尚 倫 高 云 陳一鳴

（武漢鋼鐵（集團）公司研究院 湖北 武漢：430080）

溫濕度是實驗室環(huán)境的重要參數(shù)，對實驗數(shù)據(jù)具有一定的影響，故溫濕度計廣泛應用于各個實驗室中。依據(jù)JJG 205－2005《機械式溫濕度計檢定規(guī)程》規(guī)定，溫濕度計需要定期檢定。檢定所需設備為標準通風干濕表和溫濕度檢定箱，檢定時正反行程及重復性檢定的檢定點多達36個，每達到溫濕度檢定點后需要穩(wěn)定30min才開始讀數(shù)，過5min再讀數(shù)一次，完成整個檢定工作耗時較長，且每個檢定點都需要人工設定、讀數(shù)和記錄，影響了工作效率和檢定精度，因此，有必要對當前系統(tǒng)進行改進。改進過程充分利用了設備已有的功能和接口，增加了低成本的USB攝像頭，通過計算機編程控制檢定過程，使其具有實時的溫濕度數(shù)據(jù)采集和控制功能，提高了溫濕度檢定系統(tǒng)的自動化程度，節(jié)省了大量的人力、提高了工作效率和檢定精度。

1 溫濕度檢定系統(tǒng)結構及應用

1.1 溫濕度檢定系統(tǒng)的結構

溫濕度檢定系統(tǒng)主要由XLS－Ⅱ型溫濕度檢定箱和MT－h(huán)umi700型標準通風干濕表構成。溫濕度檢定箱是一種能提供穩(wěn)定溫濕度環(huán)境的溫濕度檢定設備，溫濕度可隨意調節(jié)，用來檢定各類溫濕度儀表。溫濕度檢定箱控制系統(tǒng)是以宇電公司的AI808P人工智能控制器為控制核心，以Pt100溫度傳感器和瑞士rotronic公司生產(chǎn)的MP408A－T4－W4W濕度傳感器作為輸入信號，以調溫和調濕裝置（電加熱器、除濕分子篩和加濕器等）為控制對象的專用溫濕度儀表檢定設備。標準通風干濕表是經(jīng)過計量部門標定的計量標準，作為標準器具，它采用Pt100鉑電阻做測溫傳感器，采用通風干濕球法測量相對濕度，測量精度高，抗干擾能力強。

1.2 溫濕度檢定系統(tǒng)的應用

開展檢定工作時，將標準通風干濕表的傳感器置于溫濕度檢定箱工作室的中心位置，被檢溫濕度計置于檢定箱工作室的有效空間內。檢定時，通過分別設定檢定箱上的AI808P溫控和濕控儀表達到檢定點。溫度檢定點為：15℃，20℃，30℃，濕度檢定點為：箱內溫度為20℃時，40%RH，60%RH，80%RH。達到檢定點設定值后，穩(wěn)定30min后開始讀標準干濕表和被檢儀表示值，間隔5min后再讀數(shù)一次，取兩次讀數(shù)的平均值作為標準器和被檢儀器的示值。然后再計算示值誤差。之后再在同一檢定點上正、反行程讀數(shù)，得出溫濕度的重復性和回差等參數(shù)。

由上可以看出，溫濕度檢定工作時，檢定點較多且達到檢定點后穩(wěn)定時間長；每個檢定點讀數(shù)后，需要人工再次設定檢定箱的溫濕度值，整個檢定過程耗時較長，且需要工作人員長期監(jiān)視、讀數(shù)，耗費大量的人力和時間；讀數(shù)時透過檢定箱玻璃窗讀數(shù)，讀數(shù)精度不高，影響了工作效率和檢定精度。

