均为铂电阻温度传感器且连接温度测量电路。

待测湿度传感器130和标准湿度传感器131均为HMP155A相对湿度传感器且连接湿度测量电路。

待测风向传感器140为EL15-2风向传感器且连接风向测量电路。

待测风速传感器150为EL15-1风速传感器且连接风速测量电路。

待测雨量传感器160为SL3-1双翻斗雨量传感器且连接雨量测量电路。

待测气压传感器170和标准气压传感器171为型号为PTB220和/或PTB330的气压传感器且连接气压测量电路。

主机110包括主电路板111、屏幕112、键盘模块113、供电模块114及集成采集接口板115；

主电路板111分别连接屏幕112、键盘113和集成采集接口板115以用于采集控制、进行模数转换的数码转换、要素计算、资源调度及时序设计，且主电路板111包括RTOS系统以实现测量数据计算和故障判定；

该RTOS系统为RTX51Tiny系统；

集成采集接口板115在测试时分别连接待测温度传感器120、标准温度传感器121、待测湿度传感器130、标准湿度传感器131、待测风向传感器140、待测风速传感器150、待测雨量传感器160、待测气压传感器170和/或及标准气压传感器171，具体如下：；

一、测试一种传感器时，有如下六种情形：

1、在测试待测温度传感器120时，集成采集接口板115需同时连接待测温度传感器120和标准温度传感器121；

2、在测试待测湿度传感器130时，集成采集接口板115需同时连接待测湿度传感器130和标准湿度传感器131；

3、在测试待测风向传感器140时，集成采集接口板115需同时连接待测风向传感器140；

4、在测试待测风速传感器150时，集成采集接口板115需同时连接待测风速传感器150；

5、在测试待测雨量传感器160时，集成采集接口板115需同时连接待测雨量传感器160；

6、在测试待测气压传感器170时，集成采集接口板115需同时连接待测气压传感器170和标准气压传感器171；

二、测试两种传感器时，将需要测量的传感器同时连接集成采集接口板115进行组合测量，组合测量互不影响数据的精确性，但组合测量有十五种情形——分别挑选一中六种传感器的两种进行测试组合；

三、测试三种传感器时，将需要测量的传感器同时连接集成采集接口板115进行组合测量，组合测量互不影响数据的精确性，但组合测量有二十种情形：——分别挑选一中六种传感器的三种进行测试组合；

四、测试四种传感器时，将需要测量的传感器同时连接集成采集接口板115进行组合测量，组合测量互不影响数据的精确性，但组合测量有十五种情形：——分别挑选一中六种传感器的四种进行测试组合；

五、测试五种传感器时，有六种情形：——分别挑选一中六种传感器的五种进行测试组合；

六、测试六种传感器时，有一种情形——集成采集接口板115需同时连接待测温度传感器120、标准温度传感器121、待测湿度传感器130、标准湿度传感器131、待测风向传感器140、待测风速传感器150、待测雨量传感器160、待测气压传感器170及标准气压传感器171；

主电路板111还包括系统主芯片，该系统主芯片为单片机STC12C5A60S2。

单片机STC12C5A60S2是宏晶科技生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。如图3所示，该单片机STC12C5A60S2内部集成了MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250k/s)。工作电压5V，片上集成1280字节RAM，通用I/O口40个，每个I/O口驱动能力均可达20mA。拥有4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器。3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟。外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块。在I/O口不够用时，可用2～3根普通I/O口线外接74HC164/165/595来扩展I/O口，还可用A/D做按键扫描来节省I/O口。具有双路通用全双工异步串行口(UART)。

STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。

主电路板111还包括连接单片机的A/D转换器AD7711以实现温度的测量；

A/D转换器AD7711包括一个sigma-delta ADC、数字滤波器、可编程放大器、时钟发生器、24位控制/数据/校准寄存器、恒流源。

恒流源具体是指规格为200uA的恒流源。

主电路板111还包括连接单片机的八选一多路选择器CD4512以实现风向的测量。

以下从电路方面进行详细分析。

温度测量电路

根据四线制铂电阻测温原理，电路需同时测量铂电阻Rt两端电压及标准电阻两端电压。由于温度变化的连续性，在很短时间内，温度不会发生突变。为提高单片机的管脚利用率，电路设计多路开关复用单片机管脚，通过程序快速切换单片机采样对象，以先后采样的铂电阻两端电压和标准电阻两端电压代替同时测量值，根据公式计算当前气温。

