溫濕度自動(dòng)檢定系統(tǒng)的應(yīng)用與改進(jìn)研究

尚 倫 高 云 陳一鳴

（武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院 湖北 武漢：430080）

溫濕度是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的重要參數(shù)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的影響，故溫濕度計(jì)廣泛應(yīng)用于各個(gè)實(shí)驗(yàn)室中。依據(jù)JJG 205－2005《機(jī)械式溫濕度計(jì)檢定規(guī)程》規(guī)定，溫濕度計(jì)需要定期檢定。檢定所需設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表和溫濕度檢定箱，檢定時(shí)正反行程及重復(fù)性檢定的檢定點(diǎn)多達(dá)36個(gè)，每達(dá)到溫濕度檢定點(diǎn)后需要穩(wěn)定30min才開始讀數(shù)，過5min再讀數(shù)一次，完成整個(gè)檢定工作耗時(shí)較長，且每個(gè)檢定點(diǎn)都需要人工設(shè)定、讀數(shù)和記錄，影響了工作效率和檢定精度，因此，有必要對當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)過程充分利用了設(shè)備已有的功能和接口，增加了低成本的USB攝像頭，通過計(jì)算機(jī)編程控制檢定過程，使其具有實(shí)時(shí)的溫濕度數(shù)據(jù)采集和控制功能，提高了溫濕度檢定系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，節(jié)省了大量的人力、提高了工作效率和檢定精度。

1 溫濕度檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

1.1 溫濕度檢定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

溫濕度檢定系統(tǒng)主要由XLS－Ⅱ型溫濕度檢定箱和MT－h(huán)umi700型標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表構(gòu)成。溫濕度檢定箱是一種能提供穩(wěn)定溫濕度環(huán)境的溫濕度檢定設(shè)備，溫濕度可隨意調(diào)節(jié)，用來檢定各類溫濕度儀表。溫濕度檢定箱控制系統(tǒng)是以宇電公司的AI808P人工智能控制器為控制核心，以Pt100溫度傳感器和瑞士rotronic公司生產(chǎn)的MP408A－T4－W4W濕度傳感器作為輸入信號(hào)，以調(diào)溫和調(diào)濕裝置（電加熱器、除濕分子篩和加濕器等）為控制對象的專用溫濕度儀表檢定設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表是經(jīng)過計(jì)量部門標(biāo)定的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，作為標(biāo)準(zhǔn)器具，它采用Pt100鉑電阻做測溫傳感器，采用通風(fēng)干濕球法測量相對濕度，測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)。

1.2 溫濕度檢定系統(tǒng)的應(yīng)用

開展檢定工作時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表的傳感器置于溫濕度檢定箱工作室的中心位置，被檢溫濕度計(jì)置于檢定箱工作室的有效空間內(nèi)。檢定時(shí)，通過分別設(shè)定檢定箱上的AI808P溫控和濕控儀表達(dá)到檢定點(diǎn)。溫度檢定點(diǎn)為：15℃，20℃，30℃，濕度檢定點(diǎn)為：箱內(nèi)溫度為20℃時(shí)，40%RH，60%RH，80%RH。達(dá)到檢定點(diǎn)設(shè)定值后，穩(wěn)定30min后開始讀標(biāo)準(zhǔn)干濕表和被檢儀表示值，間隔5min后再讀數(shù)一次，取兩次讀數(shù)的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)器和被檢儀器的示值。然后再計(jì)算示值誤差。之后再在同一檢定點(diǎn)上正、反行程讀數(shù)，得出溫濕度的重復(fù)性和回差等參數(shù)。

由上可以看出，溫濕度檢定工作時(shí)，檢定點(diǎn)較多且達(dá)到檢定點(diǎn)后穩(wěn)定時(shí)間長；每個(gè)檢定點(diǎn)讀數(shù)后，需要人工再次設(shè)定檢定箱的溫濕度值，整個(gè)檢定過程耗時(shí)較長，且需要工作人員長期監(jiān)視、讀數(shù)，耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間；讀數(shù)時(shí)透過檢定箱玻璃窗讀數(shù)，讀數(shù)精度不高，影響了工作效率和檢定精度。

