一種應用于水下電視的實時溫濕度監測系統

王從政，馮常，廖禮斌

（中國科學院 光電技術研究所，四川 成都　610209）

一種應用于水下電視的實時溫濕度監測系統

王從政，馮常，廖禮斌

（中國科學院 光電技術研究所，四川 成都610209）

水下電視作為核電站大修期間的一種常用狀態檢測設備，其必須保證工作期間玻璃窗的通透性。設計并實現一種實時溫濕度測量系統，用于監測密封腔的溫濕度，可有效防止玻璃窗起霧現象。系統以C8051F單片機為核心，采用傳感器SHT25實現溫濕度獲取，通過電流環模塊進行數據傳送，并在LCD上顯示結果。試驗表明，系統具有運行可靠、數據穩定和體積小等優點，可實現溫濕度監測。

SHT25；溫濕度；C8051F；電流環

為了保障核電站的安全運行，需對核電設施進行嚴格監測和定期維護［1］。由于核電設備一般置于一定深度的硼酸水中［2］，水下運行環境的腐蝕、輻射性等對設備部件的可靠性造成影響，為確保設備有效性，利用檢修工具對其定期檢修是必須的。目前，水下電視作為一種常用的核電設施狀態檢查設備，可工作于幾十米水壓的放射性硼酸水環境，實現光學圖像的采集和回放，但由于水下電視的儲存和工作環境存在溫差大的特點，進行其密封腔的溫濕度控制可確保水下電視透明窗的通透性。同時，由于核電站的許多工作現場不允許有射頻存在［3］，采集的溫濕度需利用有線的方式傳輸。針對水下電視的特殊需求和應用現場限制，本文設計并實現一套有線的小型化實時溫濕度測量系統。

1　系統總體方案

本系統主要由數據采集處理模塊和顯示模塊兩部分組成，系統的總體框圖如圖1所示。其中，數據采集處理模塊工作于前端的現場環境，主要包含溫濕度傳感器SHT25、可編程存儲器AT24C01、基于電流環的發送單元和以C8051F單片機為核心的信號處理單元等，用于現場溫濕度測量和工作時間記錄，并將采集的數據進行分析處理，最后通過發送單元傳輸；顯示模塊主要包含 12864型液晶屏、接收單元和基于單片機的控制單元等，其通過對前端回傳數據的接收和分析，進一步將各項數據分別顯示于液晶屏的相應位置，供用戶使用。

圖1　系統總體框圖

2　系統硬件設計

系統的硬件部分主要包含數據采集處理模塊和顯示模塊的電路設計，兩電路板之間采用電流環的方式通信，即采用兩根普通導線實現通信，電路設計以體積小、可靠性高為主要目標。

2.1數據采集處理模塊

本模塊的硬件設計中，除了必要的電阻、電容外，其余都采用高集成度的模塊元件實現，以達到高可靠和小巧的目標。傳感器采用外形小巧的溫濕度傳感器SHT25，俯視尺寸3×3 mm，厚度1.1 mm，為雙列無引腳封裝，以標準I2C接口的形式提供已標定和線性化的信號［4］。傳感器的全標定濕度精度可達1.8%，并且具有較強的抗干擾能力，滿足一般工業測量需求。為保證器件長時間穩定工作，降低系統自身發熱對濕度測量精度的影響，在PCB的布局布線方面，系統中的該元件放置于電路板邊緣，同時，對芯片底部的覆銅開槽處理，使得傳感器盡可能遠離發熱區域。核心處理器采用C8051F300單片機，外形僅為3×3 mm，是集成8051核的混合信號片上系統，主頻可達25MIPS，片內時鐘源為24.5 MHz，精度可達±2%，具有豐富的片上外設，如UART串行接口、I2C串行總線接口等，既體積小，又滿足系統需要［5］。最后，為記錄系統的工作時間，系統采用TSSOP8封裝的存儲器AT24C01，該存儲器體積小、擦除次數高，也通過I2C接口進行操作，和傳感器一起作為I2C總線上的從設備，可由單片機統一進行操作。

數據采集處理模塊的電路原理圖如圖2所示。溫濕度傳感器和存儲器以從設備的狀態連接在 I2C總線上，由于總線處于空閑狀態時需保持高電平，而總線上各個設備的IO口均處于漏極開路狀態，故總線需接入上拉電阻。在多個從設備存在的總線操作中，單片機作為主設備通過發送特定器件地址，實現多從設備的區分，傳感器的器件地址為0x80，存儲器的為0xA0，握手成功后，對主設備而言，實現各從設備的相應位置數據讀寫是一致的。單片機對兩個從設備要先初始化，傳感器主要是寄存器復位操作，存儲器是時間零點設置，然后再依次分別訪問，獲取的數據經處理打包后，作為一個基本單元通過 UART輸出。最后，基于光耦TIL117的電流環［3］發送模塊作為UART的驅動部分，將單片機的電平高低轉換為導線上的電流有無，實現數據長距離可靠傳輸。

