劉偉棟 上海鐵路局科研所
鐵路計(jì)量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫濕度控制與管理是影響鐵路計(jì)量器具檢定質(zhì)量的重要因素,為保證日常檢定工作的順利進(jìn)行,需要解決的問題是如何加強(qiáng)對(duì)檢定環(huán)境溫度與濕度的監(jiān)測,如果溫度超出規(guī)定范圍不但會(huì)對(duì)測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響,而且如果這種變化未被察覺還會(huì)造成嚴(yán)重的測量數(shù)據(jù)錯(cuò)誤導(dǎo)致檢定數(shù)據(jù)無效的發(fā)生。某些對(duì)檢定環(huán)境溫濕度要求很高的計(jì)量器具(如長度的兩米測長機(jī)),如果檢定時(shí)溫度沒有達(dá)到規(guī)程的要求或在檢定的過程中溫度的波動(dòng)發(fā)生了較大的變化,就會(huì)使檢定的數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的偏差。隨著鐵路事業(yè)的蓬勃發(fā)展,該系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。
根據(jù)鐵路計(jì)量檢定規(guī)程和相關(guān)通用計(jì)量檢定規(guī)程開展檢定時(shí)的溫度、濕度和溫度每小時(shí)波動(dòng)的要求,確定系統(tǒng)的溫度、濕度的測量范圍、準(zhǔn)確度和分辨率。
選擇專用的溫濕度傳感器、單片機(jī)、LED顯示模塊和無線發(fā)射模塊組成N個(gè)測量單元;選擇無線接收模塊和串口等組成數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)送器。系統(tǒng)總體框圖如圖1。
系統(tǒng)采用一個(gè)溫濕度傳感器對(duì)溫、濕度進(jìn)行分別測量?;诖嗽O(shè)想裝置的基本工作原理是:溫濕度傳感器采集到信號(hào)送入單片機(jī),由LED顯示器實(shí)時(shí)顯示環(huán)境的溫度、濕度,并通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳到上位機(jī)(PC機(jī)),通過Delphi軟件輸入用戶需設(shè)定的溫、濕度上下限和溫度每小時(shí)波動(dòng)值,當(dāng)溫、濕度和溫度每小時(shí)波動(dòng)超限時(shí)啟動(dòng)報(bào)警裝置報(bào)警。
圖1 系統(tǒng)總體框圖
SHT15是一種新型單片集成的溫濕度傳感器,外圍電路十分簡單,傳感器的數(shù)字輸出是通過數(shù)字接口直接連到微處理器上去,便于進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
SHT15是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技術(shù)的新型溫濕度傳感器,具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測濕元件和一個(gè)能隙式測溫元件,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。因此,該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。SHT15溫濕度傳感器系統(tǒng)框圖如圖2。
圖2 SHT15溫濕度傳感器系統(tǒng)框圖
SHT15測量精度高,采用片內(nèi)穩(wěn)壓電路使得測量精度不受電壓變化影響,溫度測量精度為±0.3℃(在25℃時(shí)),濕度測量精度為±2%RH(20%~80%RH)。SHT15 功耗極低,2.4~5.5 V寬電壓供電,測量時(shí)電流550 μA,平均為28 μA,休眠時(shí)為3 μA。SHT15互換性好,不需要重新校正,方便后期系統(tǒng)維護(hù)。
STC12系列單片機(jī)是美國STC公司在8051單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對(duì)芯片內(nèi)核進(jìn)行了較大改進(jìn)后推出的一個(gè)增強(qiáng)型的8051的單片機(jī),具有很多很強(qiáng)的新功能。
STC 12LE5608AD系列單片機(jī)的主要性能是:工作電壓3.6 V~2.2 V,工作頻率范圍 0~35 MHz,用戶程序空間 8 k,片上集成了768字節(jié)RAM。
選擇此款單片機(jī)的理由是加密性強(qiáng),無法解密;超強(qiáng)抗干擾;1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期,可用低頻晶振,大幅降低EMI;超低功耗;在系統(tǒng)可編程,無需編程器,無需仿真器,可遠(yuǎn)程升級(jí)。單片機(jī)引腳如圖3所示。
圖3 單片機(jī)引腳圖
常見的數(shù)碼管由七個(gè)條狀和一個(gè)點(diǎn)狀發(fā)光二極管管芯制成,稱為七段數(shù)碼管(如圖4所示)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同,可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管兩種。
圖4 七段數(shù)碼管原理圖
本系統(tǒng)采用的是LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管中各段發(fā)光二極管的伏安特性和普通二極管類似,只是正向壓降較大,正向電阻也較大。在一定范圍內(nèi),其正向電流與發(fā)光亮度成正比。由于常規(guī)的數(shù)碼管起輝電流只有1~2 mA,最大極限電流也只有10~30 mA,所以它的輸入端在5 V電源或高于TTL高電平(3.5 V)的電路信號(hào)相接時(shí),一定要串加限流電阻,以免損壞器件。
LED數(shù)碼管的主要特點(diǎn)如下:
(1)能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動(dòng)發(fā)光,能與CMOS、ITL電路兼容。
(2)發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短(<0.1μs),高頻特性好,單色性好,亮度高。
(3)體積小,重量輕,抗沖擊性能好。
(4)壽命長,使用壽命在10萬小時(shí)以上,甚至可達(dá)100萬小時(shí)。成本低。
因此它被廣泛用作數(shù)字儀器儀表、數(shù)控裝置、計(jì)算機(jī)的數(shù)顯器件。
系統(tǒng)中設(shè)有狀態(tài)報(bào)警功能,以便提醒操作人員注意或采取措施。其方法就是把計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)與該參數(shù)上下限可設(shè)定值進(jìn)行比較,如果高于上限值(或低于下限值)則進(jìn)行報(bào)警,否則就作為采樣的正常值,進(jìn)行顯示。
