于 彤 趙寶森 徐美德 張?zhí)烨?李長昊

北京電子科技職業(yè)學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院 北京 100176

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基于DAM3058R的環(huán)境量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于 彤 趙寶森 徐美德 張?zhí)烨?李長昊

北京電子科技職業(yè)學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院 北京 100176

摘 要：根據(jù)我校大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目平臺(tái)提供的條件，針對(duì)目前環(huán)境量檢測(cè)設(shè)備的一些缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于數(shù)據(jù)采集器DAM3058R的環(huán)境量檢測(cè)系統(tǒng)。采用不同的環(huán)境量傳感器和信號(hào)調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)5個(gè)環(huán)境量的自動(dòng)檢測(cè)和不少于7天的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。經(jīng)實(shí)際測(cè)試證明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行穩(wěn)定，可以滿足校園及實(shí)驗(yàn)室環(huán)境量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和歷史數(shù)據(jù)分析。

關(guān)鍵詞：環(huán)境量檢測(cè)；數(shù)據(jù)采集器；傳感器

隨著社會(huì)各種技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量越來越重視和關(guān)注，越來越需要多環(huán)境量持續(xù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的儀器設(shè)備。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，通過傳感技術(shù)將采集的多種環(huán)境物理量，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓、電流信號(hào)，再經(jīng)處理器集中處理變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)，在PC機(jī)上顯示為準(zhǔn)確的可視的物理量，系統(tǒng)還提供不少于7天的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（具體存儲(chǔ)天數(shù)視設(shè)置的時(shí)間間隔而定）。

目前市場(chǎng)上主流的環(huán)境量檢測(cè)是采用模擬小信號(hào)傳感器，主要缺點(diǎn)有：信號(hào)處理電路復(fù)雜、測(cè)量標(biāo)定過程繁雜、標(biāo)定設(shè)備昂貴。以溫濕度檢測(cè)為例，由于溫濕度傳感器多為非線性輸出、一致性較差，這就使測(cè)量方法相對(duì)較復(fù)雜，且給電路調(diào)試帶來很大困難。

本文主要介紹系統(tǒng)中環(huán)境量傳感器的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集器的調(diào)試。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體思路

從校園自然環(huán)境基本要素的測(cè)量入手，主要研究范疇涉及：（1）環(huán)境量傳感器的特征、標(biāo)定與測(cè)試方法等；（2）多傳感器的使用及其數(shù)據(jù)融合問題；（3）傳感器信號(hào)處理技術(shù)及虛擬儀器技術(shù)。

選擇基礎(chǔ)的傳感器為溫濕度、壓力、照度、CO2濃度、煙霧濃度等器件，依托現(xiàn)有的快速可重組綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)和仿真相應(yīng)的信號(hào)處理電路。根據(jù)目前校園與教室的環(huán)境狀況，制定了檢測(cè)方案并搭建檢測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用在實(shí)際環(huán)境中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。

系統(tǒng)采用了多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)。依據(jù)目前傳感器市場(chǎng)效應(yīng)條件，采用常規(guī)的環(huán)境量傳感元件，能夠滿足測(cè)量的精度要求。真實(shí)環(huán)境的測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)是，合理設(shè)計(jì)傳感器壽命和便于替換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和更新方式、多種傳感信號(hào)調(diào)理電路等。為確保項(xiàng)目方案的可行性，設(shè)計(jì)方案采用通用處理電路，使用常規(guī)傳感元件，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能和精度要求。

由于環(huán)境量檢測(cè)的采樣技術(shù)特殊要求，使得其傳感器可能需要分散遍布，或按一定規(guī)律采樣獲取數(shù)據(jù)。同時(shí)要滿足測(cè)量系統(tǒng)的小型化、智能化等需求。例如“體感溫度顯示”的檢測(cè)，需要根據(jù)查閱的大量資料，采用最合理的公式與算法實(shí)現(xiàn)體感溫度的測(cè)量和顯示。環(huán)境量檢測(cè)系統(tǒng)總體框圖及數(shù)據(jù)采集模式設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 環(huán)境量檢測(cè)系統(tǒng)要素關(guān)系圖

2 溫濕度變送模塊的選取

2.1 溫濕度模塊的特點(diǎn)

根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際要求，選擇VAISALA HMP45D溫濕度模塊，其主要特點(diǎn)如下：

