环境试验设备温湿度校准系统的研制

环境试验设备温湿度校准系统的研制

杨志斌

（福建省计量科学研究院，福州 350003）

摘要：本文介绍了一种基于MSC1200的温湿度自动校准系统的研制过程。该系统以《JJF 1101-2003环境试验设备温度、湿度校准规范》国家校准规范为设计依据，硬件上以美国TI公司的MSC1200作为测量、信号处理以及通讯核心部件，辅以外围的显示，按键，时钟，存储电路，组成一套多通道高精度温湿度采集仪。软件上按照校准规范的要求设计了一套专用的校准软件，软件通过RS232接口与温湿度采集仪通讯，将采集到温湿度的测量数据进行显示，绘图，存储，计算并自动生成满足要求的原始记录及校准报告，从而实现校准过程程序化，规范化，自动化，满足计量部门对环境试验设备温湿度校准的需要。

关键词：环境试验设备；温湿度校准

Development of temperature and humidity environmental test equipment calibration system

Yang zhibin

（Fujian Metrology Institute ，Fuzhou 350003，Fujian,China）

Abstract:This paper introduces a development process of temperature and humidity automatic calibration system based on MSC1200. In the system, "JJF 1101-2003 environmental testing equipment, temperature, humidity calibration specification of" national calibration standard as the design basis, the hardware with the American TI company MSC1200 as a measurement, signal processing and communication core components, supplemented by external display, keyboard, clock, memory circuit, consisting of a set of multi-channel high precision temperature and humidity data acquisition instrument. The software according to the calibration specification designed a special calibration software, software through the RS232 interface and the temperature and humidity data acquisition instrument communication, the collected data of temperature and humidity display, storage, calculation and drawing, automatic generation of meet the original records and calibration report requirements, so as to realize the calibration procedures, standardization, automation, meet the measure department needs to the temperature and humidity environmental test equipment calibration.

Keywords: environmental test equipment; temperature and humidity calibration

1、系统概述

温度是国际单位制七个基本单位之一,温湿度的测量技术伴随着人类科技的发展而不断地进步。“环境试验设备”一般是指能产生特定温湿度环境的仪器设备，“环境试验设备”被广泛地应用于各行各业。对这些设备进行校准是热工计量的一个重要组成部分。本设计的目的就是研制一种具备高准确度,宽温度范围,多通道的温湿度测量装置来满足环境试验设备校准的需要。同时为减轻检测人员的劳动强度，本系统在满足测量要求的前提下，根据国家的相关的标准规范，设计了一套专用的校准软件，将校准过程程序化，规范化，自动化，这也是当今计量技术的一个发展方向。

目前国内计量部门所使用的这类标准设备大致可分为两种解决方案：一种方案是直接采用现成的数据采集器如Agilent34970A及其配套的采集卡，或者采用keithley2700数字表和其配套的采集卡组成高精度多通道采集系统；这种方案测量准确度高，可靠性好，但是成本高，需要专门设计传感器的接口，比较笨重；另一种方案是自行研制多通道的温湿度采集装置。近年来，随着高精度A/D转换器件价格的不断下降以及A/D转换器件功能的不断完善，研制廉价的多通道、快速、高精度温湿度采集系统成为可能。

2、温湿度校准系统的整体设计方案

硬件上本设计采用主从式结构，用计算机作为上位机，控制温湿度采集仪各项参数。其基本结构框图如图1所示。

图1 温湿度校准系统的基本结构框图

3、硬件系统设计

本系统的硬件部分主要包括以下几个模块：温度、湿度传感器，由MS1200构成的温湿度采集电路，电源，按键以及显示电路，时钟电路，U盘模块，RS232通讯电路等。系统底层电路的功能主要包括：温湿度信号采集及其相关处理，实时显示温湿度信息，日期时间信息，U盘文件存储信息等。下面对硬件部分分模块进行说明。

3.1、温度、湿度传感器的选择

温度传感器有许多种，常用的有热电偶，热电阻，热敏电阻，集成电路温度传感器如18B20等，由于它们工作原理各异，测量范围和测量准确度也各不相同。本系统分别采用热电偶和热电阻作为温度传感器，热电阻用于300℃以下的高精度测量，热电偶的测量准确度虽然不如热电阻，但它具有更宽的测量范围，在高温环境下很适用，由于它们都属于ITS90温标中推荐使用的温度传感器，因此具有很好的通用性和互换性。

