微環(huán)境溫濕度檢測(cè)裝置的研制

李迪凡，許文清，楊萬均，劉俊，封先河

（西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

包裝容器內(nèi)裝備等產(chǎn)品大多采用密封包裝方式進(jìn)行長(zhǎng)期貯存，在其周圍以及內(nèi)部形成了一個(gè)相對(duì)密閉的空間，與貯存環(huán)境相對(duì)應(yīng)，這一密閉空間稱為微環(huán)境。微環(huán)境的溫度和濕度是影響包裝容器內(nèi)裝備性能的兩項(xiàng)重要參數(shù)。裝備在長(zhǎng)期貯存過程中，由于外界貯存環(huán)境的影響，微環(huán)境溫濕度定會(huì)發(fā)生變化，會(huì)使微環(huán)境的濕度增大，從而使容器內(nèi)裝備產(chǎn)生腐蝕變質(zhì)和破壞等現(xiàn)象。如使彈藥的點(diǎn)火具發(fā)射藥引信等火工品受潮變質(zhì)，甚至使裝備中電子電路和儀器儀表因?yàn)闈穸鹊脑黾佣?，?huì)嚴(yán)重影響裝備戰(zhàn)技性能的發(fā)揮。隨著電子技術(shù)計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，高度集成的多用途綜合傳感器成功開發(fā)，并實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無線傳輸，國(guó)外對(duì)微環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)檢測(cè)進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。其中以美國(guó)的應(yīng)用最為突出，如美國(guó)的愛國(guó)者導(dǎo)彈密封防護(hù)包裝箱內(nèi)就安裝了溫濕振綜合傳感器，并實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳入美軍導(dǎo)彈司令部，美軍導(dǎo)彈司令部可以實(shí)時(shí)了解和掌握部署于世界各地每一發(fā)愛國(guó)者導(dǎo)彈所承受的環(huán)境應(yīng)力，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，為愛國(guó)者導(dǎo)彈戰(zhàn)斗力的發(fā)揮提供強(qiáng)有力的保證。我國(guó)對(duì)微環(huán)境溫濕度檢測(cè)裝置的研究相對(duì)較少。文中研制了一種微環(huán)境溫濕度檢測(cè)裝置，可用于微環(huán)境溫度和濕度兩個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理及傳輸?shù)取Ｑb置由傳感器組成傳感系統(tǒng)分別采集每一組樣品內(nèi)微環(huán)境的溫濕度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)存貯系統(tǒng)，通過編程實(shí)現(xiàn)可視化的人機(jī)交換，還具有設(shè)置日歷時(shí)間地址修改數(shù)據(jù)修正等功能，最高可同時(shí)檢測(cè)32 個(gè)樣品的溫濕度數(shù)據(jù)，具有很高的推廣價(jià)值[1-12]。

1 裝置的功能設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)

為了滿足裝備包裝容器微環(huán)境溫濕度測(cè)試需求，研制的裝置必須方便攜帶，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的采集顯示存貯和傳輸功能，并可以采用交流和電池兩種方式對(duì)裝置供電。為此設(shè)計(jì)了一套基于RS485通訊接口的微環(huán)境數(shù)據(jù)采集與記錄裝置，實(shí)現(xiàn)微環(huán)境的溫度和濕度檢測(cè)和數(shù)據(jù)記錄，研制的裝置的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1）采集范圍和精度。溫度：0~100 ℃，≤±0.3 ℃@ 40 ℃；相對(duì)濕度：25%~98%，≤±3%。

2）數(shù)據(jù)記錄。數(shù)據(jù)記錄間隔：不高于10 min/次，連續(xù)可調(diào)；數(shù)據(jù)存貯深度：儀器設(shè)定每分鐘記錄一次時(shí)，數(shù)據(jù)記錄最大可存365 天；掉電能保存數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)格式：EXCEL 或TXT；

3）顯示要求：實(shí)時(shí)顯示各路采集值。

4）通訊要求：儀器與計(jì)算機(jī)的通訊接口采用USB 方式。

2 裝置方案設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

微環(huán)境溫濕度檢測(cè)與記錄裝置包含了人機(jī)界面存儲(chǔ)器傳感器RS485Hub 和電源等五個(gè)部分。電源采用交流供電方式為220 V 交流電，通過開關(guān)電源變換后，向系統(tǒng)為微處理器存儲(chǔ)器傳感器模塊等提供所需的電壓。微處理器通過I/O 口與傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。溫濕度測(cè)量系統(tǒng)的硬件如圖1 所示。

