安衛(wèi),張虹

(1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心,西安 710600；2.中國(guó)科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710600)

0 引言

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心保持著我國(guó)獨(dú)立的地方原子時(shí)尺度TA(NTSC),承擔(dān)著我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC(NTSC)的產(chǎn)生、保持與發(fā)播任務(wù)[1]。時(shí)間尺度長(zhǎng)期、連續(xù)、高性能的保持依賴于守時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行,而守時(shí)系統(tǒng)的核心是原子鐘及其相關(guān)測(cè)量比對(duì)設(shè)備,它們要求工作環(huán)境盡可能穩(wěn)定,尤其是氫原子鐘對(duì)環(huán)境變化極其敏感,其溫度系數(shù)達(dá)到10-14℃,溫濕度變化是直接影響其頻率穩(wěn)定度的主要因素之一,也會(huì)影響輸出信號(hào)的品質(zhì),從而導(dǎo)致原子鐘性能下降,進(jìn)而降低時(shí)間尺度的性能指標(biāo)[2-5]。提高溫濕度變化監(jiān)測(cè)水平是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境控制的關(guān)鍵,傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測(cè)大多采用人工與模擬溫度計(jì)相結(jié)合的記錄方式,測(cè)量精度低、工作量大、自動(dòng)化程度低,數(shù)據(jù)采樣間隔大且無(wú)法保證測(cè)量數(shù)據(jù)等間隔,因此迫切需要一種高精度、數(shù)字化、自動(dòng)測(cè)量的溫濕度監(jiān)測(cè)和記錄設(shè)備。

隨著科技的不斷發(fā)展,溫濕度傳感器從傳統(tǒng)的模擬溫濕元件向集成化、數(shù)字化方向快速發(fā)展。新一代的數(shù)字溫濕度傳感器具有體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、超長(zhǎng)的信號(hào)傳輸距離等特點(diǎn)[6-7]。筆者重點(diǎn)研究利用溫濕度傳感器AM2302研制的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)從2016年起用于時(shí)間頻率基準(zhǔn)室守時(shí)系統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測(cè),運(yùn)行結(jié)果表明溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有精度高、可靠性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

1 溫濕度傳感器AM2302監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

AM2302數(shù)字溫濕度傳感器是一種新型溫度傳感器,它集溫濕度測(cè)量、A/D轉(zhuǎn)換于一體。單線制串行接口,使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。

1.1 AM2302傳感器的主要基本指標(biāo)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

AM2302是應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的數(shù)字溫濕度傳感器,其主要基本指標(biāo)如下：溫度量程范圍為-40～80 ℃；分辨率0.1 ℃；溫度測(cè)量精度<±0.5 ℃；濕度量程范圍0%～99.9% RH；分辨率0.1% RH；濕度測(cè)量精度<±2% RH；AM2302低功耗；單總線數(shù)字輸出；信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)可達(dá)15 m；AM2302數(shù)字溫濕度傳感器采用的數(shù)字模塊采集技術(shù),具有很高的可靠性與穩(wěn)定性[8-10]。AM2302數(shù)字溫濕度傳感器采用4針單排引腳封裝,電路連接簡(jiǎn)潔方便,引腳如圖1所示。

注：VDD為3.3～6 V直流電源供電；DATA為串行數(shù)據(jù)傳輸線；NC為引腳懸空；GND為接地

AM2302溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由AM2302溫濕度傳感器、STC89C52單片機(jī)、PC機(jī)等部分組成。如圖2所示,系統(tǒng)通過(guò)STC89C52單片機(jī)采集AM2302傳感器參數(shù),并通過(guò)串口發(fā)送給PC機(jī),利用VB編寫的軟件實(shí)現(xiàn)溫濕度實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)曲線、定時(shí)保存記錄、報(bào)警等功能。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件的構(gòu)成