2 溫濕度檢定系統(tǒng)的自動化改造

2.1 溫濕度自動檢定系統(tǒng)的結構原理

溫濕度檢定自動化改造，以計算機為上位機，以AI儀表、MT－h(huán)umi700型標準通風干濕表和USB攝像頭為下位機，基于vb6.0編程，運用串口通信和USB攝像頭圖像采集技術，通過串口通信控制記錄AI儀表和標準通風干濕表數(shù)據(jù)，通過USB攝像頭記錄被檢定儀表的示值。檢定過程中實時顯示溫濕度變化曲線、被檢儀表溫濕度數(shù)據(jù)顯示圖片，并以檢定點標準溫濕度數(shù)據(jù)作為被檢儀表圖片文件名保存圖片文件，檢定結束后，讀取檢定數(shù)據(jù)和被檢儀表在各個檢定點的示值圖片，獲取檢定結論，完成檢定工作。自動檢定系統(tǒng)的原理結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理結構圖

2.2 溫濕度檢定系統(tǒng)自動化改造具體措施

2.2.1 溫濕度檢定箱的控制

溫濕度檢定箱用以提供穩(wěn)定的溫濕度檢定環(huán)境，溫度和濕度兩個參數(shù)由兩個宇電公司的AI808P人工智能控制器控制，改造前各個檢定點需要人工設定控制器，設定后需要監(jiān)視環(huán)境溫度和濕度是否達到設定值，達到設定值后開始穩(wěn)定時間計時和記錄數(shù)據(jù)。本改進利用PC機作為上位機，AI儀表作為下位機，利用儀表的RS485接口，通過vb編程實現(xiàn)對溫濕度值的設定和實時監(jiān)控，達到設定的溫濕度后自動開始穩(wěn)定時間的計時，穩(wěn)定時間結束后保存檢定圖片并依次設定下一個檢定點，按照檢定規(guī)程的要求完成檢定工作。

AI－808型控制器具有光電隔離的RS485通訊接口。RS485是工業(yè)現(xiàn)場中應用較多的一種通信方式。通訊距離長達lkm以上（部分實際應用已達3km 4km），只需兩根線就能使多臺AI儀表與計算機進行通訊，優(yōu)于RS232通訊接口。由于PC機一般只提供RS232接口，當使用PC機作為溫度控制器的控制上位機時，須使用RS232／RS485通訊接口轉換器，將計算機上的RS232通訊口轉為RS485通訊口。儀表允許在一個RS485通訊接口上連接80臺儀表（本系統(tǒng)使用2臺），其連接的結構如圖2所示。

圖2 AI儀表連接圖

AI－808P型控制器采用宇電公司開發(fā)的AIBUS通訊協(xié)議，指令簡單，控制器使用異步串行通訊接口。數(shù)據(jù)格式為：1個起始位，8位數(shù)據(jù)，無校驗位，1個或2個停止位。通訊前，需設置儀表的“Addr”和“bAud”參數(shù)，以完成儀表RS485通訊的地址和波特率設置。通訊傳輸數(shù)據(jù)的波特率設置為9600bit／S，地址參數(shù)用以識別同一條總線上的不同溫度控制器，儀表的通訊波特率須與上位機保持一致。

PC機與控制器之間的通信采用主從問答方式。PC機為上位主站，控制器為下位從站。PC機通過發(fā)送（讀／寫）命令啟動通信。處于總線上的2個控制器同時接收到命令。控制器檢查命令中的站地址是否與自己相符。如不一致，說明上位機是與其他溫度控制器通信，則忽略該命令；如一致，則響應該命令，并將執(zhí)行結果回送給PC機，一次通信過程結束。

AI－808P控制器采用16進制數(shù)據(jù)格式來表示各種指令代碼及數(shù)據(jù)，通信幀為定長格式。通信指令經(jīng)過優(yōu)化設計后，只有兩條，一條為讀指令，一條為寫指令。

讀／寫指令格式分別如下：

讀：地址代號＋讀寫標志（52H）＋要讀參數(shù)的代號＋0＋0＋CRC校驗碼

寫：地址代號＋讀寫標志（43H）＋要寫參數(shù)的代號＋寫入數(shù)低字節(jié)＋寫入數(shù)高字節(jié)＋CRC校驗碼

地址代號為兩個相同的字節(jié)，數(shù)值為（儀表地址＋80H）；參數(shù)代號為一個字節(jié)，表示要讀／寫的參數(shù)名；CRC校驗碼為參數(shù)代號×256＋讀寫標志＋參數(shù)值（讀指令為0）＋儀表地址。