具体电路如图3所示，双八通道CMOS多路选择器MAX307具有两个单独的八选一通道，每个通道最多支持8个输入，根据3位地址位的编码选择1路输入作为输出。两路通道共享同一组地址控制位。

根据四线制铂电阻测温原理，需给铂电阻加恒流源供电，测量铂电阻两端的电压，对该电压计算可得温度，本电路的设计重点包括：

1.串联精密电阻

电路设计100Ω精密电阻Rb与标准铂电阻传感器Rt0和待测铂电阻传感器Rt1分时串联，其电压采样值除了参与温度测量计算，也可用于监测采样电路是否正常和稳定。

2.采样电路分时复用

通过MCU控制两片MAX307芯片的地址线切换串联通路，当地址线A2A1A0＝111时，电路测量精密电阻Rb两端的电压；当A2A1A0＝000时，电路测量铂电阻温度传感器Rt0两端的电压；当A2A1A0＝001时，电路测量铂电阻温度传感器Rt1两端的电压。

3.测量电路限流

为防止传感器击穿导致测温电路短路，在接口板设计时，增加了过流保护电阻，四线制铂电阻每条覆铜线串联2只240Ω电阻，功率≥1W。

湿度测量电路

目前使用的相对湿度传感器原理是基于电容对相对湿度的敏感性，经内部转换后，输出0～1V电压线性表示0～100％的相对湿度，湿度测量电路实现模拟电压采样、模数转换，单片机获得串行的数字电压，经计算，获得当前相对湿度。具体如图5所示：相对湿度传感器有4条连线，①为+12V供电线，④为GND，②为测量信号线，③为信号地。当A2A1A0＝101时，电路测量标准相对湿度传感器两端的电压，②连接U6MAX307的P24，选通时进入U4AD7711的P7AIN1(+)，③连接U5MAX307的P6，选通时进入U4AD7711的P8AIN1(-)，AD7711同时采集这对差分模拟信号，在串行数据端P22输出相对湿度测量值。当A2A1A0＝110时，电路测量待测相对湿度传感器两端的电压。

风向测量电路

风向传感器输出信号为7位格雷码，每一位都是数字信号，非1即0。如图6所示，为提高单片机I/O利用率，选用八选一多路选择器CD4512，快速切换控制位ABC的编码，CD4512的Pin14分别输出风向的D1-D7，单片机P1.1获取格雷码，完成硬件电路的信号采样。

风速测量电路

风速是脉冲频率信号，通过采集…10101010…的变化频率来换算风速，电路将风速传感器的信号线经限流电阻R10后，直接接至单片机的Pin12脚P3.2，具体如图7所示。

雨量测量电路

雨量传感器先连接CD4512，经过CD4512后连接单片机。

双翻斗雨量传感器每计量0.1mm降水翻斗一次，输出一个1脉冲，每分钟的脉冲数量即为分钟降水量。雨量信号采样电路复用风向采样电路，使用CD4512的Pin9输入，单片机P1.1读取雨量脉冲。控制位ABC＝111时，采样降水信号，具体如图8所示。

气压测量电路

气压传感器采用PTB220或PTB330型的气压传感器，其采用RS232串口输出，如图9所示，MCU拥有两个TTL串口，经MAX232芯片转换为RS232电平后与气压传感器连接，连线时注意接收线与发送线需交叉，并在数据传输线上设计限流电阻R61～R64。标准气压传感器连接Rx1/Tx1，待测气压传感器连接Rx2/Tx2。

显示模块

选用HS19264-8液晶显示模块实现系统工作状态的显示交互。该中文图形液晶显示模块使用两组ST7920驱动电路驱动192×64点阵液晶显示，实为2个192×32点阵的组合，由两个单独的使能信号来控制。

如图10所示，在系统中，J_LCD的Pin9与GND连接，使显示模块工作在串口模式下。电路通过三极管8550驱动液晶模块的背光显示，当MCU的Pin13为低电平时，R12上的分压超过Q1的阈值电压，Q1集电极到发射极导通，J_LCD的Pin18获得电流，液晶背光被激活。J_LCD的Pin7和Pin8分别连接MCU的Pin15和Pin14，由MCU提供使能信号；J_LCD的Pin5连接MCU的Pin17，由MCU提供数据/指令选择；J_LCD的Pin6连接MCU的Pin16，从MCU获取待显示的串行数据。