2 溫濕度檢定系統(tǒng)的自動(dòng)化改造

2.1 溫濕度自動(dòng)檢定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

溫濕度檢定自動(dòng)化改造，以計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，以AI儀表、MT－h(huán)umi700型標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表和USB攝像頭為下位機(jī)，基于vb6.0編程，運(yùn)用串口通信和USB攝像頭圖像采集技術(shù)，通過串口通信控制記錄AI儀表和標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表數(shù)據(jù)，通過USB攝像頭記錄被檢定儀表的示值。檢定過程中實(shí)時(shí)顯示溫濕度變化曲線、被檢儀表溫濕度數(shù)據(jù)顯示圖片，并以檢定點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)溫濕度數(shù)據(jù)作為被檢儀表圖片文件名保存圖片文件，檢定結(jié)束后，讀取檢定數(shù)據(jù)和被檢儀表在各個(gè)檢定點(diǎn)的示值圖片，獲取檢定結(jié)論，完成檢定工作。自動(dòng)檢定系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

2.2 溫濕度檢定系統(tǒng)自動(dòng)化改造具體措施

2.2.1 溫濕度檢定箱的控制

溫濕度檢定箱用以提供穩(wěn)定的溫濕度檢定環(huán)境，溫度和濕度兩個(gè)參數(shù)由兩個(gè)宇電公司的AI808P人工智能控制器控制，改造前各個(gè)檢定點(diǎn)需要人工設(shè)定控制器，設(shè)定后需要監(jiān)視環(huán)境溫度和濕度是否達(dá)到設(shè)定值，達(dá)到設(shè)定值后開始穩(wěn)定時(shí)間計(jì)時(shí)和記錄數(shù)據(jù)。本改進(jìn)利用PC機(jī)作為上位機(jī)，AI儀表作為下位機(jī)，利用儀表的RS485接口，通過vb編程實(shí)現(xiàn)對溫濕度值的設(shè)定和實(shí)時(shí)監(jiān)控，達(dá)到設(shè)定的溫濕度后自動(dòng)開始穩(wěn)定時(shí)間的計(jì)時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間結(jié)束后保存檢定圖片并依次設(shè)定下一個(gè)檢定點(diǎn)，按照檢定規(guī)程的要求完成檢定工作。

AI－808型控制器具有光電隔離的RS485通訊接口。RS485是工業(yè)現(xiàn)場中應(yīng)用較多的一種通信方式。通訊距離長達(dá)lkm以上（部分實(shí)際應(yīng)用已達(dá)3km 4km），只需兩根線就能使多臺(tái)AI儀表與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，優(yōu)于RS232通訊接口。由于PC機(jī)一般只提供RS232接口，當(dāng)使用PC機(jī)作為溫度控制器的控制上位機(jī)時(shí)，須使用RS232／RS485通訊接口轉(zhuǎn)換器，將計(jì)算機(jī)上的RS232通訊口轉(zhuǎn)為RS485通訊口。儀表允許在一個(gè)RS485通訊接口上連接80臺(tái)儀表（本系統(tǒng)使用2臺(tái)），其連接的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 AI儀表連接圖

AI－808P型控制器采用宇電公司開發(fā)的AIBUS通訊協(xié)議，指令簡單，控制器使用異步串行通訊接口。數(shù)據(jù)格式為：1個(gè)起始位，8位數(shù)據(jù)，無校驗(yàn)位，1個(gè)或2個(gè)停止位。通訊前，需設(shè)置儀表的“Addr”和“bAud”參數(shù)，以完成儀表RS485通訊的地址和波特率設(shè)置。通訊傳輸數(shù)據(jù)的波特率設(shè)置為9600bit／S，地址參數(shù)用以識(shí)別同一條總線上的不同溫度控制器，儀表的通訊波特率須與上位機(jī)保持一致。

PC機(jī)與控制器之間的通信采用主從問答方式。PC機(jī)為上位主站，控制器為下位從站。PC機(jī)通過發(fā)送（讀／寫）命令啟動(dòng)通信。處于總線上的2個(gè)控制器同時(shí)接收到命令?？刂破鳈z查命令中的站地址是否與自己相符。如不一致，說明上位機(jī)是與其他溫度控制器通信，則忽略該命令；如一致，則響應(yīng)該命令，并將執(zhí)行結(jié)果回送給PC機(jī)，一次通信過程結(jié)束。

AI－808P控制器采用16進(jìn)制數(shù)據(jù)格式來表示各種指令代碼及數(shù)據(jù)，通信幀為定長格式。通信指令經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，只有兩條，一條為讀指令，一條為寫指令。