控制器對讀寫指令，返回以下數(shù)據(jù)：

測量值PV＋給定值SV＋輸出值MV及報警狀態(tài)＋所讀／寫參數(shù)值＋CRC校驗碼

其中PV、SV及參數(shù)值為16位有符號補碼整數(shù)，各占2個字節(jié)，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。整數(shù)無法表示小數(shù)，要求在上位機處理。MV為8位有符號數(shù)，占一個字節(jié)，狀態(tài)位占一個字節(jié)，校驗碼占2個字節(jié)，共10個字節(jié)。返回校驗碼：PV＋SV＋（報警狀態(tài)＊256＋MV）＋參數(shù)值＋ADDR按整數(shù)加法相加后得到的余數(shù)。

溫度控制儀表的“Addr”為1，下面以將溫濕度箱溫度設定為30℃為例，給出了AI儀表的部分串口通信程序：

2.2.2 標準通風干濕表的串口通信

微測儀器（福州）有限公司的MT－h(huán)umi700型標準通風干濕表，采用pt100作為測溫傳感器，采用通風干濕球法測量相對濕度，避免了風速對濕度測量的影響。測量精度高，抗干擾能力強，20℃時，濕度準確度1.0%RH。使用計算機的RS232接口與標準干濕表通訊，用三線制接法與儀表通訊，即計算機RS232接口的2腳、3腳、5腳分別與標準通風干濕表的3腳、2腳、5腳連接，將通訊傳輸數(shù)據(jù)波特率設置為9600bit／S，該儀器開機即實時上傳數(shù)據(jù)，上傳數(shù)據(jù)為14位的ASCⅡ碼，其中前8位數(shù)據(jù)為濕度值，后4位數(shù)據(jù)為溫度值，最后1位是換行符，上傳的數(shù)據(jù)按照以下格式發(fā)送：

串口通信實現(xiàn)部分程序：

2.2.3 USB攝像頭的通信和被檢儀表圖片獲取

USB攝像頭由于價格低、功耗小、與計算機連接方便等特點，已得到了廣泛使用。本系統(tǒng)USB攝像頭傳輸距離為1.5m，小于USB2.0規(guī)范規(guī)定的最大有效傳輸距離不超過5m的要求，隨著攝像頭技術的不斷進步，其分辨率和成像質量已經(jīng)非常理想，各項性能滿足本系統(tǒng)的需求。本次改造中的自動監(jiān)控系統(tǒng)就是基于普通的USB攝像頭，利用 Windows內部提供的Avicap32動態(tài)鏈接庫，完成被檢儀表視頻信號的實時采集，根據(jù)檢定步驟要求，以溫濕度數(shù)據(jù)為文件名保存被檢儀表圖片。

工作步驟：攝像頭的初始化，圖像的獲取，達到設定的溫濕度后，穩(wěn)定30min后以溫濕度數(shù)據(jù)做為文件名保存圖片一次，再過5min再次保存圖片一次。部分程序代碼如下：

2.3 溫濕度自動檢定系統(tǒng)的應用

2.3.1 自動檢定系統(tǒng)的運行

溫濕度自動檢定系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)實時采集，曲線動態(tài)顯示功能，可以直觀的反應溫濕度參數(shù)的變化趨勢，攝像頭采集圖片同時顯示在程序的控制面板上，整個程序界面簡潔、實用，能夠滿足實際工作的需要。系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)界面

2.3.2 系統(tǒng)的工作流程

溫濕度自動檢定系統(tǒng)的工作流程嚴格按照JJG 205－2005《機械式溫濕度計檢定規(guī)程》規(guī)定，依次達到溫度設定點15℃，20℃，30℃和濕度檢定點：箱內溫度為20℃時，40%RH，60%RH，80%RH。為了提高工作效率，溫度達到20℃后，先把三個濕度檢定點檢定完成后，再檢定溫度的30℃檢定點，檢定流程得到了優(yōu)化。達到每個檢定點后，穩(wěn)定30min后開始讀標準干濕表示值，間隔5min后再讀數(shù)一次，并以標準溫濕度值保存被檢儀表的圖片，取兩次讀數(shù)的平均值作為標準器和被檢儀器的示值，然后再開始下一檢定點。檢定流程如圖4所示。