键盘模块

如图11所示，键盘采用了7颗微动开关共地连接，使用10KΩ排阻作为上拉电阻，各微动开关连接到U8 74HC165的并行输入脚。74HC165是8位并行读取或串行输入移位寄存器，可在末级得到互补的串行输出(QH和～QH)，当异步并行读取引脚输入为低(～LD)时，从D0到D7口输入的并行数据将被读取进寄存器内。而当异步并行读取引脚为高(SH)时，数据将在每个时钟脉冲的上升沿输出一位，并左移一位(最先输出高位，依次为HGFEDCBA)。74HC165的工作状态SH/～LD、时钟信号CLK均从MCU获取。

值得注意的是，图3-图11均省略了接线板限流电阻，限流电阻设计见接口板设计部分。

采样接口板简称接口板，是为搭配通用采集器而设计的，传感器供电线、信号线通过扭角排插和排线与通用采集器连接，实现对温度、湿度、气压、雨量、风向、风速6类气象传感器的信号采集。

接口板采用双面布线，正面以纵向布线为主，背面以横向布线为主，覆铜线转角使用45°折角。为保证供电，相对湿度(+12V)、气压(+12V)、风向(+5V)、风速传感器(+5V)供电线采用30mil覆铜线，公共地(GND)线采用60mil或80mil。接口板的GND与通用采集器电路板GND通过排线连接，实现共地。

接口板采用了40P的扭角排插与采集器进行信号互联，方便拆换维修。目前在用的自动气象站传感器均采用插针连接，考虑到便携性，传感器接口采用了一对管脚间距3.8mm的插拔式接线端子，使用时，只需要将传感器信号线连接在相应测试要素的端口即可，对部分采用同标准接线端子的传感器，则可直接从自动气象站采集器拔下，插在辅助辨识系统接口板即可。

气温、相对湿度、气压三个要素的信号采用直连的方式接入通用采集器板。风向、风速、雨量传感器信号为脉冲信号，为节约单片机接口资源，将这三个信号经八选一芯片CD4512后再进入通用采集器板，单片机通过控制地址线来选择要接收的信号。

为防止传感器击穿导致大电流烧毁通用采集器，接口板采取两级电流保护。接口板的供电包括一路+5V和一路+12V，为避免电流过大烧毁采集器，在传感器供电前端设计了自恢复保险丝UF300，限制电流为3A。传感器供电线及信号线均采用限流电阻，限流电阻使用两个1W的碳膜电阻或金属膜电阻串联，功率承载能力强，在传感器击穿时，保证了通用采集器的安全。

为防止击穿损坏的传感器接入采集器对采集器造成损害，所有传感器接口均设计了限流电阻，具体如图12-19所示，依次为标准温度传感器接口、待测温度传感器接口、标准湿度传感器接口、待测湿度传感器接口、待测风向和风速传感器接口、待测雨量传感器接口、标准气压传感器接口及待测气压传感器接口。

本例的RTOS系统是指RTX5l Tiny，它可以很容易地运行在8051的单芯片系统而不需要任何外部数据存储器。通用性强，系统需求低，但功能上受到限制。它只支持循环方式和信号方式的任务切换，而不支持优先级方式的任务切换。

RTX51Tiny自身仅占用900字节左右的程序存储空间，可以很容易地运行在没有外部扩展存储器的8051单片机系统上。它完全集成在Keil C5l编译器中，具有运行速度快、对硬件要求不高、使用方便灵活等优点，因此越来越广泛地应用到单片机的软件开发中。它可以在单个CPU上管理几个作业(任务)，同时可以在没有扩展外部存储器的单片机系统上运行。目前在8051系列单片机上使用多任务实时操作系统，RTX51Tiny也就成为了首选。

RTX51Tiny允许同时“准并行”地执行多个任务：各个任务并非持续运行，而是在预先设定的时间片(time slice)内执行。CPU执行时间被划分为若干时间片，RTX51Tiny为每个任务分配一个时间片，在一个时间片内允许执行某个任务，然后RTX51Tiny切换到另一个就绪的任务并允许它在其规定的时间片内执行。由于各个时间片非常短，通常只有几ms，因此各个任务看起来似乎就是被同时执行了。

