基于DAM3058R的環境量檢測系統設計

于 彤 趙寶森 徐美德 張天擎 李長昊

北京電子科技職業學院自動化工程學院 北京 100176

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基于DAM3058R的環境量檢測系統設計

于 彤 趙寶森 徐美德 張天擎 李長昊

北京電子科技職業學院自動化工程學院 北京 100176

摘 要：根據我校大學生創新實踐項目平臺提供的條件，針對目前環境量檢測設備的一些缺點，設計實現了一個基于數據采集器DAM3058R的環境量檢測系統。采用不同的環境量傳感器和信號調理電路，實現5個環境量的自動檢測和不少于7天的數據存儲。經實際測試證明該系統設計合理、運行穩定，可以滿足校園及實驗室環境量的實時監測和歷史數據分析。

關鍵詞：環境量檢測；數據采集器；傳感器

隨著社會各種技術的進步，人們對環境質量越來越重視和關注，越來越需要多環境量持續動態檢測的儀器設備。本文設計的系統，通過傳感技術將采集的多種環境物理量，轉換為相應的電壓、電流信號，再經處理器集中處理變為標準信號，在PC機上顯示為準確的可視的物理量，系統還提供不少于7天的數據存儲（具體存儲天數視設置的時間間隔而定）。

目前市場上主流的環境量檢測是采用模擬小信號傳感器，主要缺點有：信號處理電路復雜、測量標定過程繁雜、標定設備昂貴。以溫濕度檢測為例，由于溫濕度傳感器多為非線性輸出、一致性較差，這就使測量方法相對較復雜，且給電路調試帶來很大困難。

本文主要介紹系統中環境量傳感器的設計和數據采集器的調試。

1 系統設計整體思路

從校園自然環境基本要素的測量入手，主要研究范疇涉及：（1）環境量傳感器的特征、標定與測試方法等；（2）多傳感器的使用及其數據融合問題；（3）傳感器信號處理技術及虛擬儀器技術。

選擇基礎的傳感器為溫濕度、壓力、照度、CO2濃度、煙霧濃度等器件，依托現有的快速可重組綜合實驗臺，設計和仿真相應的信號處理電路。根據目前校園與教室的環境狀況，制定了檢測方案并搭建檢測系統，應用在實際環境中實現設計功能。

系統采用了多傳感器數據融合技術。依據目前傳感器市場效應條件，采用常規的環境量傳感元件，能夠滿足測量的精度要求。真實環境的測量關鍵點是，合理設計傳感器壽命和便于替換、數據存儲和更新方式、多種傳感信號調理電路等。為確保項目方案的可行性，設計方案采用通用處理電路，使用常規傳感元件，能夠滿足系統設計功能和精度要求。

由于環境量檢測的采樣技術特殊要求，使得其傳感器可能需要分散遍布，或按一定規律采樣獲取數據。同時要滿足測量系統的小型化、智能化等需求。例如“體感溫度顯示”的檢測，需要根據查閱的大量資料，采用最合理的公式與算法實現體感溫度的測量和顯示。環境量檢測系統總體框圖及數據采集模式設計如圖1所示。

圖1 環境量檢測系統要素關系圖

2 溫濕度變送模塊的選取

2.1 溫濕度模塊的特點

根據系統的實際要求，選擇VAISALA HMP45D溫濕度模塊，其主要特點如下：

HMP45D 溫濕度傳感器具有HUMICAP 技術，是新一代聚合物薄膜電容傳感器。由于該傳感器的測量部分總是要和空氣中的灰塵和化學物質接觸，從而使傳感器在某些環境中產生漂移。而儀器的電氣參數會隨時間的推移、溫度變化及機械沖擊產生變化，因此傳感器需要進行定期維護和校準。HMP45D溫濕度傳感器應安裝在其中心點離地面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。該模塊結構及外觀如圖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溫濕度，經過公式計算得出相應的體感溫度。

2.2 體感溫度的計算規則設計

根據體感溫度理論，主要考慮體感溫度與濕度和風速的聯系。

2.2.1 體感溫度與濕度的關系

設T為空氣溫度（氣溫），F為空氣濕度，Tg為體感溫度，則：

當40%＜F＜60%，體感溫度Tg=T

當F＞60%且T＞8時，Tg=T+2×（T-18）×（F-60%）；

當F＜40%且T＞8時，Tg=T-2×（18-T）×（40%-F）；

當F＞60%且T＜8時，Tg=T-20×（F-60%）；

當F＜40%且T＜8時，Tg=T-20×（40%-F）。

2.2.2 體感溫度與風速的聯系

經過測試和分析，這個公式有局限。因為當溫度適中時，風速對體感溫度的影響是微乎其微的。根據原公式加以改進：

2.2.3 氣象站的局限性對體感溫度的影響

氣象站測氣溫的儀器是密閉于一個百葉箱中，就好比人在室內，夏天感覺比在室外涼快一點，冬天則感覺暖和一點。實際的體感溫度，與氣象站提供的數據相比，夏天要高一些，冬天要低一些，這就給計算帶來了很大的麻煩。對此做出近似計算公式：

