守时钟房温湿度监测系统

安卫,张虹

(1.中国科学院 国家授时中心,西安 710600；2.中国科学院 时间频率基准重点实验室,西安 710600)

0 引言

中国科学院国家授时中心保持着我国独立的地方原子时尺度TA(NTSC),承担着我国标准时间UTC(NTSC)的产生、保持与发播任务[1]。时间尺度长期、连续、高性能的保持依赖于守时系统的稳定可靠运行,而守时系统的核心是原子钟及其相关测量比对设备,它们要求工作环境尽可能稳定,尤其是氢原子钟对环境变化极其敏感,其温度系数达到10-14℃,温湿度变化是直接影响其频率稳定度的主要因素之一,也会影响输出信号的品质,从而导致原子钟性能下降,进而降低时间尺度的性能指标[2-5]。提高温湿度变化监测水平是实验室环境控制的关键,传统的温湿度监测大多采用人工与模拟温度计相结合的记录方式,测量精度低、工作量大、自动化程度低,数据采样间隔大且无法保证测量数据等间隔,因此迫切需要一种高精度、数字化、自动测量的温湿度监测和记录设备。

随着科技的不断发展,温湿度传感器从传统的模拟温湿元件向集成化、数字化方向快速发展。新一代的数字温湿度传感器具有体积小、功耗低、响应速度快、超长的信号传输距离等特点[6-7]。笔者重点研究利用温湿度传感器AM2302研制的温湿度监测系统,该系统从2016年起用于时间频率基准室守时系统的温湿度监测,运行结果表明温湿度监测系统具有精度高、可靠性好、性价比高等优点。

1 温湿度传感器AM2302监测系统的构成

AM2302数字温湿度传感器是一种新型温度传感器,它集温湿度测量、A/D转换于一体。单线制串行接口,使系统集成变得简易快捷。

1.1 AM2302传感器的主要基本指标与监测系统框图

AM2302是应用领域广泛的数字温湿度传感器,其主要基本指标如下：温度量程范围为-40～80 ℃；分辨率0.1 ℃；温度测量精度<±0.5 ℃；湿度量程范围0%～99.9% RH；分辨率0.1% RH；湿度测量精度<±2% RH；AM2302低功耗；单总线数字输出；信号传输距离远可达15 m；AM2302数字温湿度传感器采用的数字模块采集技术,具有很高的可靠性与稳定性[8-10]。AM2302数字温湿度传感器采用4针单排引脚封装,电路连接简洁方便,引脚如图1所示。

注：VDD为3.3～6 V直流电源供电；DATA为串行数据传输线；NC为引脚悬空；GND为接地

AM2302温湿度监测系统主要由AM2302温湿度传感器、STC89C52单片机、PC机等部分组成。如图2所示,系统通过STC89C52单片机采集AM2302传感器参数,并通过串口发送给PC机,利用VB编写的软件实现温湿度实时显示、实时曲线、定时保存记录、报警等功能。

图2 监测系统框图

1.2 监测系统硬件的构成

硬件构成主要以STC89C52单片机最小系统作为核心控制电路[11],控制AM2302温湿度传感器DATA数据管脚采集温湿度数据。利用MAX232芯片进行电平转换,使用标准的R-232接口与上位机进行通信,将采集的温湿度数据发送到PC机。AM2302温湿度传感器采用简化的单总线通信,系统中的数据交换、控制均由DATA数据管脚完成。STC89C52单片机与AM2302的连接应用电路如图3所示,AM2302温湿度传感器DATA数据管脚与单片机的I/O端口P0.0相连。STC89C52单片机与 AM2302之间的通讯和同步采用单总线数据格式,一次传送40位数据,高位先出。由于它们是主从结构,只有主机呼叫传感器时,传感器才会应答,因此主机访问传感器都必须严格遵循单总线序列,如果出现序列混乱,传感器无数据输出并等待下一次主机访问。

图3 C51单片机与AM2302的应用电路

1.3 AM2302温湿度传感器单总线具体通信时序

AM2302单总线具体通信时序如图4所示。AM2302温湿度传感器空闲时总线为高电平,STC89C52单片机拉低总线800 μs后释放总线,拉高延时20 μs后主机开始检测AM2302温湿度传感器的响应信号。

