一种多维度数据采集大气污染物探空仪的设计

一种多维度数据采集大气污染物探空仪的设计

0大气污染物探空仪系统设计目前，主要的数据收集方法（地面固定站采集、空气采集）存在着数据丰富性和数据维度单一的缺点。用飞机携载气象仪器对大气进行探测可为天气分析和各种规模的气象试验活动提供大量的探测数据本文设计一种大气污染物无人机探空仪系统，利用无人机作为载体对空间区域内任意采集点进行采样检测，并使用气压测高和GNSS定位技术记录数据采集点的气压高度和经纬度信息，实现快速获得大气气态污染物浓度空间三维分布信息的功能，并且利用无线数据传送技术将检测数据实时传送回地面监控站，实现数据实时显示和保存的功能1探空仪系统组成探空仪系统主要由气体浓度检测模块、主控单元模块、气压传感模块、北斗定位模块、无线数据传送模块以及电源模块组成，图1为探空仪系统结构图。下面对各功能模块进行说明:气体浓度检测模块对气体浓度检测;气压传感模块测量探空仪气压高度;北斗定位模块获取探空仪所处位置经纬度信息;主控单元驱动各个功能模块并收集测量数据，并通过无线数据传送模块与地面站进行数据交互操作。2功能和电路设计2.1气体浓度检测模块气体浓度检测模块由四电极电化学式气体传感器、恒电位电路、电流转电压电路和AD采样电路组成。气体浓度检测模块系统结构如图2所示。2.1.1气体监测结果电化学式气体传感器具有功耗低、抗干扰性强、输出性能高等优点，可以定量检测被测气体种类及浓度，适用于烟气浓度测量、突发性事故应急监测式中，I2.1.2ad9829运算放大器负反馈设计当气体浓度增加时，工作电极SE电动势会随之变大，电化学电解池中的电解速率会随之发生改变，使传感器输出变为非线性。在本设计中使用AD8629运算放大器设计了一个负反馈电路，通过如下负反馈过程使得对电极和参比电极的电压一致，达到稳定对电极与工作电极之间电动势的效果，使传感器在不同浓度环境下输出保持线性关系。当恒定电位电路达到平衡时，输入输出关系如式(2)所示:式中，V2.1.3a、b、c电动力源失调电压v在电流-电压转换电路中，使工作电极输出电流信号通过精密采样电阻R探空仪系统的设计工作高度范围为0至5000m，由温度垂直变化率常数β=-6.5×10在仪表放大器的输入端施加差分电压后，由于在仪表运算放大器制作中经过机器精准配对使得A1与A2输入失调电压和温漂系数具有近零偏差。设A1与A2具有相同的输入失调电压V利用运放输入端虚短、虚断原理，运算放大器A1与A2在增益电阻R结合式(5)，运算放大器A1、A2的输出电压V式中，由式(8)可知仪表放大器的输出V在本应用的信号放大电路中使用了TI公司的INA188精密零漂移、轨到轨输出、高压仪表放大器。INA188采用德州仪器(TI)专有的自动归零技术，可实现低偏移电压、近零偏移和增益漂移、出色的线性度以及向下拓展至直流的超低噪声密度，经过优化提供超过104db的出色共模抑制比(G≥10)，出色的共模抑制性能和电源抑制性能可以为高分辨率的精密测量应用提供支持，INA188外围电路简单，仅通过增益配置电阻R2.1.4ad转换电路AD转换模块选用TI公司生产的ADS1115。ADS1115是一款超小型、低功耗、内部参考电压的16位模数转换器。通过I2.2p氮气传感器通过以下现有标准气压高度公式，可以测得对流层范围内标准气压高度H，标准气压高度计算如式(11)所示式中，P气压传感器选用瑞士MEMS公司的MS5611-01BA。MS5611-01BA采用先进的MEMS技术，提供一个准确的24位数字压力值和温度值，使其检测精确度在25℃、750mbar时，可达±1.5mbar，高度分辨率可达10cm，并且无需额外传感器就可以实现温度检测功能。图5为气压传感器电路原理图。2.3s定位模块设计GNSS定位基本原理是根据接收机接收到的卫星导航电报文中获得卫星i的空间坐标x式中，xGNSS定位模块选用ATK-S1216F8-BDGPS/BD双模定位模块。该模块使用S1216F8-BD模组，体积小巧，性能优异。定位精度2.5mCEP，最高更新速率达20Hz，捕获追踪灵敏度-165Dbm，通过同步串行接口与主控单元进行信息交互。卫星定位模块电路原理图如图6所示。2.4无线混频器模块无线数据传送使用亿百特公司出品的SX1278数传模块实现，该模块迁入高速低功耗单片机和高性能LoRa扩频芯片SX1278，采用高效循环交织纠错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高，发射功率30dbm,UART串口通信，具有无线唤醒功能。2.5基于dm的智能仪表主控单元选用基于ARMCortex-M3内核的STM32F103C8T6，该型MCU具有高性能、低成本、低功耗、全能架构的特性，集成有定时器、US-ART、IIC、SPI等实用外设，适合用作智能仪表的主控单元3基准氮气提取系统程序流程图如图7所示，探空仪开机后将进行系统初始化，进行传感器自检，自检过程包括进行发送测试和读气压传感器模块以获取地面基准气压P4传感器信号调理电路本文通过由电化学气体传感器、气压检测模块和定位模块组成的大气污染物浓度探空仪，解决了传统探空作业手段中数据维度单一的缺点。其中所设计