圖1 溫濕度測(cè)量系統(tǒng)的硬件

2.2 人機(jī)界面

人機(jī)界面（HMI）是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞交換信息的媒介和對(duì)話接口，是本微環(huán)境溫濕度測(cè)試與記錄裝置的核心部件，報(bào)告采用了臺(tái)灣臺(tái)達(dá)公司的DOP-B07S411 人機(jī)界面，如圖2 所述。該人機(jī)界面包括16 位處理器7 寸16 位彩色液晶觸摸屏RS232/RS485/USB 通訊接口16M 數(shù)據(jù)存貯器，采用Dopsoft 可視化軟件編程。

2.3 傳感器

圖2 DOP-B07S411 人機(jī)界面

溫濕度傳感器作為本系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部件，選擇了由瑞士Sensirion 公司生產(chǎn)的一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器SHT75。該傳感器基于工業(yè)MODBUS-RTU 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)低功耗溫濕度狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)，通信距離延長(zhǎng)到最長(zhǎng)1000 m，可以有效解決傳輸距離造成的信號(hào)畸變問題。該傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和一個(gè)能隙式測(cè)溫元件，并與一個(gè)14 位的A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無縫連接。SHT75 采用串行接口，它的分辨率可以根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的采集速率而進(jìn)行調(diào)整。一般情況下，默認(rèn)的測(cè)量分辨率分別為14 bit（溫度）12 bit（濕度），如果在高速采集中就可分別降至12 bit 和8 bit。對(duì)溫度的量程范圍為-40~123.8 ℃，相對(duì)濕度的量程范圍為0~100%。它操作比較簡(jiǎn)單，只需用一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序，就能實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?。同時(shí)，在測(cè)量和通訊結(jié)束后，SHT75 會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式，這大大減少了功耗。該傳感器結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 SHT75 結(jié)構(gòu)

SHT75 傳感器的引腳分布見表 1，通過C8051F120 的兩個(gè)I/O 口來分別與傳感器的SCK 引腳和 DATA 引腳相連，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，VDD與3.3 V 電壓相連。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)在低電平驅(qū)動(dòng)DATA，所以還必須在I/O 電路中。DATA 引腳上加一個(gè)上拉電阻將信號(hào)提拉至高電平，用一個(gè)10 k? 的電阻接至3.3 V 電壓，其外圍電路如圖4 所示。

圖4 傳感器檢測(cè)電路

表1 引腳說明

對(duì)于采集的相對(duì)濕度，首先按式（1）進(jìn)行了非線性補(bǔ)償，相對(duì)濕度完成非線性補(bǔ)償后，再進(jìn)行溫度校正。

式中：RHlinear為非線性補(bǔ)償后的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)；c1c2c3為相對(duì)濕度非線性補(bǔ)償系數(shù)，取值見表2；SORH為傳感器相對(duì)濕度采集位數(shù)。

表2 溫濕度傳感器相對(duì)相對(duì)濕度非線性補(bǔ)償系數(shù)

由于實(shí)際溫度與測(cè)試參考溫度25 ℃顯著不同，相對(duì)濕度信號(hào)按式（2）進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償校正系數(shù)對(duì)應(yīng)于0.12%RH/ ℃@50%RH。

式中：RHtrue為溫度校正后得到的相對(duì)濕度測(cè)試值；T 為測(cè)試溫度；t1t2為相對(duì)濕度的溫度補(bǔ)償系數(shù)，取值見表3。

表3 溫濕度傳感器相對(duì)相對(duì)濕度溫度校正系數(shù)

該傳感器采用能隙材料 PTAT（正比于絕對(duì)溫度），溫度傳感器具有極好的線性?？捎檬剑?）將數(shù)字輸出(SOT)轉(zhuǎn)換為溫度值，溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)見表4。

式中：T 為測(cè)試的溫度值；d1d2為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值見表4；SOT為傳感器輸出數(shù)據(jù)。