湿度测量通常采用干湿球的方式，但考虑到这种方式操作麻烦，故采用专用的湿度传感器。选用的湿度传感器具有数字接口，可以方便地单片机通讯，简化硬件的设计。

3.2、电源部分电路

由于ADC的模拟电源AVDD和数字电源DVDD是分离的，可以单独供电，且其电压的工作范围为2.7V～5.25V。模拟电源和数字电源分离设置可以使AVDD不受DVDD电源上的再生信号的干扰。所以，在设计中选用的是两个ASM1117三端集成稳压模块分别给MSC1200的模拟部分和数字部分供电。供电电压为9V。电源部分参考电路如图2所示。

图2 电源电路

3.3、模拟信号采集电路

美国德州仪器公司（TEXAS INSTRUMENTS）推出了一种功能很强的带24位A/D转换器的微处理器MSC1200。MSC1200具有一些增强特性，特别适合测量高精度温度、压力传感器等输出的微弱信号。

无论是功能，还是性能，德州仪器公司的MSC1200单片机都达到了混合信号处理的颠峰，它集成了一个增强型8051内核，有8路24位低功耗（4mW）Δ-∑ A/D转换；一路8位电流输出DAC，20个中断源；16位PWM；全双工UART（并兼容有SPI功能）；停止方式电流小于0.1μA；比标准8051内核执行速度快3倍且全兼容；片内集成4K或8K字节FLASH，而且FLASH可定义为程序分区与数据存储分区，给设计带来非常大的灵活性；片内SRAM也多达256字节；采用TQFP-48小型封装。由于具有如此高的模拟和数字集成度，对各种要求小体积、高集成度和精确测量而言，MCS1200实为理想的整合选择。图一是MSC1200的较为详细框图。

图3

MSC1200内部包含完整的前向通道。由图3可见它的内部有多路开关,可以选择差分输入的形式具有4路差分信号接入;或者选择单端对地输入的形式可接入8路输入信号。在这个通道上,还可以选择使用缓冲器,它的内部放大器为可编程增益放大（PGA）,可以选择增益值（在1～128之间可调）。这样一来,对于一些输出微弱信号的传感器来说就比较方便。它们可以直接接入MSC1200的输入端,无须在电路中再增加中间的放大环节, 这对于系统设计是十分有利的。此外, MSC1200内部通道结构框图的A/D转换器为24位高分辨率∑-ΔA/D转换器,内部还具有三种数字滤波方式可供选择。此外,内部还包含一路可编程输出的电流型DAC,可作为热电阻测量电路的恒流源，这些是完成测量系统的必需部分。这样功能完备的片上系统,需要的外围电路很少,整机结构显得异常简洁。

在模拟信号输入方面，MSC1200可以直接获得由传感器传来的低电平差分信号或单端信号。其ADC

在数据输出速率为10Hz时可以得到22位的有效分辨率。本系统可连接的温度传感器类型包括热电阻和热电偶，热电偶本身产生热电势可直接与输入端相连，热电偶的冷端温度由MSC1200内部的温度传感器测得。而热电阻则是通过MSC1200的IDAC提供的恒流源将电阻信号转换为电压信号来进行测量。

在数字性能方面，MSC1200的内核与8052微处理器的内核完全兼容，使其具有良好的兼容性和很强的数据处理能力。而且它是优化了的8051内核，即在相同的时钟频率下，它运行速度比标准的8051单片机快三倍，因此，使用较低的外部时钟频率就可获得与标准的8051单片机相同的性能。这不仅降低了系统噪声和电源功耗，而且还提高了系统的处理能力。

MSC1200的Flash存储器具有在系统（ISP）编程的功能。这不仅扩展了器件的用途、缩短了系统调试周期，而且使前期的设计开发过程更加方便灵活，还节省了仿真器和烧写器的投入。简化了设备的现场维护和升级工作。在后期应用中也具有很大的灵活性和可升级扩展性。

3.4、通讯部分电路

在通讯方面，RS-232仍然是目前工程上广泛采用的一种通讯方式，所以该温湿度采集仪与计算机的通讯仍然采用的是MSC1200上自带的2个全双工异步串口(UART)完成的。在设计中，将计算机作为主机，单片机作为从机。如图4所示

