李迪凡，许文清，杨万均，刘俊，封先河

（西南技术工程研究所，重庆 400039）

包装容器内装备等产品大多采用密封包装方式进行长期贮存，在其周围以及内部形成了一个相对密闭的空间，与贮存环境相对应，这一密闭空间称为微环境。微环境的温度和湿度是影响包装容器内装备性能的两项重要参数。装备在长期贮存过程中，由于外界贮存环境的影响，微环境温湿度定会发生变化，会使微环境的湿度增大，从而使容器内装备产生腐蚀变质和破坏等现象。如使弹药的点火具发射药引信等火工品受潮变质，甚至使装备中电子电路和仪器仪表因为湿度的增加而失效，会严重影响装备战技性能的发挥。随着电子技术计算机和通信技术的发展，高度集成的多用途综合传感器成功开发，并实现了监测数据无线传输，国外对微环境实时监检测进入了实际应用阶段。其中以美国的应用最为突出，如美国的爱国者导弹密封防护包装箱内就安装了温湿振综合传感器，并实时将监测数据通过无线网络传入美军导弹司令部，美军导弹司令部可以实时了解和掌握部署于世界各地每一发爱国者导弹所承受的环境应力，以便及时发现问题，为爱国者导弹战斗力的发挥提供强有力的保证。我国对微环境温湿度检测装置的研究相对较少。文中研制了一种微环境温湿度检测装置，可用于微环境温度和湿度两个参数的实时监测数据管理及传输等。装置由传感器组成传感系统分别采集每一组样品内微环境的温湿度试验数据，并存入数据存贮系统，通过编程实现可视化的人机交换，还具有设置日历时间地址修改数据修正等功能，最高可同时检测32 个样品的温湿度数据，具有很高的推广价值[1-12]。

1 装置的功能设计要求和技术指标

为了满足装备包装容器微环境温湿度测试需求，研制的装置必须方便携带，能同时实现对温度和湿度的采集显示存贮和传输功能，并可以采用交流和电池两种方式对装置供电。为此设计了一套基于RS485通讯接口的微环境数据采集与记录装置，实现微环境的温度和湿度检测和数据记录，研制的装置的主要技术指标如下。

1）采集范围和精度。温度：0~100 ℃，≤±0.3 ℃@ 40 ℃；相对湿度：25%~98%，≤±3%。

2）数据记录。数据记录间隔：不高于10 min/次，连续可调；数据存贮深度：仪器设定每分钟记录一次时，数据记录最大可存365 天；掉电能保存数据；数据格式：EXCEL 或TXT；

3）显示要求：实时显示各路采集值。

4）通讯要求：仪器与计算机的通讯接口采用USB 方式。

2 装置方案设计

2.1 总体设计

微环境温湿度检测与记录装置包含了人机界面存储器传感器RS485Hub 和电源等五个部分。电源采用交流供电方式为220 V 交流电，通过开关电源变换后，向系统为微处理器存储器传感器模块等提供所需的电压。微处理器通过I/O 口与传感器模块进行数据交换。温湿度测量系统的硬件如图1 所示。

图1 温湿度测量系统的硬件

2.2 人机界面

人机界面（HMI）是人与计算机之间传递交换信息的媒介和对话接口，是本微环境温湿度测试与记录装置的核心部件，报告采用了台湾台达公司的DOP-B07S411 人机界面，如图2 所述。该人机界面包括16 位处理器7 寸16 位彩色液晶触摸屏RS232/RS485/USB 通讯接口16M 数据存贮器，采用Dopsoft 可视化软件编程。

2.3 传感器

图2 DOP-B07S411 人机界面

温湿度传感器作为本系统的一个关键部件，选择了由瑞士Sensirion 公司生产的一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器SHT75。该传感器基于工业MODBUS-RTU 协议，实现低功耗温湿度状态在线监测，通信距离延长到最长1000 m，可以有效解决传输距离造成的信号畸变问题。该传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14 位的A/D 转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。SHT75 采用串行接口，它的分辨率可以根据对现场的采集速率而进行调整。一般情况下，默认的测量分辨率分别为14 bit（温度）12 bit（湿度），如果在高速采集中就可分别降至12 bit 和8 bit。对温度的量程范围为-40~123.8 ℃，相对湿度的量程范围为0~100%。它操作比较简单，只需用一组“启动传输”时序，就能实现传感器数据传输的初始化。同时，在测量和通讯结束后，SHT75 会自动转入休眠模式，这大大减少了功耗。该传感器结构框图如图3 所示。