表4 溫濕度傳感器的溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)

傳感器采用冶金粉末燒結(jié)殼體進(jìn)行了封裝，形成的傳感器實(shí)物如圖5 所示。

圖5 制作的傳感器實(shí)物

2.4 電源

系統(tǒng)采用交直流兩種供電方式。交流供電方式為220 V 交流電，通過直流開關(guān)電源變換后向系統(tǒng)供電。直流供電方式為通過鋰離子電池向系統(tǒng)供電。

2.5 人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)交互軟件包括兩個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集與處理程序，可視化界面。數(shù)據(jù)采集與處理程序采用DOPSoft宏指令編寫，多個(gè)傳感器采用巡檢方式，程序完成數(shù)據(jù)讀取校正端口有效判斷數(shù)據(jù)錯(cuò)誤判斷等功能。一個(gè)通道的讀取示例如下：

#讀取傳感器測(cè)量值

IF $M180.0 == ON /端口有效判斷

$100 = ({Link2}1@RW-A) (DW) /數(shù)據(jù)讀取

$M100 = $100 + $M900 /溫度校正

$M101 = $101 + $M901 /相對(duì)濕度校正

IF $M101 >= 1000 /數(shù)據(jù)錯(cuò)誤判斷

$M101 = 1000 /數(shù)據(jù)錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)

ENDIF

ELSE

$100 = 0

$101 = 0

$M100 = $100 /溫度存貯

$M101 = $101 /相對(duì)濕度存貯

ENDIF

Delay(10)

可視化界面主要包含參數(shù)輸入顯示數(shù)據(jù)查詢等功能，分為數(shù)據(jù)監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)地址修改儀器校準(zhǔn)和系統(tǒng)時(shí)間校準(zhǔn)等界面，如圖6 所示。

圖6 人機(jī)交互的可視化界面

2.6 裝置試驗(yàn)

利用該溫濕度檢測(cè)裝置對(duì)同一貯存條件下的不同密封包裝樣品微環(huán)境溫濕度進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量的部分?jǐn)?shù)據(jù)見表5。分析可知，該裝置溫度的誤差均值在1 ℃以內(nèi)，相對(duì)濕度的誤差均值在±3%以內(nèi)。經(jīng)過2 年多各試驗(yàn)站戶外和庫(kù)房實(shí)際試驗(yàn)表明，該裝置工作穩(wěn)定，能實(shí)時(shí)測(cè)量存儲(chǔ)及故障報(bào)警等功能。采用鋰電池向裝置供電，避免了頻繁更換電源的現(xiàn)象，工作時(shí)間長(zhǎng)，制作完成后的溫濕度測(cè)試與記錄裝置如圖8 所示。

表5 微環(huán)境溫濕度測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)量前對(duì)裝置的每一個(gè)通道的溫濕度傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果如圖8 所示。從溫濕度偏差曲線可以看出，溫度測(cè)試精度在40 ℃時(shí)為+0.2 ℃，相對(duì)濕度精度為-3%，滿足技術(shù)要求。

圖 8 溫相對(duì)濕度偏差曲線

3 結(jié)語

結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套便攜式微環(huán)境溫濕度檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度和相對(duì)濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過軟件功能設(shè)置，可以完成對(duì)溫濕度的補(bǔ)償數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用，也可以根據(jù)需求，合理選擇采集周期，最低可實(shí)現(xiàn)1 min/次，與傳統(tǒng)和市場(chǎng)上溫濕度檢測(cè)裝置相比，具有先進(jìn)性。該裝置測(cè)量精度較高，測(cè)量范圍較廣，體積小，攜帶方便，最多可同時(shí)檢測(cè)32 組樣品的微環(huán)境溫濕度，并繪制溫濕度曲線，具有創(chuàng)新性。裝置在常溫和低溫狀態(tài)下工作時(shí)穩(wěn)定性能強(qiáng)，一致性好，經(jīng)多年連續(xù)檢測(cè)使用，證明裝置設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)定，能滿足不同類型樣品的試驗(yàn)檢測(cè)要求。目前在我國(guó)這類儀器較少，需求量較高，具有廣闊的市場(chǎng)前景與發(fā)展?jié)摿5-10]。