图4

3.5、其他辅助电路模块

3.5.1、显示电路：

为了得到较好的显示效果，本系统采用480X240分辨率的点阵液晶显示器，该显示器自带多种GB2312一二级简体汉字，具有汉字，ASCII码，点阵图形和变化曲线同屏显示功能，达到满意的显示效果，使系统具有较好的人机界面。

3.5.2、时钟电路

本系统需要时钟功能，采用DS12887时钟芯片，DS12887是美国达拉斯半导体公司推出的时钟芯片，采用CMOS技术制成，把时钟芯片所需的晶振和外部锂电池相关电路集于芯片内部， DS12887芯片具有微功耗、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠等优点。由于芯片内含一个锂电池，断电情况运行十年以上不丢失数据。且能计秒、分、时、天、星期、日、月、年，并有闰年补偿功能。如图5所示。

图5

3.5.3、U盘存储模块电路：

本系统连续运行，按照每几秒钟采集一组数据来计算，将产生海量数据，为此系统采用U盘模块作为辅助存储设备，在不连接电脑的情况下使用U盘也能保存数据。数据格式采用能被EXCEL打开的CSV 格式，能方便与其他软件交换数据。电路如图6所示

图6

3.5.4、湿度传感器电路：

湿度测量采用瑞士ROTRONIC公司的HC2-S湿度传感器，由于该湿度传感器可独自完成湿度的测量且具有数字接口，可直接与单片机相连，按照其通讯协议，即可完成湿度测量结果的读取。

3.6、单片机软件部分设计

由于温度传感器信号都转换为电压信号，针对MSC1200的软件部分就是如何准确测量输入的电压信

号和冷端温度，并将测量结果通过RS232传送给计算机进行处理，为了准确测量必须对零点和满度进行校准，这一步骤必须配合上位机的程序进行，并将校准结果保存在MSC1200内。将电压转换成温度的计算比较复杂，这一部分的工作交给上位机来完成，这样既减轻了MSC1200数据计算的工作量，又可充分利用计算机强大的数据处理能力。下面只给出AD转换的程序。

#include

#define XTAL 843200 // 设置晶振频率

#define A_CLK 9

#define DECIMATION 288

void main( )

{

ACLK=A_CLK; // 设置模拟时钟频率

ADCON0=0x31; // 设置参考电压和增益倍数

ADCON2 = DECIMATION & 0xFF; //设置AD转换速率每秒10次

ADCON3=(DECIMATION>>8) & 0x07;

ADCON1 = 0x01; // 设置滤波方法

ADMUX=0X10;

PDCON&=0x0f7 ; //打开AD转换器

while(1)

{

sent((ADRESH); //发送转换结果

sent((ADRESM);

sent((ADRESL);

)

)

4、软件部分设计

4.1、温湿度校准系统软件主界面

4.2、 软件工具栏信息

新建单位

新建仪器 复制仪器 保存信息 删除仪

器

导入

导出 打印 打印预览

显示\隐藏工作区

信息设置 传感器设置

定时开始 调整

坐标 擦除曲线

输入单位名称

关键字

帮助

退出 开始采集

停止采集 开始记录 查找单位文件夹

菜单及工具栏

数据区：

通道号、位置及15组采集数据

工作区：

单位及仪器目录树

4.3、软件实现的功能

4.3.1、串口通讯

本系统的计算机软件部分采用VisualBasic可视化开发平台进行编程，VisualBasic提供了MSComm 通讯控件,支持程序对串口的控制,该控件封装了大部分串口通讯的底层细节和许多烦琐的处理过程，同时支持查询方法和事件驱动通讯的机制，是处理串口事务的一种非常有效的方法，控件提供了一些的属性，事件和函数，本软件用到的属性包括 input,output,CommPort，Settings，PortOpen，InBufferCount 等，通过设置通讯协议和必要的属性，以很少的程序代码就可以轻松实现串口的访问和数据通讯。

以下是与串口相关的部分程序代码。

Private Sub Form_Load()

https://www.360docs.net/doc/be1694739.html,mPort = 1 ‘使用串口1

MSComm1.Settings = "9600,N,8,1"