RTX51Tiny利用单片机内部定时器0的中断功能实现定时，用周期性定时中断驱动RTX51Tiny的时钟。它最多可以定义16个任务，所有的任务可以同时被激活，允许循环任务切换，仅支持非抢占式的任务切换，操作系统为每一个任务分配一个独立的堆栈区，在任务切换的同时改变堆栈的指针，并保存和恢复寄存器的值。RTX51Tiny没有专门的时间服务函数和任务挂起函数，而是通过os_wait()中的参数设定实现的。RTX51Tiny程序没有主C函数，RTX51Tiny首先执行任务0。作为一个典型的应用，任务0只是简单地用来生成其他的所有任务。

系统特性：

最大任务数：16 最大激活的任务数：16

所需的CODE空间：最大900Byte DATA空间：7字节

STACK空间：3字节 XDATA空间：0字节

时钟数：0个系统时钟分频：1000-----65535

中断嵌套：小于20层

任务切换时间：100-700时钟周期

系统任务设计

系统设计了5级任务，分别是job0～4，任务0作为程序入口，启动了其他4个任务。

os_create_task(1)； /*start task 1*/

os_create_task(2)； /*start task 2*/

os_create_task(3)； /*start task 3*/

os_create_task(4)； /*start task 4*/

各任务承担的功能如下表：

系统多任务设计

中断设计

STC12C5A60S2单片机提供了10个中断请求源，分别是外部中断0、定时器0中断、外部中断1、定时器1中断、串口1中断、A/D转换中断、低压检测中断、PCA中断、串口2中断以及SPI中断。本系统设置了4个中断，实际使用3个中断源，如下：

void EXINT0(void)interrupt 0

void Timer1(void)interrupt 3

void SERIAL1(void)interrupt 4

void SERIAL2(void)interrupt 8

系统中断设计

温度传感器的故障识别

铂电阻温度传感器是根据铂电阻的电阻值随着温度变化的原理来测定温度的。铂电阻丝烧制在细小的玻璃棒或磁板上，外面有金属保护管。Pt100铂电阻在0℃时的电阻值R₀为100Ω，以0℃作为基点温度，在温度t时的电阻值R_t为

R_t＝R₀*(1+αt+βt²)

式中α、β为系数，可经标定获得其数值。

铂电阻温度传感器测温度常使用三线制不平衡电桥和四线制恒流源供电电路，其中，四线制方式使用恒流源供电。

在四线制测量体制中，铂电阻Rt有①②③④四根引线，①、②端接恒流源，③、④端接电压测量电路。恒定电流I_i流过R_t产生电压U_out＝I_iR_t，当测量电路的输入电阻R_in远大于导线电阻R_L时，U_in≈U_out，I_o≈0，即可在测量时忽略导线电阻R_t的影响。由于I_i为恒定值，电压U_out与铂电阻阻值R_t成正比，就可通过测电压U_out而测得温度t。

如图21所示，由于测量电路采用了AD7711驱动，并在恒流源串联了1KΩ电阻R62，测量电路的输入阻抗非常大，测量时可以忽略导线电阻的影响。本系统设计了采用同一套采样电路分时依次测量标准电阻R_b、标准铂电阻温度传感器R_t0、待测铂电阻温度传感器R_t1，标准铂电阻温度传感器测量值与标准电阻的测量值之差作为当前实测标准气温，待测铂电阻温度传感器测量值与标准电阻的测量值之差作为待测传感器的测量结果，与当前实测标准气温进行对比统计计算，判断待测铂电阻温度传感器工作是否正常。

如图20所示，单片机硬件电路采用11.0592MHz的晶振提供时钟，利用计时器1中断实现对各个气象传感器的采集。计时器1中断的Timer寄存器高八位TH1设置为0x4C，低八位TL1设置为0，可得计时器1中断周期为50ms。

