安衛(wèi),張虹

(1.中國科學(xué)院 國家授時中心,西安 710600；2.中國科學(xué)院 時間頻率基準(zhǔn)重點實驗室,西安 710600)

0 引言

中國科學(xué)院國家授時中心保持著我國獨立的地方原子時尺度TA(NTSC),承擔(dān)著我國標(biāo)準(zhǔn)時間UTC(NTSC)的產(chǎn)生、保持與發(fā)播任務(wù)[1]。時間尺度長期、連續(xù)、高性能的保持依賴于守時系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行,而守時系統(tǒng)的核心是原子鐘及其相關(guān)測量比對設(shè)備,它們要求工作環(huán)境盡可能穩(wěn)定,尤其是氫原子鐘對環(huán)境變化極其敏感,其溫度系數(shù)達到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,也會影響輸出信號的品質(zhì),從而導(dǎo)致原子鐘性能下降,進而降低時間尺度的性能指標(biāo)[2-5]。提高溫濕度變化監(jiān)測水平是實驗室環(huán)境控制的關(guān)鍵,傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測大多采用人工與模擬溫度計相結(jié)合的記錄方式,測量精度低、工作量大、自動化程度低,數(shù)據(jù)采樣間隔大且無法保證測量數(shù)據(jù)等間隔,因此迫切需要一種高精度、數(shù)字化、自動測量的溫濕度監(jiān)測和記錄設(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、超長的信號傳輸距離等特點[6-7]。筆者重點研究利用溫濕度傳感器AM2302研制的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)從2016年起用于時間頻率基準(zhǔn)室守時系統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測,運行結(jié)果表明溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)具有精度高、可靠性好、性價比高等優(yōu)點。

1 溫濕度傳感器AM2302監(jiān)測系統(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)集成變得簡易快捷。

1.1 AM2302傳感器的主要基本指標(biāo)與監(jiān)測系統(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 ℃；溫度測量精度<±0.5 ℃；濕度量程范圍0%～99.9% RH；分辨率0.1% RH；濕度測量精度<±2% RH；AM2302低功耗；單總線數(shù)字輸出；信號傳輸距離遠可達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)測系統(tǒng)主要由AM2302溫濕度傳感器、STC89C52單片機、PC機等部分組成。如圖2所示,系統(tǒng)通過STC89C52單片機采集AM2302傳感器參數(shù),并通過串口發(fā)送給PC機,利用VB編寫的軟件實現(xiàn)溫濕度實時顯示、實時曲線、定時保存記錄、報警等功能。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)框圖

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件的構(gòu)成

硬件構(gòu)成主要以STC89C52單片機最小系統(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芯片進行電平轉(zhuǎn)換,使用標(biāo)準(zhǔn)的R-232接口與上位機進行通信,將采集的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機。AM2302溫濕度傳感器采用簡化的單總線通信,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)管腳與單片機的I/O端口P0.0相連。STC89C52單片機與 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),只有主機呼叫傳感器時,傳感器才會應(yīng)答,因此主機訪問傳感器都必須嚴(yán)格遵循單總線序列,如果出現(xiàn)序列混亂,傳感器無數(shù)據(jù)輸出并等待下一次主機訪問。

圖3 C51單片機與AM2302的應(yīng)用電路

1.3 AM2302溫濕度傳感器單總線具體通信時序

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

圖4 AM2302單總線具體通信時序

AM2302溫濕度傳感器即輸出75 μs的低電平與一個75 μs的高電平作為應(yīng)答信號,如主機接收到溫濕度傳感器的響應(yīng)信號則通知外設(shè)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)是由低高兩個電平組成。首先是一個50 μs的低電平,表示數(shù)據(jù)位的開始,隨后的高電平長度決定數(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 (十六進制)=652?65.2%RH,溫度為0000 0001+0101 1111=15F(十六進制)=351?35.1 ℃,當(dāng)溫度低于0 ℃時溫度數(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(十六進制)=37?-3.7 ℃。

1.4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

圖5 下位機采集AM2302溫、濕度數(shù)據(jù)流程

上位機PC操作軟件設(shè)計時,根據(jù)可視化軟件開發(fā)要求,程序界面簡單明了、易于維護、使用方便。系統(tǒng)采用VB語言開發(fā),系統(tǒng)運行平臺為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)試簡單方便,用戶通過MSComm控件的屬性設(shè)置,可實現(xiàn)多點實時溫濕度監(jiān)測,從而使軟件編寫更加方便[14-15]。上位機PC軟件編寫流程如圖6所示。

圖6 上位機PC軟件編寫流程

2 軟件運行結(jié)果

溫濕度監(jiān)測軟件能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境溫濕度監(jiān)測與數(shù)據(jù)自動記錄,數(shù)據(jù)自動記錄有5,10,30和60 min 4個采樣時間段,可根據(jù)需要選擇采樣時間,以當(dāng)前年月自動生成文件名保存,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個獨立空間的溫濕度實時監(jiān)測,也可用于對溫濕度環(huán)境變化要求精密的單一空間的多點同步監(jiān)測,對于要求集中時間進行高密度測量的用戶可以通過修改采樣間隔實現(xiàn),軟件同時提供顯示最長一個月的溫濕度變化曲線,便于工作人員及時了解相關(guān)設(shè)備的工作狀態(tài)。

根據(jù)2號銫鐘房2017年1月至6月半年的監(jiān)測結(jié)果,其溫度變化范圍21.3～24.5 ℃,通過Kalman濾波處理得出狀態(tài)估計值,計算得出2號銫鐘房溫度測量精度小于±0.1 ℃,見表1所示。

表1 2號銫鐘房溫度測量精度

℃

該監(jiān)測軟件用于對國家授時中心守時系統(tǒng)的3個原子鐘房和兩套時間比對系統(tǒng)所在空間的溫濕度監(jiān)測與記錄,圖8所示是軟件的主界面(2017年7月軟件運行截圖),主要包括5個功能模塊：八路溫濕度實時顯示模塊、串口選擇、采樣間隔、溫濕度實時曲線選擇模塊、曲線周期選擇模塊,相關(guān)工作人員通過對主界面不同功能模塊的選擇,實時監(jiān)測被測房間的溫濕度變化狀況,及時發(fā)現(xiàn)異常。

圖8 溫濕度監(jiān)測軟件運行主操作界面

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

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

3 結(jié)論

經(jīng)過一年多的連續(xù)運行表明該系統(tǒng)具有測量精度高,穩(wěn)定性好,能夠?qū)崟r發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度異常,并能準(zhǔn)確給出異常發(fā)生的時刻和異常值大小,能夠為守時系統(tǒng)的溫濕度控制、硬件報警系統(tǒng)提供安全穩(wěn)定的監(jiān)測數(shù)據(jù),為時間保持工作提供有力的技術(shù)支撐,從而提高時頻基準(zhǔn)室守時環(huán)境的智能化管理水平。

隨著原子鐘性能以及時間比對精度、比對技術(shù)的不斷提高,國家授時中心保持的標(biāo)準(zhǔn)時間的性能指標(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,避免對守時系統(tǒng)產(chǎn)生大的影響,在此基礎(chǔ)上逐步實現(xiàn)溫濕度自動化監(jiān)測、控制和管理。