報(bào)警模塊由聲光報(bào)警電路構(gòu)成。分別采用三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和高亮度發(fā)光二極管。當(dāng)某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的溫度或者濕度超過設(shè)定限時(shí),單片機(jī)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。圖5是一個(gè)簡單的使用三極管驅(qū)動(dòng)的蜂鳴音報(bào)警電路。
圖5 三極管驅(qū)動(dòng)的峰鳴音報(bào)警電路
無線傳輸模塊負(fù)責(zé)與PC機(jī)進(jìn)行無線通信,發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù),該模塊功耗相對(duì)比較大。其中,采用的調(diào)制方式、發(fā)射功率等都是影響能量消耗的關(guān)鍵因素。為了使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到低功耗的設(shè)計(jì)意圖,我們選擇了ZigBee技術(shù)的無線通信模塊。
ZigBee技術(shù)是一種低功耗、低成本、低速率、近距離、高容量、高安全、免執(zhí)照頻段的雙向無線通信技術(shù)。工作頻率范圍是2.400~2.4865 GHz,采用直接序列擴(kuò)頻方式,數(shù)據(jù)速率達(dá)250 kbps。相鄰節(jié)點(diǎn)間傳輸范圍一般介于10~100 m之間,增加發(fā)射功率,可增加到l~3 km。本監(jiān)測系統(tǒng)采取的是星狀結(jié)構(gòu),監(jiān)測中心節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn),而傳感器節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)。
本系統(tǒng)采用的是美國DIGI公司生產(chǎn)的一款ZigBee無線模塊,頻率:2.4 GHz,供電電壓:3.3V~3.4 V,傳輸最大距離:1.6 km,傳輸數(shù)據(jù)速率:1200~230400 bps,工作電流:295 mA(@3.3V,發(fā)送),45mA(@3.3V,接收)。
本系統(tǒng)用c語言編程,軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方式,總體程序框圖如圖6所示。
圖6 總體程序流程圖
具體流程為:單片機(jī)上電復(fù)位,程序開始執(zhí)行,初始化單片機(jī)端口,為驅(qū)動(dòng)溫濕度模塊、Zigbee模塊作準(zhǔn)備。初始化顯示模塊,用來顯示接收到的溫濕度數(shù)據(jù)。采集當(dāng)前的溫濕度數(shù)據(jù),如果沒有采集到數(shù)據(jù),或由于外界干擾導(dǎo)致讀取錯(cuò)誤,則返回繼續(xù)讀取。采集到的溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后送到Zigbee發(fā)送模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,Zigbee接收模塊接收溫濕度數(shù)據(jù),如果沒有接收完,則繼續(xù)接收。接收完數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,傳送數(shù)據(jù)到顯示模塊進(jìn)行顯示。
數(shù)據(jù)采集處理采用Delphi編程語言,完成對(duì)站點(diǎn)、日期、時(shí)間、溫濕度、溫濕度報(bào)警上下限、溫度每小時(shí)波動(dòng)范圍的設(shè)定。溫度數(shù)據(jù)由SQL語言編寫的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ),并按站點(diǎn)對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
整個(gè)系統(tǒng)由若干個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)監(jiān)測中心節(jié)點(diǎn)組成。其中無線傳感器節(jié)點(diǎn)分布于需要測量的區(qū)域,對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行測量,然后通過ZigBee無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)射出去,并且可以通過開關(guān)選擇是否將溫濕度值用LED顯示。監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理,將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的信息應(yīng)用軟件顯示在PC機(jī)上,并可以設(shè)定溫濕度的上下限值和溫度每小時(shí)波動(dòng)值,超限時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
依據(jù)JJG 874-2007《溫度指示控制儀檢定規(guī)程》和 JJF 1076-2001《濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》對(duì)鐵路計(jì)量檢測無線溫濕度記錄系統(tǒng)按系統(tǒng)確定的溫濕度測量范圍、準(zhǔn)確度和分辨率指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)。系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)見表1。
表1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)
本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)合了高速鐵路的現(xiàn)代化發(fā)展方向,能滿足對(duì)鐵路計(jì)量檢定工作越來越高的要求。借助高精度的溫濕度傳感器,可以實(shí)時(shí)顯示計(jì)量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的溫度和濕度,在溫濕度以及溫度每小時(shí)波動(dòng)超限時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警,并通過ZigBee無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。作為一個(gè)低功耗、低成本、抗干擾性強(qiáng)的鐵路計(jì)量專用溫濕度記錄系統(tǒng),隨著高速鐵路技術(shù)的成熟和發(fā)展,將成為現(xiàn)代計(jì)量部門環(huán)境溫濕度最理想的監(jiān)控、管理系統(tǒng)。