湿度是大气探测领域中的一个重要研究参数,也是气象监测和预报的基础信息,其准确性将直接影响到高空大气情况分析和预报结果。传统冷镜式露点仪虽然精度高,但是价格昂贵,结构复杂,而性能简单、价格低廉的湿度传感器并不能满足气象观测中对精度的要求。因此,设计一款精度高、性能好、结构简单且价格适宜的湿度测量系统尤为重要。本文提出了一种基于实时操作系统的高空水汽探测系统设计方案,选用STM32F103作为系统主控芯片,采用微机电系统(MEMS)技术设计露点传感器探头,并使用高精度、低噪声的数字电容转换器AD7746采集MEMS电容值,结构简单且能保证系统精度要求。选用半导体制冷器进行系统温度控制模块设计,针对传统PID控制算法的参数自适应能力有限及响应速率较慢的问题,设计中采用基于BP神经网络的PID控制算法控制制冷器的输出功率,提高参数自适应能力及响应速率,实现MEMS电容表面温度的精确控制。采用高精度模数转换器AD7794测量两路PT100铂电阻温度传感器的电压,通过数学计算实现待测环境的环境温度及露点温度的测量,最终利用Goff-Gratch公式进行露点温度和环境温度与湿度间的转换,实现大气湿度的测量。系统软件设计部分通过移植FreeRTOS实时操作系统,提高系统测量、信号处理、通讯等任务的效率及稳定性,利用GPRS通信实现数据的远程传输,并采用LabVIEW设计上位机显示界面,为观测人员提供一个可视化数据观测界面。与Michell公司的计量级冷镜式露点仪对比结果表明,该系统露点温度测量精度可达±0.2℃,相对湿度测量精度可达±1.5%RH。与传统的湿度传感器相比,该系统设计具有结构简单、精度高、响应速率快等优点,可以满足高空水汽测量的要求,有望应用于高空气象探测。