讀／寫指令格式分別如下：

讀：地址代號(hào)＋讀寫標(biāo)志（52H）＋要讀參數(shù)的代號(hào)＋0＋0＋CRC校驗(yàn)碼

寫：地址代號(hào)＋讀寫標(biāo)志（43H）＋要寫參數(shù)的代號(hào)＋寫入數(shù)低字節(jié)＋寫入數(shù)高字節(jié)＋CRC校驗(yàn)碼

地址代號(hào)為兩個(gè)相同的字節(jié)，數(shù)值為（儀表地址＋80H）；參數(shù)代號(hào)為一個(gè)字節(jié)，表示要讀／寫的參數(shù)名；CRC校驗(yàn)碼為參數(shù)代號(hào)×256＋讀寫標(biāo)志＋參數(shù)值（讀指令為0）＋儀表地址。

控制器對讀寫指令，返回以下數(shù)據(jù)：

測量值PV＋給定值SV＋輸出值MV及報(bào)警狀態(tài)＋所讀／寫參數(shù)值＋CRC校驗(yàn)碼

其中PV、SV及參數(shù)值為16位有符號(hào)補(bǔ)碼整數(shù)，各占2個(gè)字節(jié)，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。整數(shù)無法表示小數(shù)，要求在上位機(jī)處理。MV為8位有符號(hào)數(shù)，占一個(gè)字節(jié)，狀態(tài)位占一個(gè)字節(jié)，校驗(yàn)碼占2個(gè)字節(jié)，共10個(gè)字節(jié)。返回校驗(yàn)碼：PV＋SV＋（報(bào)警狀態(tài)＊256＋MV）＋參數(shù)值＋ADDR按整數(shù)加法相加后得到的余數(shù)。

溫度控制儀表的“Addr”為1，下面以將溫濕度箱溫度設(shè)定為30℃為例，給出了AI儀表的部分串口通信程序：

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表的串口通信

微測儀器（福州）有限公司的MT－h(huán)umi700型標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表，采用pt100作為測溫傳感器，采用通風(fēng)干濕球法測量相對濕度，避免了風(fēng)速對濕度測量的影響。測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，20℃時(shí)，濕度準(zhǔn)確度1.0%RH。使用計(jì)算機(jī)的RS232接口與標(biāo)準(zhǔn)干濕表通訊，用三線制接法與儀表通訊，即計(jì)算機(jī)RS232接口的2腳、3腳、5腳分別與標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表的3腳、2腳、5腳連接，將通訊傳輸數(shù)據(jù)波特率設(shè)置為9600bit／S，該儀器開機(jī)即實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，上傳數(shù)據(jù)為14位的ASCⅡ碼，其中前8位數(shù)據(jù)為濕度值，后4位數(shù)據(jù)為溫度值，最后1位是換行符，上傳的數(shù)據(jù)按照以下格式發(fā)送：

串口通信實(shí)現(xiàn)部分程序：

2.2.3 USB攝像頭的通信和被檢儀表圖片獲取

USB攝像頭由于價(jià)格低、功耗小、與計(jì)算機(jī)連接方便等特點(diǎn)，已得到了廣泛使用。本系統(tǒng)USB攝像頭傳輸距離為1.5m，小于USB2.0規(guī)范規(guī)定的最大有效傳輸距離不超過5m的要求，隨著攝像頭技術(shù)的不斷進(jìn)步，其分辨率和成像質(zhì)量已經(jīng)非常理想，各項(xiàng)性能滿足本系統(tǒng)的需求。本次改造中的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)就是基于普通的USB攝像頭，利用 Windows內(nèi)部提供的Avicap32動(dòng)態(tài)鏈接庫，完成被檢儀表視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，根據(jù)檢定步驟要求，以溫濕度數(shù)據(jù)為文件名保存被檢儀表圖片。

工作步驟：攝像頭的初始化，圖像的獲取，達(dá)到設(shè)定的溫濕度后，穩(wěn)定30min后以溫濕度數(shù)據(jù)做為文件名保存圖片一次，再過5min再次保存圖片一次。部分程序代碼如下：