‘波特率为9600，无校验，8位数据位，1位停止位

End Sub

Private Sub CMD_begin_Click() ‘开始按钮

If Not MSComm1.PortOpen Then ‘打开串口

MSComm1.PortOpen = True

End If

Timer1.Interval = 1000 ‘定时器定时时长为1000ms

Timer1.Enabled = true ‘开启定时器timer1

End Sub

Private Sub CMD_quit_Click() ‘退出按钮

If Not MSComm1.PortOpen Then ‘打开串口

MSComm1.PortOpen = True

End If

MSComm1.PortOpen = False ‘关闭串口

End ‘关闭程序

End Sub

Private Sub Timer1_Timer() ‘定时器1

dummy = DoEvents()

If Not MSComm1.PortOpen Then ‘打开串口

MSComm1.PortOpen = True

End If

strbuffer = "" ‘输入字符串清空

MSComm1.Output = "R" & Chr(13) ‘发送读数命令

Do ‘接收数据,以chr(13)作为结束标志

strbuffer = strbuffer & MSComm1.Input

Loop Until Right$(strbuffer, 1) = Chr(13)

MSComm1.PortOpen = False ‘关闭串口

X = Val(strbuffer) ‘读数结果类型转换

End Sub

4.3.2、软件功能及特点

本系统软件依据 JJF1101－2003《环境试验设备温度、湿度校准规范》进行设计，软件自动采集并记录数据，自动计算温湿度偏差、波动度、均匀度，自动生成原始记录和校准报告。系统记录每一次校准的温湿度变化曲线，方便分析数据。

本系统的软件部分实现以下功能：

1）自动采集温度、湿度，以曲线，表格的形式显示测得值，不同通道曲线采用不同的颜色显示，可随时对曲线颜色进行修改；曲线图可记录也可无极缩放，平移，方便观察被测对象的温度、湿度的变化情况。

2）传感器布局方案可保存，以方便下次调用。

3）具有较强的数据库管理功能，保存历年的检测数据。周期检测无须重新输入样品信息，即可进行自动检测。

4）具备数据导入和导出功能，导出的文件格式为CSV可被Excel打开，方便与其他软件交换数据。

5）数据回溯功能：用户随时可查询到历史记录的任意时刻测量数据。

能自动计算温度、湿度的偏差、均匀度和波动度；以及最大值，最小值，平均值；并自动生成符合国家实验室认可要求的校准原始记录。

5、结束语

该温湿度校准系统具有精度高、低功耗、体积小等一系列特性。它采用RS-232接口与计算机进行通讯。可以通过计算机对其进行在系统编程，实现软件功能的无限升级。还可以通过计算机随时对其运行参数进行监视和修改。

从整个仪器的软硬件的设计情况来看，该仪器具有以下特点:

(1) 该温度采集器与计算机构成主从式结构，既利用单片机价格低、功能强、体积小、抗干扰能力好等优点；又利用计算机存储器容量大、信息处理能力强、操作界面友好等优点。

(2) 本系统采用标准的RS-232接口，并通过串口进行程序下载，这极大的方便了仪器的调试、后期维护、软件升级等工作。

(3) MSC1200中集成有温度传感器，可以用来测量温度，满足了热电偶冷端自动补偿的需要。

(4) 仪器的各个通道可以独立地改变增益，提高对不同热电偶信号的测量准确度。

由于电子元件会随着时间和环境的变化发生漂移。随着时间的流逝和环境的改变，电子器件的性能会受到影响。为补偿此类漂移，需要对设备进行定期的调整或校准。

作者简介：杨志斌，男，福建省计量科学研究院，高级工程师

参考文献：

（1）Precision Analog-to-Digital Converter (ADC) and Digital-to-Analog Converter (DAC) with8051Microcontroller and Flash Memory

（2）MSC1200EVM User's Guide

（3）Visual Basic 5.0中文版程序设计清华大学出版社（4）Visual Basic数据库系统开发技术人民邮电出版社

（5）单片机C语言编程与实例人民邮电出版社

（6）单片机的C语言应用程序设计北京航空航天大学出版社（7）Keil C51使用技巧及实战

（8）JJF 1101-2003 环境试验设备温度、湿度校准规范国家质量监督检验检疫总局