系统每50ms进入计时器1中断，对AD进行采样后，修改AD的选通通道，待50ms后下一次中断进行另一个通道(气象要素)的读取。系统在第一次进入中断，通过单片机的P2.3、P2.4、P2.5同步设置U5和U6两块MAX307的地址位A2＝1，A1＝1，A0＝1，选通100Ω标准电阻R_b；50ms后，系统第二次进入中断，读取标准电阻R_b两端电压值，并存入外部存储AD7711Result[7]，然后设置U5和U6两块MAX307的地址位A2＝0，A1＝0，A0＝0，选通标准温度传感器R_t0；等待50ms后，系统第三次进入中断，读取待测铂电阻传感器R_t0两端电压值，并存入外部存储AD7711Result[0]，然后设置U5和U6两块MAX307的地址位A2＝0，A1＝0，A0＝1；等待50ms后，系统第四次进入中断，读取待测铂电阻传感器R_t1两端电压值，并存入外部存储AD7711Result[1]。

如图22所示，系统开始温度传感器测试功能后，每秒钟进行一次采样、记录，退出测试时，系统对数据进行处理计算，输出故障判断结果。对待测传感器与标准传感器而言，采样值的均值(AVG)、标准差(SD)和均方根误差(RMSE)可以衡量传感器的观测准确度和稳定性。

(1)均值描述了测试期间测量值的集中情况，计算公式为

其中，X_i为传感器第i次测量的温度。

待测传感器与标准传感器的均值之差表征了其测量值与真实值的平均差距，理想值为0。两传感器置于相同环境中的差值不应超过0.2℃。

ABS(ΔAVG)＝|AVG₀-AVG₁|

其中，AVG₀和AVG₁分别为标准传感器和待测传感器的N次测量均值。

(2)标准差描述了测试期间测量值的离散程度，计算公式为

待测传感器与标准传感器的标准差之差表征了其测量值的波动情况与真实波动的一致性，在相应气象要素恒定条件下理想值为0。

ABS(ΔSD)＝|SD₀-SD₁|

其中，SD₀和SD₁分别为标准传感器和待测传感器的N次测量标准差。

(3)均方根误差描述了测试期间待测传感器观测值对标准传感器的跟随能力，计算公式为

其中，X_0i和X_1i分别为标准传感器和待测传感器的第i次测量值。

温度传感器可能存在无输出值、输出数值偏移或跳跃等故障，不同的工作状态具有不同的统计学参数特征。根据上述公式，分别计算标准传感器和待测传感器的AVG和SD，并计算两传感器之间的RMSE，经程序化比对，实现对待测传感器故障情况的自动化判断。

待测温度传感器工况的统计学特征

湿度传感器的故障识别

如图23所示，系统对湿度传感器采样使用了与温度传感器测量同样的AD测量电路。系统在湿度传感器采样前一次进入计时器1中断时，设置U5和U6两块MAX307的地址位A2＝1，A1＝0，A0＝1，选通标准湿度传感器；50ms后，系统再次进入中断，读取标准湿度传感器信号线对地电压值，存入外部存储AD7711Result[5]，设置U5和U6两块MAX307的地址位A2＝1，A1＝1，A0＝0；50ms后，系统再次进入中断，读取待测湿度传感器信号线对地电压值，存入外部存储AD7711Result[6]。经过计算，得到实际相对湿度，相对湿度以百分数记录，省略百分号％。

如图24所示，系统开始湿度传感器测试功能后，每秒钟进行一次采样、记录，退出测试时，系统对数据进行处理计算，输出故障判断结果。与温度传感器类似，湿度传感器可能存在无输出值、输出数值偏移或跳跃等故障，不同的工作状态具有不同的统计学参数特征。对湿度传感器，同样采用待测传感器与标准传感器计算采样值的均值(AVG)、标准差(SD)和均方根误差(RMSE)来衡量传感器的观测准确度和稳定性。不同的是，两湿度传感器置于相同环境中的均值的差值不应超过5％。

风向传感器的故障诊断

风向传感器是用于测量风的水平风向的专业气象仪器，利用一个低惯性的风向标部件作为感应部件，风向标部件随风旋转，带动转轴下端的风向码盘，采用的EL15-2C型风向传感器码盘为7位格雷码编码，进行光电扫描输出脉冲信号。风向标0～360°旋转的输出脉冲波形，风向传感器采用128组格雷码表示360°的方位角度，实验室检定准确度为±5°，码盘随风向标转动时，其切割7位光电感应器产生7位格雷码脉冲，每个方位角对应一组格雷码，以0°表示正北，90°表示正东，180°表示正南，270°表示正西，角度分辨率为2°或3°。风向传感器可能出现无输出、码位缺失或错乱等故障，无输出即7位格雷码全为0，与0°角的输出相同；格雷码盘或光电转换器件损坏均会导致码位缺失；传感器内部击穿或接线错误则可能导致码位错乱。