當40%＜F＜60%，且T＞23

當40%＜F＜60%，且8＜T＜23

當40%＜F＜60%，且T＜8

當F＞60%，且T＞23

當F＞60%，且8＜T＜23

當F＞60%，且T＜8

當F＜40%，且T＞8，

其中，Tg—體感溫度（℃），T —環境氣溫（℃，百葉箱），F —相對濕度（%），V —風速（k m / h）。

3 風向傳感器的選取

風向的測量采用HX-T4型風向傳感模塊。其功能特點包括：體積小，攜帶方便、安裝簡捷、外觀精美；有較強的防腐蝕性和耐候性；測量精度高，量程范圍寬，穩定性好；功耗低，較強的抗干擾能力，能長期穩定工作；電源適應范圍寬，數據信息線性度好，信號傳輸距離長。

HX-T4型風向傳感器外觀及其風向16位方位如圖3所示。

圖3 HX-T4型風向傳感器及其16位方位圖

4 二氧化碳檢測

在現代社會的生產和生活中，會接觸到各種各樣的氣體。比如化工生產中氣體成分的檢測與控制，煤礦瓦斯濃度的檢測與報警，空氣質量監測等。以空氣中二氧化碳監測為例，新鮮空氣中二氧化碳的濃度，鄉村約為0.03%，城市約為0.04%。研究證明：當二氧化碳含量達0.07%時，有少數對氣體敏感的人就感覺有不良氣味和不適感覺；達0.1%時，空氣中氨類化合物明顯增加，人們普遍有不適感覺；達3%時，肺的呼吸量雖正常，但呼吸深度增加；達4%時，頭痛、耳鳴、脈搏滯緩、血壓上升；達8%～10%時，呼吸明顯困難，意識陷入不清，以致呼吸停止；達30%時，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%。

本系統設計采用紅外式CO2傳感器，其性能穩定，測量精度高。紅外式二氧化碳傳感器實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 數據采集器DAM-3058R的測試

5.1 測試基本流程

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

圖5 DAM—3058R模塊及其端子分布

測試的基本流程是：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；進行PC操作，配置參數，查看相關數據。

5.2 測試步驟及主要結果

按默認設置參數打開串口助手（如圖6所示）。按照MODBUS指令輸入，返回數據如圖7、8所示。這里設置轉換算法為：實際值=4+采集值（十進制形式）*（量程上限-量程下限）/65536。

圖6 打開串口界面

圖7 數據采集

圖8 軟件數據采集

由于DAM-3058R模塊不支持單通道配置，如單通道操作，只能對接口1操作，經測試發現，若對端口1配置，則其他所有端口也發生相應改變。

DAM-3058R模塊的默認波特率為9 600，但為了滿足環境量的測量，需改變其波特率，所以必須進行此項設置。

環境量檢測系統要同時用到多路數據采集。將采集器選擇做五路測試，搭建測試電路。當電流低于4 mA時，采集到電流均為4 mA。共采集六組數據，此處不再贅述。圖9所示為環境量檢測系統外觀及其工作界面。

圖9 環境量檢測系統外觀及其工作界面

6 結束語

本文以快速可重組虛擬儀器實驗臺為背景，首先介紹了環境量檢測系統的設計思路及關鍵技術，描述了DAM—3058R數據采集模塊的基礎配置與功能檢測。根據整體設計思路，進行了測量溫度濕度、CO2濃度、風向、噪聲等傳感器選型及其試驗調整，進行了數據采集器的測試與設置。試驗設計中利用環境量變送器實現物理量的采集，再利用數據采集模塊及DRVI實驗平臺，由計算機模擬顯示檢測結果，得到五個環境量的檢測數據。后期工作還需將數據接口設計為USB接口模式，便于數據存儲和調用。

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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

作者簡介：于彤，碩士，副教授。

基金項目：北京電子科技職業學院科研立項資助（編號：YZK2015047）；促進人才培養-電氣自動化技術教學團隊項目資助（編號：CJRC-SZDW-2015/001/002）