HMP45D 溫濕度傳感器具有HUMICAP 技術(shù)，是新一代聚合物薄膜電容傳感器。由于該傳感器的測(cè)量部分總是要和空氣中的灰塵和化學(xué)物質(zhì)接觸，從而使傳感器在某些環(huán)境中產(chǎn)生漂移。而儀器的電氣參數(shù)會(huì)隨時(shí)間的推移、溫度變化及機(jī)械沖擊產(chǎn)生變化，因此傳感器需要進(jìn)行定期維護(hù)和校準(zhǔn)。HMP45D溫濕度傳感器應(yīng)安裝在其中心點(diǎn)離地面1.5米處。其中，溫度傳感器是鉑電阻溫度傳感器，濕度傳感器是濕敏電容濕度傳感器，即 HMP45D 是將鉑電阻溫度傳感器與濕敏電容濕度傳感器制作成為一體的溫濕度傳感器。該模塊結(jié)構(gòu)及外觀如圖2所示。

圖2 溫濕度變送模塊

要滿足體感溫的顯示，可以通過采集器采集到的溫度濕度傳感器的相應(yīng)溫濕度，經(jīng)過公式計(jì)算得出相應(yīng)的體感溫度。

2.2 體感溫度的計(jì)算規(guī)則設(shè)計(jì)

根據(jù)體感溫度理論，主要考慮體感溫度與濕度和風(fēng)速的聯(lián)系。

2.2.1 體感溫度與濕度的關(guān)系

設(shè)T為空氣溫度（氣溫），F(xiàn)為空氣濕度，Tg為體感溫度，則：

當(dāng)40%＜F＜60%，體感溫度Tg=T

當(dāng)F＞60%且T＞8時(shí)，Tg=T+2×（T-18）×（F-60%）；

當(dāng)F＜40%且T＞8時(shí)，Tg=T-2×（18-T）×（40%-F）；

當(dāng)F＞60%且T＜8時(shí)，Tg=T-20×（F-60%）；

當(dāng)F＜40%且T＜8時(shí)，Tg=T-20×（40%-F）。

2.2.2 體感溫度與風(fēng)速的聯(lián)系

經(jīng)過測(cè)試和分析，這個(gè)公式有局限。因?yàn)楫?dāng)溫度適中時(shí)，風(fēng)速對(duì)體感溫度的影響是微乎其微的。根據(jù)原公式加以改進(jìn)：

2.2.3 氣象站的局限性對(duì)體感溫度的影響

氣象站測(cè)氣溫的儀器是密閉于一個(gè)百葉箱中，就好比人在室內(nèi)，夏天感覺比在室外涼快一點(diǎn)，冬天則感覺暖和一點(diǎn)。實(shí)際的體感溫度，與氣象站提供的數(shù)據(jù)相比，夏天要高一些，冬天要低一些，這就給計(jì)算帶來了很大的麻煩。對(duì)此做出近似計(jì)算公式：

當(dāng)40%＜F＜60%，且T＞23

當(dāng)40%＜F＜60%，且8＜T＜23

當(dāng)40%＜F＜60%，且T＜8

當(dāng)F＞60%，且T＞23

當(dāng)F＞60%，且8＜T＜23

當(dāng)F＞60%，且T＜8

當(dāng)F＜40%，且T＞8，

其中，Tg—體感溫度（℃），T —環(huán)境氣溫（℃，百葉箱），F(xiàn) —相對(duì)濕度（%），V —風(fēng)速（k m / h）。

3 風(fēng)向傳感器的選取

風(fēng)向的測(cè)量采用HX-T4型風(fēng)向傳感模塊。其功能特點(diǎn)包括：體積小，攜帶方便、安裝簡(jiǎn)捷、外觀精美；有較強(qiáng)的防腐蝕性和耐候性；測(cè)量精度高，量程范圍寬，穩(wěn)定性好；功耗低，較強(qiáng)的抗干擾能力，能長期穩(wěn)定工作；電源適應(yīng)范圍寬，數(shù)據(jù)信息線性度好，信號(hào)傳輸距離長。

HX-T4型風(fēng)向傳感器外觀及其風(fēng)向16位方位如圖3所示。

圖3 HX-T4型風(fēng)向傳感器及其16位方位圖

4 二氧化碳檢測(cè)