如图25所示，风向传感器的采样通过计时器1中断实现，每隔50ms进入计时器1中断后，首先对风向采样。风向传感器输出7位格雷码表示所测风向，将其7位方位数据线依次连接到8通道数据选择器CD4512BE的D0-D6，单片机P1.6、P1.7、P4.5分别连接CD4512BE的地址位A、B、C，CD4512BE的输出线连接单片机P1.1，通过单片机输出地址码来切换采集格雷码的各个位。首先采样的是7位格雷码的最高位，MCU通过地址位P1.6、P1.7、P4.5选通CD4512BE输出格雷码最高位(第7位)，判断MCU P1.1读取值，如为高电平，则表明该位是1，如为低电平，则表明该位是0。依次选通第6、5、4、3、2、1位，完成格雷码7位的读取。经过查询格雷码—方位角度对照表，得到相应风向。

风向传感器的故障判断需配合一定人工操作。

如图26所示，系统接入风向传感器，进入风向传感器测试功能下，单向缓慢手动旋转风向传感器，系统界面瞬时值项即显示风向传感器所对应的方向。

风向传感器故障判别约束规则：

1、单向转动风向标时，瞬时值单调递增或递减；

2、缓慢旋转风向标，连续的瞬时值间隔为2或3；

3、连续缓慢旋转风向标一圈，9个特定方向角指示均由0变为1，不能变为1的角度对应的码位光电转换器发生故障。

特定方向角指向能力测试

风速传感器的故障识别

风速传感器采用三杯式感应器，风杯由碳纤维增强塑料制成。当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘转动，使下面的光敏三极管有时接收到上面发光二极管发射的光线而导通，有时接收不到上面发光二极管照射来的光线而截至。这样就能得到与风杯转速成正比的脉冲信号，该脉冲信号由计数器计数，经换算后就能得出实际风速值。

如图27所示，风速传感器输出方波脉冲…10101010…的二进制数列，用频率表示风速，系统通过外部中断0来实现对风速信号的采样，每进入一次中断，风速计数器递加一次。

系统在计时器1中断中计算风速，每20个计时器1中断(1s)计算一次，根据风速与频率对应关系(下表)，设置转换系数，计算瞬时风速值。

WSSecond＝(float)WSSecond*WS_A+WS_B；

其中，WS_A＝0.49，WS_B＝3.2。

EL15-1C型风速传感器风速-频率关系

如图28所示，风速传感器需测试的项目一般包括风速输出值与实际风速的偏差、风速传感器的启动风速值、能够输出的最大风速。测试完毕后，系统显示停止测试时的瞬时风速、启动后的首测值(准启动风速)、测试时达到的最大风速(极大风速)。根据风速传感器实验室检定指标，启动风速应≤0.5m/s，本测试限于野外条件，采用人工轻轻吹气吹动风杯旋转，在风杯刚刚转动时，系统记录测试首值，作为准启动风速，该风速与实验室检定的启动风速相比会偏大。但因风速传感器的良好性能，启动风速一般为0.3m/s左右，故该方式限制与0.5m/s也是合理的。风杯开始转动后，手动大力转动风杯，使风速传感器快速转动，并尽可能最快，该方法模拟实验室检定风洞的大风情况，但因人力无法达到检定标准的60m/s，根据手动测试的现实情况，设置极大风速达到25m/s即可认为该传感器能够测量大风速。

故障判别约束规则：

1、首值(准启动风速)≤0.5m/s；

2、极大风速≥30m/s；

雨量传感器的故障识别

采用的雨量传感器是SL3-1型双翻斗雨量传感器，分辨率为0.1mm，该传感器由承水器、上翻斗、汇聚漏斗、计量翻斗、计数翻斗和干簧管等组成，数据采集器通过两条信号线连接雨量传感器，实现数据采样。承雨器收集的降水通过漏斗进入上翻斗，当雨水积到一定量时，由于重力作用使上翻斗翻转，水进入汇聚漏斗。降水从汇聚漏斗的节流管注入计量翻斗时，就把不同强度的自然降水调节为比较均匀的降水强度，以减少由于降水强度不同所造成的测量误差。当计量翻斗承受的降水量为0.1mm时，计量翻斗把降水倾倒到计数翻斗，使计数翻斗翻转一次。计数翻斗在翻转时，其中部的磁钢对干簧管扫描一次，干簧管因而瞬间闭合一次。因此，降水量每达到0.1mm时，就送出一个开关信号，采集器实现0.1mm降水量的读取。采集器每分钟统计记录的翻转次数，即可知分钟降水量。