硬件構(gòu)成主要以STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)作為核心控制電路[11],控制AM2302溫濕度傳感器DATA數(shù)據(jù)管腳采集溫濕度數(shù)據(jù)。利用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,使用標(biāo)準(zhǔn)的R-232接口與上位機(jī)進(jìn)行通信,將采集的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)。AM2302溫濕度傳感器采用簡(jiǎn)化的單總線通信,系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制均由DATA數(shù)據(jù)管腳完成。STC89C52單片機(jī)與AM2302的連接應(yīng)用電路如圖3所示,AM2302溫濕度傳感器DATA數(shù)據(jù)管腳與單片機(jī)的I/O端口P0.0相連。STC89C52單片機(jī)與 AM2302之間的通訊和同步采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次傳送40位數(shù)據(jù),高位先出。由于它們是主從結(jié)構(gòu),只有主機(jī)呼叫傳感器時(shí),傳感器才會(huì)應(yīng)答,因此主機(jī)訪問(wèn)傳感器都必須嚴(yán)格遵循單總線序列,如果出現(xiàn)序列混亂,傳感器無(wú)數(shù)據(jù)輸出并等待下一次主機(jī)訪問(wèn)。

圖3 C51單片機(jī)與AM2302的應(yīng)用電路

1.3 AM2302溫濕度傳感器單總線具體通信時(shí)序

AM2302單總線具體通信時(shí)序如圖4所示。AM2302溫濕度傳感器空閑時(shí)總線為高電平,STC89C52單片機(jī)拉低總線800 μs后釋放總線,拉高延時(shí)20 μs后主機(jī)開(kāi)始檢測(cè)AM2302溫濕度傳感器的響應(yīng)信號(hào)。

圖4 AM2302單總線具體通信時(shí)序

AM2302溫濕度傳感器即輸出75 μs的低電平與一個(gè)75 μs的高電平作為應(yīng)答信號(hào),如主機(jī)接收到溫濕度傳感器的響應(yīng)信號(hào)則通知外設(shè)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)是由低高兩個(gè)電平組成。首先是一個(gè)50 μs的低電平,表示數(shù)據(jù)位的開(kāi)始,隨后的高電平長(zhǎng)度決定數(shù)據(jù)數(shù)值是“1”或“0”,高電平70 μs左右代表“1”,高電平30 μs左右代表“0”,共接收40位數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳送完畢后,從機(jī)將再次拉低總線50 μs,隨后釋放總線,由上拉電阻拉高直到下一次通信的來(lái)臨。如連續(xù)采樣讀取傳感器最小間隔周期為2 s,讀取間隔周期小于2 s,可能導(dǎo)致溫濕度不準(zhǔn)或通信不成功等情況。數(shù)據(jù)總線DATA串行送出40 bit的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)依次為：濕度高8位+濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位=和的末8位(校驗(yàn)位)。

例：接收40 bit數(shù)據(jù)0000 0010 1000 1100 0000 0001 0101 1111 1110 1110 (接收數(shù)據(jù)正確)。濕度為0000 0010+1000 1100=28C (十六進(jìn)制)=652?65.2%RH,溫度為0000 0001+0101 1111=15F(十六進(jìn)制)=351?35.1 ℃,當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)溫度數(shù)據(jù)的最高位置1。例如：-3.7 ℃表示為1000 0000 010 0101,溫度為0000 0000 0010 0101 = 0025(十六進(jìn)制)=37?-3.7 ℃。

1.4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由兩部分組成,即發(fā)出控制命令的PC上位機(jī)與控制溫濕度傳感器的下位機(jī)。在下位機(jī)部分是利用STC89C52單片機(jī)通過(guò)I/O口,將AM2302采集的溫濕度數(shù)字信號(hào)發(fā)送給STC89C52單片機(jī),在單片機(jī)的控制下,將溫、濕度數(shù)據(jù)再通過(guò)R-232通信串口傳到上位機(jī)。通過(guò)PC機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)可以對(duì)溫度和濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理和繪圖。下位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)是uVision2,它是一個(gè)基于Window的開(kāi)發(fā)平臺(tái),包含一個(gè)高效的編輯器,支持所有的KEIL 8051工具,包括C編譯器,宏匯編器等[12-13],下位機(jī)采集AM2302溫、濕度數(shù)據(jù)流程如圖5所示。