图4 AM2302单总线具体通信时序

AM2302温湿度传感器即输出75 μs的低电平与一个75 μs的高电平作为应答信号,如主机接收到温湿度传感器的响应信号则通知外设准备接收数据,数据是由低高两个电平组成。首先是一个50 μs的低电平,表示数据位的开始,随后的高电平长度决定数据数值是“1”或“0”,高电平70 μs左右代表“1”,高电平30 μs左右代表“0”,共接收40位数据,数据传送完毕后,从机将再次拉低总线50 μs,随后释放总线,由上拉电阻拉高直到下一次通信的来临。如连续采样读取传感器最小间隔周期为2 s,读取间隔周期小于2 s,可能导致温湿度不准或通信不成功等情况。数据总线DATA串行送出40 bit的数据,数据依次为：湿度高8位+湿度低8位+温度高8位+温度低8位=和的末8位(校验位)。

例：接收40 bit数据0000 0010 1000 1100 0000 0001 0101 1111 1110 1110 (接收数据正确)。湿度为0000 0010+1000 1100=28C (十六进制)=652⟹65.2%RH,温度为0000 0001+0101 1111=15F(十六进制)=351⟹35.1 ℃,当温度低于0 ℃时温度数据的最高位置1。例如：-3.7 ℃表示为1000 0000 010 0101,温度为0000 0000 0010 0101 = 0025(十六进制)=37⟹-3.7 ℃。

1.4 监测系统软件设计

本系统软件设计由两部分组成,即发出控制命令的PC上位机与控制温湿度传感器的下位机。在下位机部分是利用STC89C52单片机通过I/O口,将AM2302采集的温湿度数字信号发送给STC89C52单片机,在单片机的控制下,将温、湿度数据再通过R-232通信串口传到上位机。通过PC机的软件开发可以对温度和湿度数据进行显示、处理和绘图。下位机软件开发平台是uVision2,它是一个基于Window的开发平台,包含一个高效的编辑器,支持所有的KEIL 8051工具,包括C编译器,宏汇编器等[12-13],下位机采集AM2302温、湿度数据流程如图5所示。

图5 下位机采集AM2302温、湿度数据流程

上位机PC操作软件设计时,根据可视化软件开发要求,程序界面简单明了、易于维护、使用方便。系统采用VB语言开发,系统运行平台为Win Xp,Win 7。VB串口通信控件MSComm能够提供R-232通信串口的全部功能,应用程序编写、调试简单方便,用户通过MSComm控件的属性设置,可实现多点实时温湿度监测,从而使软件编写更加方便[14-15]。上位机PC软件编写流程如图6所示。

图6 上位机PC软件编写流程

2 软件运行结果

温湿度监测软件能够实现环境温湿度监测与数据自动记录,数据自动记录有5,10,30和60 min 4个采样时间段,可根据需要选择采样时间,以当前年月自动生成文件名保存,例如“温度201702.txt,湿度201702.txt”。数据文件保存格式,如图7所示。

图7 温湿度采样数据文件保存格式

本软件即可用于8个独立空间的温湿度实时监测,也可用于对温湿度环境变化要求精密的单一空间的多点同步监测,对于要求集中时间进行高密度测量的用户可以通过修改采样间隔实现,软件同时提供显示最长一个月的温湿度变化曲线,便于工作人员及时了解相关设备的工作状态。

根据2号铯钟房2017年1月至6月半年的监测结果,其温度变化范围21.3～24.5 ℃,通过Kalman滤波处理得出状态估计值,计算得出2号铯钟房温度测量精度小于±0.1 ℃,见表1所示。

表1 2号铯钟房温度测量精度

℃

该监测软件用于对国家授时中心守时系统的3个原子钟房和两套时间比对系统所在空间的温湿度监测与记录,图8所示是软件的主界面(2017年7月软件运行截图),主要包括5个功能模块：八路温湿度实时显示模块、串口选择、采样间隔、温湿度实时曲线选择模块、曲线周期选择模块,相关工作人员通过对主界面不同功能模块的选择,实时监测被测房间的温湿度变化状况,及时发现异常。

图8 温湿度监测软件运行主操作界面

图9是2017年4月备用主钟(比对东)系统空调故障时记录的温湿度变化曲线,使值班人员能及时发现温度变化异常,并通知维修人员对空调进行检查维修。

图9 2017年4月备用主钟(比对东)空调故障记录温湿度变化曲线

3 结论

经过一年多的连续运行表明该系统具有测量精度高,稳定性好,能够实时发现环境温度异常,并能准确给出异常发生的时刻和异常值大小,能够为守时系统的温湿度控制、硬件报警系统提供安全稳定的监测数据,为时间保持工作提供有力的技术支撑,从而提高时频基准室守时环境的智能化管理水平。

随着原子钟性能以及时间比对精度、比对技术的不断提高,国家授时中心保持的标准时间的性能指标不断提升,为了确保关键设备所在空间的温湿度尽可能稳定,避免对守时系统产生大的影响,在此基础上逐步实现温湿度自动化监测、控制和管理。