基于DAM3058R的环境量检测系统设计

于 彤 赵宝森 徐美德 张天擎 李长昊

北京电子科技职业学院自动化工程学院 北京 100176



基于DAM3058R的环境量检测系统设计

于 彤 赵宝森 徐美德 张天擎 李长昊

北京电子科技职业学院自动化工程学院 北京 100176

摘 要：根据我校大学生创新实践项目平台提供的条件，针对目前环境量检测设备的一些缺点，设计实现了一个基于数据采集器DAM3058R的环境量检测系统。采用不同的环境量传感器和信号调理电路，实现5个环境量的自动检测和不少于7天的数据存储。经实际测试证明该系统设计合理、运行稳定，可以满足校园及实验室环境量的实时监测和历史数据分析。

关键词：环境量检测；数据采集器；传感器

随着社会各种技术的进步，人们对环境质量越来越重视和关注，越来越需要多环境量持续动态检测的仪器设备。本文设计的系统，通过传感技术将采集的多种环境物理量，转换为相应的电压、电流信号，再经处理器集中处理变为标准信号，在PC机上显示为准确的可视的物理量，系统还提供不少于7天的数据存储（具体存储天数视设置的时间间隔而定）。

目前市场上主流的环境量检测是采用模拟小信号传感器，主要缺点有：信号处理电路复杂、测量标定过程繁杂、标定设备昂贵。以温湿度检测为例，由于温湿度传感器多为非线性输出、一致性较差，这就使测量方法相对较复杂，且给电路调试带来很大困难。

本文主要介绍系统中环境量传感器的设计和数据采集器的调试。

1 系统设计整体思路

从校园自然环境基本要素的测量入手，主要研究范畴涉及：（1）环境量传感器的特征、标定与测试方法等；（2）多传感器的使用及其数据融合问题；（3）传感器信号处理技术及虚拟仪器技术。

选择基础的传感器为温湿度、压力、照度、CO2浓度、烟雾浓度等器件，依托现有的快速可重组综合实验台，设计和仿真相应的信号处理电路。根据目前校园与教室的环境状况，制定了检测方案并搭建检测系统，应用在实际环境中实现设计功能。

系统采用了多传感器数据融合技术。依据目前传感器市场效应条件，采用常规的环境量传感元件，能够满足测量的精度要求。真实环境的测量关键点是，合理设计传感器寿命和便于替换、数据存储和更新方式、多种传感信号调理电路等。为确保项目方案的可行性，设计方案采用通用处理电路，使用常规传感元件，能够满足系统设计功能和精度要求。

由于环境量检测的采样技术特殊要求，使得其传感器可能需要分散遍布，或按一定规律采样获取数据。同时要满足测量系统的小型化、智能化等需求。例如“体感温度显示”的检测，需要根据查阅的大量资料，采用最合理的公式与算法实现体感温度的测量和显示。环境量检测系统总体框图及数据采集模式设计如图1所示。

图1 环境量检测系统要素关系图

2 温湿度变送模块的选取

2.1 温湿度模块的特点

根据系统的实际要求，选择VAISALA HMP45D温湿度模块，其主要特点如下：

HMP45D 温湿度传感器具有HUMICAP 技术，是新一代聚合物薄膜电容传感器。由于该传感器的测量部分总是要和空气中的灰尘和化学物质接触，从而使传感器在某些环境中产生漂移。而仪器的电气参数会随时间的推移、温度变化及机械冲击产生变化，因此传感器需要进行定期维护和校准。HMP45D温湿度传感器应安装在其中心点离地面1.5米处。其中，温度传感器是铂电阻温度传感器，湿度传感器是湿敏电容湿度传感器，即 HMP45D 是将铂电阻温度传感器与湿敏电容湿度传感器制作成为一体的温湿度传感器。该模块结构及外观如图2所示。

图2 温湿度变送模块

要满足体感温的显示，可以通过采集器采集到的温度湿度传感器的相应温湿度，经过公式计算得出相应的体感温度。

2.2 体感温度的计算规则设计

根据体感温度理论，主要考虑体感温度与湿度和风速的联系。

2.2.1 体感温度与湿度的关系

设T为空气温度（气温），F为空气湿度，Tg为体感温度，则：

当40%＜F＜60%，体感温度Tg=T

当F＞60%且T＞8时，Tg=T+2×（T-18）×（F-60%）；

当F＜40%且T＞8时，Tg=T-2×（18-T）×（40%-F）；

当F＞60%且T＜8时，Tg=T-20×（F-60%）；

当F＜40%且T＜8时，Tg=T-20×（40%-F）。

2.2.2 体感温度与风速的联系

经过测试和分析，这个公式有局限。因为当温度适中时，风速对体感温度的影响是微乎其微的。根据原公式加以改进：

2.2.3 气象站的局限性对体感温度的影响

气象站测气温的仪器是密闭于一个百叶箱中，就好比人在室内，夏天感觉比在室外凉快一点，冬天则感觉暖和一点。实际的体感温度，与气象站提供的数据相比，夏天要高一些，冬天要低一些，这就给计算带来了很大的麻烦。对此做出近似计算公式：