圖5 下位機(jī)采集AM2302溫、濕度數(shù)據(jù)流程

上位機(jī)PC操作軟件設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)可視化軟件開(kāi)發(fā)要求,程序界面簡(jiǎn)單明了、易于維護(hù)、使用方便。系統(tǒng)采用VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā),系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)為Win Xp,Win 7。VB串口通信控件MSComm能夠提供R-232通信串口的全部功能,應(yīng)用程序編寫、調(diào)試簡(jiǎn)單方便,用戶通過(guò)MSComm控件的屬性設(shè)置,可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)時(shí)溫濕度監(jiān)測(cè),從而使軟件編寫更加方便[14-15]。上位機(jī)PC軟件編寫流程如圖6所示。

圖6 上位機(jī)PC軟件編寫流程

2 軟件運(yùn)行結(jié)果

溫濕度監(jiān)測(cè)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄,數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄有5,10,30和60 min 4個(gè)采樣時(shí)間段,可根據(jù)需要選擇采樣時(shí)間,以當(dāng)前年月自動(dòng)生成文件名保存,例如“溫度201702.txt,濕度201702.txt”。數(shù)據(jù)文件保存格式,如圖7所示。

圖7 溫濕度采樣數(shù)據(jù)文件保存格式

本軟件即可用于8個(gè)獨(dú)立空間的溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),也可用于對(duì)溫濕度環(huán)境變化要求精密的單一空間的多點(diǎn)同步監(jiān)測(cè),對(duì)于要求集中時(shí)間進(jìn)行高密度測(cè)量的用戶可以通過(guò)修改采樣間隔實(shí)現(xiàn),軟件同時(shí)提供顯示最長(zhǎng)一個(gè)月的溫濕度變化曲線,便于工作人員及時(shí)了解相關(guān)設(shè)備的工作狀態(tài)。

根據(jù)2號(hào)銫鐘房2017年1月至6月半年的監(jiān)測(cè)結(jié)果,其溫度變化范圍21.3～24.5 ℃,通過(guò)Kalman濾波處理得出狀態(tài)估計(jì)值,計(jì)算得出2號(hào)銫鐘房溫度測(cè)量精度小于±0.1 ℃,見(jiàn)表1所示。

表1 2號(hào)銫鐘房溫度測(cè)量精度

℃

該監(jiān)測(cè)軟件用于對(duì)國(guó)家授時(shí)中心守時(shí)系統(tǒng)的3個(gè)原子鐘房和兩套時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)所在空間的溫濕度監(jiān)測(cè)與記錄,圖8所示是軟件的主界面(2017年7月軟件運(yùn)行截圖),主要包括5個(gè)功能模塊：八路溫濕度實(shí)時(shí)顯示模塊、串口選擇、采樣間隔、溫濕度實(shí)時(shí)曲線選擇模塊、曲線周期選擇模塊,相關(guān)工作人員通過(guò)對(duì)主界面不同功能模塊的選擇,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)房間的溫濕度變化狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。

圖8 溫濕度監(jiān)測(cè)軟件運(yùn)行主操作界面

圖9是2017年4月備用主鐘(比對(duì)東)系統(tǒng)空調(diào)故障時(shí)記錄的溫濕度變化曲線,使值班人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度變化異常,并通知維修人員對(duì)空調(diào)進(jìn)行檢查維修。

圖9 2017年4月備用主鐘(比對(duì)東)空調(diào)故障記錄溫濕度變化曲線

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)一年多的連續(xù)運(yùn)行表明該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高,穩(wěn)定性好,能夠?qū)崟r(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度異常,并能準(zhǔn)確給出異常發(fā)生的時(shí)刻和異常值大小,能夠?yàn)槭貢r(shí)系統(tǒng)的溫濕度控制、硬件報(bào)警系統(tǒng)提供安全穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),為時(shí)間保持工作提供有力的技術(shù)支撐,從而提高時(shí)頻基準(zhǔn)室守時(shí)環(huán)境的智能化管理水平。

隨著原子鐘性能以及時(shí)間比對(duì)精度、比對(duì)技術(shù)的不斷提高,國(guó)家授時(shí)中心保持的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的性能指標(biāo)不斷提升,為了確保關(guān)鍵設(shè)備所在空間的溫濕度盡可能穩(wěn)定,避免對(duì)守時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生大的影響,在此基礎(chǔ)上逐步實(shí)現(xiàn)溫濕度自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、控制和管理。