圖4 檢定流程圖

3 結語

本系統(tǒng)由計算機做為上位機，AI儀表、MT－h(huán)umi700標準通風干濕表和USB攝像頭為下位機，按照檢定規(guī)程的要求依次對每個檢定點數(shù)據(jù)進行檢定，檢定過程中實時顯示溫濕度變化曲線，被檢儀表的示值圖片，以溫濕度檢定數(shù)據(jù)作為文件名保存被檢儀表圖片，實現(xiàn)了對檢定流程的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)保存。改變了以往檢定時由工作人員承擔的監(jiān)控、記錄檢定數(shù)據(jù)等工作，減小了工作強度，提高了工作效率，原來讀數(shù)時需要透過檢定箱的玻璃窗口讀取被檢儀表數(shù)據(jù)，受到玻璃窗口水霧、光線、人員工作經(jīng)驗等因素的影響，讀數(shù)準確性受到一定的影響，改造后，攝像頭與被檢儀表同時放入檢定箱中，相對位置固定、環(huán)境參數(shù)一致、讀數(shù)由計算機完成，減少了讀數(shù)過程的誤差，提高了檢定精度。

進一步改進措施，本系統(tǒng)涉及指針式儀表自動讀數(shù)技術，它將計算機視覺技術引入儀表檢定過程，消除了人工觀測方法所造成的主觀誤差，提高了檢定精度和效率，但是不可避免的存在攝像頭視差對讀數(shù)的影響，通過查閱文獻，有的用建立在雙目測量系統(tǒng)下的儀表成像攝像機標定技術減少讀數(shù)影響、有的通過儀表圖像處理系統(tǒng)進行檢定視差的校正、有的使用步進電機以及機械機構實時調整攝像頭位置減少成像誤差。由于實際工作中，溫濕度儀表類型繁多、不同廠家生產(chǎn)的儀表外觀尺寸相差較大，所以進一步的改進措施計劃采用由計算機控制的步進電機以及相應的機械機構，通過調整攝像頭位置減少誤差，具體效果有待進一步的驗證。

［1］徐桂梅，鄭淑芳，王朝敏.機械式溫濕度計濕度部分測量結果的不確定度評定［J］.內蒙古氣象，2012，（2）：30－31.

［2］安代芬.機械式溫濕度計示值誤差的測量不確定度評定［J］.計量與測試技術，2012，39（10）：68－69.

［3］范逸之，陳力元.Visual Basic與RS232串行通信控制［M］.北京：清華大學大學出版社，2002.

［4］張滿莉，楊敬偉.基于VB6.0的宇電儀表與計算機串口通信及在發(fā)動機磨合試驗臺的應用［J］.計量與測試技術.2011，38（6）：23－25.

［5］高云，鄧攀，尚倫，等.AI－808溫度控制器與計算機串口通信［J］.武漢工程職業(yè)技術學院學報，2012，24（1）：41－44.

［6］李江.基于AVICap窗口類視頻監(jiān)控及捕捉系統(tǒng)的實現(xiàn)［J］.視頻技術應用與工程，2004，265（7）：72－74.

［7］阮林波，曹錦云.基于USB攝像頭的遠程多路圖像采集系統(tǒng)設計［J］.計算機工程與設計，2004，25（6）：988－995.

［8］魏彩喬，郭會.基于VB和串行通信的步進電機控制系統(tǒng)設計［J］.機床與液壓，2012，40（8）：134－139.

［9］趙衛(wèi)強，魯墨武.基于VB6.0的監(jiān)控系統(tǒng)軟件中數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)曲線實現(xiàn)方法的研究［J］.沈陽航空工業(yè)學院學報，2003，20（1）：31－34.