在現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)和生活中，會(huì)接觸到各種各樣的氣體。比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測(cè)與控制，煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)與報(bào)警，空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等。以空氣中二氧化碳監(jiān)測(cè)為例，新鮮空氣中二氧化碳的濃度，鄉(xiāng)村約為0.03%，城市約為0.04%。研究證明：當(dāng)二氧化碳含量達(dá)0.07%時(shí)，有少數(shù)對(duì)氣體敏感的人就感覺有不良?xì)馕逗筒贿m感覺；達(dá)0.1%時(shí)，空氣中氨類化合物明顯增加，人們普遍有不適感覺；達(dá)3%時(shí)，肺的呼吸量雖正常，但呼吸深度增加；達(dá)4%時(shí)，頭痛、耳鳴、脈搏滯緩、血壓上升；達(dá)8%～10%時(shí)，呼吸明顯困難，意識(shí)陷入不清，以致呼吸停止；達(dá)30%時(shí)，致死。另外，人的呼吸氣體中的CO2濃度變化：吸入0.04%，呼出4.1%；氧氣濃度變化：吸入20.96%，呼出16.4%。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用紅外式CO2傳感器，其性能穩(wěn)定，測(cè)量精度高。紅外式二氧化碳傳感器實(shí)際接線圖及外觀如圖4所示。

圖4 二氧化碳傳感器接線圖極其外觀

5 數(shù)據(jù)采集器DAM-3058R的測(cè)試

5.1 測(cè)試基本流程

阿爾泰DAM—3058R模塊及其端子分布如圖5所示。通過對(duì)DAM—3058R模塊的基礎(chǔ)配置與功能檢測(cè)，確定其性能及部分參數(shù)，以便進(jìn)行系統(tǒng)的搭建。

圖5 DAM—3058R模塊及其端子分布

測(cè)試的基本流程是：將恒流源接入DAM-3058R模塊的IN5+和IN5-；連接電腦和DAM-3058R模塊，即將PC轉(zhuǎn)接后的485接口與DAM-3058R模塊的485接口相連，485接口和DAM-3058R模塊共地；接通24V DC電源；進(jìn)行PC操作，配置參數(shù)，查看相關(guān)數(shù)據(jù)。

5.2 測(cè)試步驟及主要結(jié)果

按默認(rèn)設(shè)置參數(shù)打開串口助手（如圖6所示）。按照MODBUS指令輸入，返回?cái)?shù)據(jù)如圖7、8所示。這里設(shè)置轉(zhuǎn)換算法為：實(shí)際值=4+采集值（十進(jìn)制形式）*（量程上限-量程下限）/65536。

圖6 打開串口界面

圖7 數(shù)據(jù)采集

圖8 軟件數(shù)據(jù)采集

由于DAM-3058R模塊不支持單通道配置，如單通道操作，只能對(duì)接口1操作，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，若對(duì)端口1配置，則其他所有端口也發(fā)生相應(yīng)改變。

DAM-3058R模塊的默認(rèn)波特率為9 600，但為了滿足環(huán)境量的測(cè)量，需改變其波特率，所以必須進(jìn)行此項(xiàng)設(shè)置。

環(huán)境量檢測(cè)系統(tǒng)要同時(shí)用到多路數(shù)據(jù)采集。將采集器選擇做五路測(cè)試，搭建測(cè)試電路。當(dāng)電流低于4 mA時(shí)，采集到電流均為4 mA。共采集六組數(shù)據(jù)，此處不再贅述。圖9所示為環(huán)境量檢測(cè)系統(tǒng)外觀及其工作界面。

圖9 環(huán)境量檢測(cè)系統(tǒng)外觀及其工作界面

6 結(jié)束語

本文以快速可重組虛擬儀器實(shí)驗(yàn)臺(tái)為背景，首先介紹了環(huán)境量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及關(guān)鍵技術(shù)，描述了DAM—3058R數(shù)據(jù)采集模塊的基礎(chǔ)配置與功能檢測(cè)。根據(jù)整體設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行了測(cè)量溫度濕度、CO2濃度、風(fēng)向、噪聲等傳感器選型及其試驗(yàn)調(diào)整，進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集器的測(cè)試與設(shè)置。試驗(yàn)設(shè)計(jì)中利用環(huán)境量變送器實(shí)現(xiàn)物理量的采集，再利用數(shù)據(jù)采集模塊及DRVI實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由計(jì)算機(jī)模擬顯示檢測(cè)結(jié)果，得到五個(gè)環(huán)境量的檢測(cè)數(shù)據(jù)。后期工作還需將數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)為USB接口模式，便于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和調(diào)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

作者簡(jiǎn)介：于彤，碩士，副教授。

基金項(xiàng)目：北京電子科技職業(yè)學(xué)院科研立項(xiàng)資助（編號(hào)：YZK2015047）；促進(jìn)人才培養(yǎng)-電氣自動(dòng)化技術(shù)教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目資助（編號(hào)：CJRC-SZDW-2015/001/002）