当40%＜F＜60%，且T＞23

当40%＜F＜60%，且8＜T＜23

当40%＜F＜60%，且T＜8

当F＞60%，且T＞23

当F＞60%，且8＜T＜23

当F＞60%，且T＜8

当F＜40%，且T＞8，

其中，Tg—体感温度（℃），T —环境气温（℃，百叶箱），F —相对湿度（%），V —风速（k m / h）。

3 风向传感器的选取

风向的测量采用HX-T4型风向传感模块。其功能特点包括：体积小，携带方便、安装简捷、外观精美；有较强的防腐蚀性和耐候性；测量精度高，量程范围宽，稳定性好；功耗低，较强的抗干扰能力，能长期稳定工作；电源适应范围宽，数据信息线性度好，信号传输距离长。

HX-T4型风向传感器外观及其风向16位方位如图3所示。

图3 HX-T4型风向传感器及其16位方位图

4 二氧化碳检测

在现代社会的生产和生活中，会接触到各种各样的气体。比如化工生产中气体成分的检测与控制，煤矿瓦斯浓度的检测与报警，空气质量监测等。以空气中二氧化碳监测为例，新鲜空气中二氧化碳的浓度，乡村约为0.03%，城市约为0.04%。研究证明：当二氧化碳含量达0.07%时，有少数对气体敏感的人就感觉有不良气味和不适感觉；达0.1%时，空气中氨类化合物明显增加，人们普遍有不适感觉；达3%时，肺的呼吸量虽正常，但呼吸深度增加；达4%时，头痛、耳鸣、脉搏滞缓、血压上升；达8%～10%时，呼吸明显困难，意识陷入不清，以致呼吸停止；达30%时，致死。另外，人的呼吸气体中的CO2浓度变化：吸入0.04%，呼出4.1%；氧气浓度变化：吸入20.96%，呼出16.4%。

本系统设计采用红外式CO2传感器，其性能稳定，测量精度高。红外式二氧化碳传感器实际接线图及外观如图4所示。

图4 二氧化碳传感器接线图极其外观

5 数据采集器DAM-3058R的测试

5.1 测试基本流程

阿尔泰DAM—3058R模块及其端子分布如图5所示。通过对DAM—3058R模块的基础配置与功能检测，确定其性能及部分参数，以便进行系统的搭建。

图5 DAM—3058R模块及其端子分布

测试的基本流程是：将恒流源接入DAM-3058R模块的IN5+和IN5-；连接电脑和DAM-3058R模块，即将PC转接后的485接口与DAM-3058R模块的485接口相连，485接口和DAM-3058R模块共地；接通24V DC电源；进行PC操作，配置参数，查看相关数据。

5.2 测试步骤及主要结果

按默认设置参数打开串口助手（如图6所示）。按照MODBUS指令输入，返回数据如图7、8所示。这里设置转换算法为：实际值=4+采集值（十进制形式）*（量程上限-量程下限）/65536。

图6 打开串口界面

图7 数据采集

图8 软件数据采集

由于DAM-3058R模块不支持单通道配置，如单通道操作，只能对接口1操作，经测试发现，若对端口1配置，则其他所有端口也发生相应改变。

DAM-3058R模块的默认波特率为9 600，但为了满足环境量的测量，需改变其波特率，所以必须进行此项设置。

环境量检测系统要同时用到多路数据采集。将采集器选择做五路测试，搭建测试电路。当电流低于4 mA时，采集到电流均为4 mA。共采集六组数据，此处不再赘述。图9所示为环境量检测系统外观及其工作界面。

图9 环境量检测系统外观及其工作界面

6 结束语

本文以快速可重组虚拟仪器实验台为背景，首先介绍了环境量检测系统的设计思路及关键技术，描述了DAM—3058R数据采集模块的基础配置与功能检测。根据整体设计思路，进行了测量温度湿度、CO2浓度、风向、噪声等传感器选型及其试验调整，进行了数据采集器的测试与设置。试验设计中利用环境量变送器实现物理量的采集，再利用数据采集模块及DRVI实验平台，由计算机模拟显示检测结果，得到五个环境量的检测数据。后期工作还需将数据接口设计为USB接口模式，便于数据存储和调用。

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Design of Environmental Detection System Based on DAM3058R

Yu Tong， Zhao Baosen， Xu Meide， Zhang Tianqing， Li Changhao
College of Automation Engineering， Beijing Polytechnic， Beijing， 100176， China

Abstract:According to the conditions of Student innovation project platform， in the light of the shortcomings of current environmental test equipment， an environment detection system based on data acquisition（DAM3058R） are designed and produced. Using different environmental sensor and signal conditioning circuit， the system can automatically detect the 5 environmental variables， and can be stored more than 7 days of data.The actual test proved that the system is reasonable in design， stable operation， the system can satisfy the real time monitoring and the analysis of historical data and laboratory environment of campus.

Key words:environmental detection； data collector； sensor

收稿日期：2015-10-03

作者简介：于彤，硕士，副教授。

基金项目：北京电子科技职业学院科研立项资助（编号：YZK2015047）；促进人才培养-电气自动化技术教学团队项目资助（编号：CJRC-SZDW-2015/001/002）