图3 SHT75 结构

SHT75 传感器的引脚分布见表 1，通过C8051F120 的两个I/O 口来分别与传感器的SCK 引脚和 DATA 引脚相连，来实现数据的交换，VDD与3.3 V 电压相连。为避免信号冲突，微处理器应在低电平驱动DATA，所以还必须在I/O 电路中。DATA 引脚上加一个上拉电阻将信号提拉至高电平，用一个10 kΩ 的电阻接至3.3 V 电压，其外围电路如图4 所示。

图4 传感器检测电路

表1 引脚说明

对于采集的相对湿度，首先按式（1）进行了非线性补偿，相对湿度完成非线性补偿后，再进行温度校正。

式中：RHlinear为非线性补偿后的相对湿度数据；c1c2c3为相对湿度非线性补偿系数，取值见表2；SORH为传感器相对湿度采集位数。

表2 温湿度传感器相对相对湿度非线性补偿系数

由于实际温度与测试参考温度25 ℃显著不同，相对湿度信号按式（2）进行了温度补偿。温度补偿校正系数对应于0.12%RH/ ℃@50%RH。

式中：RHtrue为温度校正后得到的相对湿度测试值；T 为测试温度；t1t2为相对湿度的温度补偿系数，取值见表3。

表3 温湿度传感器相对相对湿度温度校正系数

该传感器采用能隙材料 PTAT（正比于绝对温度），温度传感器具有极好的线性。可用式（3）将数字输出(SOT)转换为温度值，温度转换系数见表4。

式中：T 为测试的温度值；d1d2为转换系数，取值见表4；SOT为传感器输出数据。

表4 温湿度传感器的温度转换系数

传感器采用冶金粉末烧结壳体进行了封装，形成的传感器实物如图5 所示。

图5 制作的传感器实物

2.4 电源

系统采用交直流两种供电方式。交流供电方式为220 V 交流电，通过直流开关电源变换后向系统供电。直流供电方式为通过锂离子电池向系统供电。

2.5 人机交互软件设计

人机交互软件包括两个部分：数据采集与处理程序，可视化界面。数据采集与处理程序采用DOPSoft宏指令编写，多个传感器采用巡检方式，程序完成数据读取校正端口有效判断数据错误判断等功能。一个通道的读取示例如下：

#读取传感器测量值

IF $M180.0 == ON /端口有效判断

$100 = ({Link2}1@RW-A) (DW) /数据读取

$M100 = $100 + $M900 /温度校正

$M101 = $101 + $M901 /相对湿度校正

IF $M101 >= 1000 /数据错误判断

$M101 = 1000 /数据错误标识

ENDIF

ELSE

$100 = 0

$101 = 0

$M100 = $100 /温度存贮

$M101 = $101 /相对湿度存贮

ENDIF

Delay(10)

可视化界面主要包含参数输入显示数据查询等功能，分为数据监控历史数据地址修改仪器校准和系统时间校准等界面，如图6 所示。

图6 人机交互的可视化界面

2.6 装置试验

利用该温湿度检测装置对同一贮存条件下的不同密封包装样品微环境温湿度进行了测量，测量的部分数据见表5。分析可知，该装置温度的误差均值在1 ℃以内，相对湿度的误差均值在±3%以内。经过2 年多各试验站户外和库房实际试验表明，该装置工作稳定，能实时测量存储及故障报警等功能。采用锂电池向装置供电，避免了频繁更换电源的现象，工作时间长，制作完成后的温湿度测试与记录装置如图8 所示。

表5 微环境温湿度测试数据

测量前对装置的每一个通道的温湿度传感器进行了校准，校准结果如图8 所示。从温湿度偏差曲线可以看出，温度测试精度在40 ℃时为+0.2 ℃，相对湿度精度为-3%，满足技术要求。

图 8 温相对湿度偏差曲线

3 结语

结合计算机技术和传感器技术，设计了一套便携式微环境温湿度检测装置，实现了对温度和相对湿度的实时监控。通过软件功能设置，可以完成对温湿度的补偿数据的存储和调用，也可以根据需求，合理选择采集周期，最低可实现1 min/次，与传统和市场上温湿度检测装置相比，具有先进性。该装置测量精度较高，测量范围较广，体积小，携带方便，最多可同时检测32 组样品的微环境温湿度，并绘制温湿度曲线，具有创新性。装置在常温和低温状态下工作时稳定性能强，一致性好，经多年连续检测使用，证明装置设计合理，运行稳定，能满足不同类型样品的试验检测要求。目前在我国这类仪器较少，需求量较高，具有广阔的市场前景与发展潜力[5-10]。