圖2　數據采集處理模塊電路圖

2.2顯示模塊

顯示模塊主要包含液晶屏驅動接口和信號接收單元。信號接收單元與前端發送模塊類似，其采用光耦TIL117實現導線上電流信號的有無到控制器IO口上的電壓脈沖轉換。在UART模塊的波特率設置方面，為了降低傳輸誤碼率，需要將波特率盡可能降低，同時，還要考慮基準時鐘源的一致性，因此，該模塊的控制器采用C8051F系列的C8051F410，作為一種可獨立工作的片上系統，其片內時鐘源也為24.5 MHz，并且時鐘源可編程和標定［6］。該模塊的液晶屏采用帶漢字庫的12864模塊，可通過8位并口和3位控制線進行全部操作。接收的數據包經解析后，時間、濕度和溫度數據分別逐行顯示于液晶屏上。

顯示模塊的電路原理圖如圖3所示。光耦的發光部分與前端的三極管組成回路，通過回路電流實現發光二極管的驅動，進而控制光耦的集電極和發射極的通斷。控制器的RX引腳通過光耦的狀態實現數據的按位接收。最后，單片機P0口的其中3位與P1口一起提供液晶屏驅動所需的時序和數據信號。此外，為提高液晶屏的顯示對比度，要特別設置電阻R5實現背光電流調整。

3　系統軟件設計

本系統的前后端模塊均采用C8051F系列單片機，系統軟件編寫采用Silicon Lab集成開發環境。前端采集模塊程序的主要功能為傳感器配置和數據獲取、計時功能實現、數據匯總處理、以及UART模塊操作等，后端顯示模塊程序實現接收數據的解析和液晶屏的顯示控制等。

圖3　顯示模塊電路圖

3.1采集模塊程序設計

圖4　采集模塊程序流程圖

3.2顯示模塊程序設計

顯示端軟件的程序流程圖如圖5所示。MCU初始化子程序主要包含時鐘、端口、定時器1和UART模塊等設置，其中，定時器1的配置主要為UART提供波特率。UART模塊以中斷的方式工作，在中斷程序中通過幀起始位判定，實現數據包的獲取。液晶屏12864的基本操作主要包含初始化、寫命令和寫數據等，其中，初始化操作由寫命令和各種延時配合實現，命令主要包含功能設置、光標、清屏等。液晶屏顯示的4行數據分別存儲于字符數組中，每獲取一次完整數據包，主循環便依次更新數組，最后，再將更新后的數據顯示于液晶屏的對應位置上。

4　系統測試與分析

本系統與水下電視檢查設備的云臺轉動限位模塊相融合，實物圖如圖6所示，該設計方式易于舊版水下電視的升級，圖6中左側為溫濕度采集系統。

圖5　顯示模塊程序流程圖

圖6　溫濕度測量系統

圖7　溫濕度測試數據圖

系統的穩定性測試方案如下：將6個溫濕度模塊置于空氣濕度相同的測試盒內，先靜置30 min，待傳感器的測試表面與環境空氣充分接觸，然后再依次通電，在液晶屏上進行數據觀測。溫濕度測試數據如圖7所示，從測試結果可得，溫濕度在開始的2 min內變化較大，之后變動逐漸減小，直至穩定，滿足水下電視設備內部溫濕度監測需求。

5　結　論

文中設計并實現了一種實時溫濕度測量系統，可用于監測密封腔的溫濕度信息，測量系統目前已集成于水下電視檢查設備中，具有運行可靠、數據穩定和體積小等優點，并成功應用于某核電站現場。

［1］鄭彬，張術勇，李鵬.核電站大修停堆放射性控制［J］.湖北電力，2008，32（6）：46-48.

［2］張微嘯.304L不銹鋼在硼酸水溶液中的腐蝕行為［J］.腐蝕與防護，2015，36（1）：68-71.

［3］王從政，馮常，王成林．一種基于電流環的溫度測量系統［J］．電子設計工程，2013，21（13）：178-180．

［4］Sensirion.SHT25 Datasheet［EB/OL］.［2011-12］.www. sensirion.com.

［5］Silicon Labs.C8051F300 Datasheet［EB/OL］.［2008-12］.www. silabs.com.

［6］Silicon Labs.C8051F410 Datasheet［EB/OL］.［2008-11］.www. silabs.com.

A real-time temperature and humidity measurement system applied in underwater TV

WANG Cong-zheng，FENG Chang，LIAO Li-bin
（Institute of Optics and Electronics，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610209，China）

Underwater TV is a common inspection device in nuclear power plant during shutting down the reactor.To prevent glass window from fogging，a real-time temperature and relative humidity measuring system is designed and realized to realtime detect states of the device.A kind of temperature and relative humidity measuring equipment with time function isdesigned and realized.The system selects C8051F as its central controller，adopts SHT25 sensor to detect temperature and relative humidity data，transmits data through the current loop module，and displays the measuring data on the LCD.The results given by experiment show that the system is reliable，stability，and small in volume.

SHT25；temperature and humidity；C8051F；current loop

TN949.22

A

1674－6236（2016）06-0096-04

2015-05-20稿件編號：201505176

王從政（1987—），男，安徽懷遠人，碩士，助理研究員。研究方向：光電檢測技術。