如图29所示，雨量传感器的信号线接入8通道数据选择器CD4512BE的D7，采样通过计时器1中断实现，中断结束时，CD4512BE的地址位A、B、C置为1、1、1，选通雨量传感器的输出。50ms后再次进入计时器1中断后，可首先对雨量传感器采样。为同雨量传感器翻斗机械翻转的时间匹配，设计每两次进入中断读取雨量一次。读取雨量时，只需判断MCU P1.1读取值，如为高电平，则计数0.1mm，如为低电平，不计数。

如图30所示，系统接入雨量传感器，进入雨量传感器测试功能，手动拨动雨量筒计数翻斗模拟降水，系统界面瞬时值项即显示降水量。为更准确的测试雨量传感器，最好使用量杯向传感器中导入定量清水(10ml)模拟降水。

故障判别约束规则：雨量传感器计数翻斗每翻动一次，系统计0.1mm，翻转次数与系计数是否一致，判断雨量传感器是否正常。

气压传感器的故障识别

采用VAISALA数字气压传感器PTB220/330为自动气象站提供气压数据，使用该气压传感器的RS232输出功能。PTB330内置BAROCAP硅电容绝对压力传感器，具有卓越的滞后性和重复性，温度依赖性低，并具有良好的长久稳定性。测量原理基于高级RC振荡器和基准电容器，并据此持续测量电容性压力传感器，内置微处理器会针对压力线性和温度依赖性进行补偿。

如图31所示，气压传感器DB9输出接口的③为RX端，系统串口TX端向该端发送“send\r\n”，PTB330气压传感器DB9输出接口的④端响应输出当前气压值。

如图32所示，系统设计在task4中每2秒向标准气压传感器和待测气压传感器发送“send\r\n”读取气压值，测试完毕后计算并判断故障情况。与温度传感器类似，气压传感器可能存在无输出值、输出数值偏移或跳跃等故障，不同的工作状态具有不同的统计学参数特征。对气压传感器，同样采用待测传感器与标准传感器计算采样值的均值(AVG)、标准差(SD)和均方根误差(RMSE)来衡量传感器的观测准确度和稳定性。不同的是，两气压传感器置于相同环境中的均值的差值不应超过0.3hPa。

本故障判定便携系统不受台站技术条件限制，实现了对新型自动气象站、Ⅱ型自动气象站、交通自动气象站等站型的常规探测要素传感器进行故障判断，解放了生产力，使得台站技术人员有更多的时间可以学习新型探测技术，在推广应用后，可切实提升气象现代化的保障水平。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置、模块和/或单元，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅为一种逻辑功能划分，实际上有另外的划分方式，且多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上所述仅是本实用新型的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种便携式气象传感器故障检测装置，其特征在于，包括主机和在测试时分别与所述主机连接的待测温度传感器、标准温度传感器、待测湿度传感器、标准湿度传感器、待测风向传感器、待测风速传感器、待测雨量传感器、待测气压传感器和/或标准气压传感器；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主电路板还包括系统主芯片，该系统主芯片为单片机STC12C5A60S2。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述待测温度传感器和标准温度传感器均为铂电阻温度传感器且连接温度测量电路。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述主电路板还包括连接单片机的A/D转换器AD7711以实现温度的测量；

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述湿度传感器为HMP155A相对湿度传感器且连接湿度测量电路。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述风向传感器为EL15-2风向传感器且连接风向测量电路。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述主电路板还包括连接单片机的八选一多路选择器CD4512以实现风向的测量。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述风速传感器为EL15-1风速传感器且连接风速测量电路。

9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述雨量传感器为SL3-1双翻斗雨量传感器且连接雨量测量电路。

10.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述待测气压传感器和标准气压传感器为型号为PTB220和/或PTB330的气压传感器且连接气压测量电路。