李迪凡，許文清，楊萬均，劉俊，封先河

（西南技術工程研究所，重慶 400039）

包裝容器內裝備等產(chǎn)品大多采用密封包裝方式進行長期貯存，在其周圍以及內部形成了一個相對密閉的空間，與貯存環(huán)境相對應，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裝備性能的兩項重要參數(shù)。裝備在長期貯存過程中，由于外界貯存環(huán)境的影響，微環(huán)境溫濕度定會發(fā)生變化，會使微環(huán)境的濕度增大，從而使容器內裝備產(chǎn)生腐蝕變質和破壞等現(xiàn)象。如使彈藥的點火具發(fā)射藥引信等火工品受潮變質，甚至使裝備中電子電路和儀器儀表因為濕度的增加而失效，會嚴重影響裝備戰(zhàn)技性能的發(fā)揮。隨著電子技術計算機和通信技術的發(fā)展，高度集成的多用途綜合傳感器成功開發(fā)，并實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)無線傳輸，國外對微環(huán)境實時監(jiān)檢測進入了實際應用階段。其中以美國的應用最為突出，如美國的愛國者導彈密封防護包裝箱內就安裝了溫濕振綜合傳感器，并實時將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳入美軍導彈司令部，美軍導彈司令部可以實時了解和掌握部署于世界各地每一發(fā)愛國者導彈所承受的環(huán)境應力，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，為愛國者導彈戰(zhàn)斗力的發(fā)揮提供強有力的保證。我國對微環(huán)境溫濕度檢測裝置的研究相對較少。文中研制了一種微環(huán)境溫濕度檢測裝置，可用于微環(huán)境溫度和濕度兩個參數(shù)的實時監(jiān)測數(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微環(huán)境的溫濕度試驗數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)存貯系統(tǒng)，通過編程實現(xiàn)可視化的人機交換，還具有設置日歷時間地址修改數(shù)據(jù)修正等功能，最高可同時檢測32 個樣品的溫濕度數(shù)據(jù)，具有很高的推廣價值[1-12]。

1 裝置的功能設計要求和技術指標

為了滿足裝備包裝容器微環(huán)境溫濕度測試需求，研制的裝置必須方便攜帶，能同時實現(xiàn)對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裝置供電。為此設計了一套基于RS485通訊接口的微環(huán)境數(shù)據(jù)采集與記錄裝置，實現(xiàn)微環(huán)境的溫度和濕度檢測和數(shù)據(jù)記錄，研制的裝置的主要技術指標如下。

1）采集范圍和精度。溫度：0~100 ℃，≤±0.3 ℃@ 40 ℃；相對濕度：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；數(shù)據(jù)存貯深度：儀器設定每分鐘記錄一次時，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：實時顯示各路采集值。

4）通訊要求：儀器與計算機的通訊接口采用USB 方式。

2 裝置方案設計

2.1 總體設計

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

圖1 溫濕度測量系統(tǒng)的硬件

2.2 人機界面

人機界面（HMI）是人與計算機之間傳遞交換信息的媒介和對話接口，是本微環(huán)境溫濕度測試與記錄裝置的核心部件，報告采用了臺灣臺達公司的DOP-B07S411 人機界面，如圖2 所述。該人機界面包括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 人機界面

溫濕度傳感器作為本系統(tǒng)的一個關鍵部件，選擇了由瑞士Sensirion 公司生產(chǎn)的一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器SHT75。該傳感器基于工業(yè)MODBUS-RTU 協(xié)議，實現(xiàn)低功耗溫濕度狀態(tài)在線監(jiān)測，通信距離延長到最長1000 m，可以有效解決傳輸距離造成的信號畸變問題。該傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14 位的A/D 轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。SHT75 采用串行接口，它的分辨率可以根據(jù)對現(xiàn)場的采集速率而進行調整。一般情況下，默認的測量分辨率分別為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。對溫度的量程范圍為-40~123.8 ℃，相對濕度的量程范圍為0~100%。它操作比較簡單，只需用一組“啟動傳輸”時序，就能實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?。同時，在測量和通訊結束后，SHT75 會自動轉入休眠模式，這大大減少了功耗。該傳感器結構框圖如圖3 所示。

圖3 SHT75 結構

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

圖4 傳感器檢測電路

表1 引腳說明

對于采集的相對濕度，首先按式（1）進行了非線性補償，相對濕度完成非線性補償后，再進行溫度校正。

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

表2 溫濕度傳感器相對相對濕度非線性補償系數(shù)

由于實際溫度與測試參考溫度25 ℃顯著不同，相對濕度信號按式（2）進行了溫度補償。溫度補償校正系數(shù)對應于0.12%RH/ ℃@50%RH。

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

表3 溫濕度傳感器相對相對濕度溫度校正系數(shù)

該傳感器采用能隙材料 PTAT（正比于絕對溫度），溫度傳感器具有極好的線性。可用式（3）將數(shù)字輸出(SOT)轉換為溫度值，溫度轉換系數(shù)見表4。

式中：T 為測試的溫度值；d1d2為轉換系數(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換系數(shù)

傳感器采用冶金粉末燒結殼體進行了封裝，形成的傳感器實物如圖5 所示。

圖5 制作的傳感器實物

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 人機交互軟件設計

人機交互軟件包括兩個部分：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)錯誤判斷等功能。一個通道的讀取示例如下：

#讀取傳感器測量值

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 /相對濕度校正

IF $M101 >= 1000 /數(shù)據(jù)錯誤判斷

$M101 = 1000 /數(shù)據(jù)錯誤標識

ENDIF

ELSE

$100 = 0

$101 = 0

$M100 = $100 /溫度存貯

$M101 = $101 /相對濕度存貯

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)地址修改儀器校準和系統(tǒng)時間校準等界面，如圖6 所示。

圖6 人機交互的可視化界面

2.6 裝置試驗

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

表5 微環(huán)境溫濕度測試數(shù)據(jù)

測量前對裝置的每一個通道的溫濕度傳感器進行了校準，校準結果如圖8 所示。從溫濕度偏差曲線可以看出，溫度測試精度在40 ℃時為+0.2 ℃，相對濕度精度為-3%，滿足技術要求。

圖 8 溫相對濕度偏差曲線

3 結語

結合計算機技術和傳感器技術，設計了一套便攜式微環(huán)境溫濕度檢測裝置，實現(xiàn)了對溫度和相對濕度的實時監(jiān)控。通過軟件功能設置，可以完成對溫濕度的補償數(shù)據(jù)的存儲和調用，也可以根據(jù)需求，合理選擇采集周期，最低可實現(xiàn)1 min/次，與傳統(tǒng)和市場上溫濕度檢測裝置相比，具有先進性。該裝置測量精度較高，測量范圍較廣，體積小，攜帶方便，最多可同時檢測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)下工作時穩(wěn)定性能強，一致性好，經(jīng)多年連續(xù)檢測使用，證明裝置設計合理，運行穩(wěn)定，能滿足不同類型樣品的試驗檢測要求。目前在我國這類儀器較少，需求量較高，具有廣闊的市場前景與發(fā)展?jié)摿5-10]。