2.3 溫濕度自動(dòng)檢定系統(tǒng)的應(yīng)用

2.3.1 自動(dòng)檢定系統(tǒng)的運(yùn)行

溫濕度自動(dòng)檢定系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，曲線動(dòng)態(tài)顯示功能，可以直觀的反應(yīng)溫濕度參數(shù)的變化趨勢，攝像頭采集圖片同時(shí)顯示在程序的控制面板上，整個(gè)程序界面簡潔、實(shí)用，能夠滿足實(shí)際工作的需要。系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)界面

2.3.2 系統(tǒng)的工作流程

溫濕度自動(dòng)檢定系統(tǒng)的工作流程嚴(yán)格按照J(rèn)JG 205－2005《機(jī)械式溫濕度計(jì)檢定規(guī)程》規(guī)定，依次達(dá)到溫度設(shè)定點(diǎn)15℃，20℃，30℃和濕度檢定點(diǎn)：箱內(nèi)溫度為20℃時(shí)，40%RH，60%RH，80%RH。為了提高工作效率，溫度達(dá)到20℃后，先把三個(gè)濕度檢定點(diǎn)檢定完成后，再檢定溫度的30℃檢定點(diǎn)，檢定流程得到了優(yōu)化。達(dá)到每個(gè)檢定點(diǎn)后，穩(wěn)定30min后開始讀標(biāo)準(zhǔn)干濕表示值，間隔5min后再讀數(shù)一次，并以標(biāo)準(zhǔn)溫濕度值保存被檢儀表的圖片，取兩次讀數(shù)的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)器和被檢儀器的示值，然后再開始下一檢定點(diǎn)。檢定流程如圖4所示。

圖4 檢定流程圖

3 結(jié)語

本系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)做為上位機(jī)，AI儀表、MT－h(huán)umi700標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表和USB攝像頭為下位機(jī)，按照檢定規(guī)程的要求依次對每個(gè)檢定點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢定，檢定過程中實(shí)時(shí)顯示溫濕度變化曲線，被檢儀表的示值圖片，以溫濕度檢定數(shù)據(jù)作為文件名保存被檢儀表圖片，實(shí)現(xiàn)了對檢定流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)保存。改變了以往檢定時(shí)由工作人員承擔(dān)的監(jiān)控、記錄檢定數(shù)據(jù)等工作，減小了工作強(qiáng)度，提高了工作效率，原來讀數(shù)時(shí)需要透過檢定箱的玻璃窗口讀取被檢儀表數(shù)據(jù)，受到玻璃窗口水霧、光線、人員工作經(jīng)驗(yàn)等因素的影響，讀數(shù)準(zhǔn)確性受到一定的影響，改造后，攝像頭與被檢儀表同時(shí)放入檢定箱中，相對位置固定、環(huán)境參數(shù)一致、讀數(shù)由計(jì)算機(jī)完成，減少了讀數(shù)過程的誤差，提高了檢定精度。

進(jìn)一步改進(jìn)措施，本系統(tǒng)涉及指針式儀表自動(dòng)讀數(shù)技術(shù)，它將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)引入儀表檢定過程，消除了人工觀測方法所造成的主觀誤差，提高了檢定精度和效率，但是不可避免的存在攝像頭視差對讀數(shù)的影響，通過查閱文獻(xiàn)，有的用建立在雙目測量系統(tǒng)下的儀表成像攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)減少讀數(shù)影響、有的通過儀表圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行檢定視差的校正、有的使用步進(jìn)電機(jī)以及機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)調(diào)整攝像頭位置減少成像誤差。由于實(shí)際工作中，溫濕度儀表類型繁多、不同廠家生產(chǎn)的儀表外觀尺寸相差較大，所以進(jìn)一步的改進(jìn)措施計(jì)劃采用由計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)以及相應(yīng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，通過調(diào)整攝像頭位置減少誤差，具體效果有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。

［1］徐桂梅，鄭淑芳，王朝敏.機(jī)械式溫濕度計(jì)濕度部分測量結(jié)果的不確定度評定［J］.內(nèi)蒙古氣象，2012，（2）：30－31.

［2］安代芬.機(jī)械式溫濕度計(jì)示值誤差的測量不確定度評定［J］.計(jì)量與測試技術(shù)，2012，39（10）：68－69.

［3］范逸之，陳力元.Visual Basic與RS232串行通信控制［M］.北京：清華大學(xué)大學(xué)出版社，2002.

［4］張滿莉，楊敬偉.基于VB6.0的宇電儀表與計(jì)算機(jī)串口通信及在發(fā)動(dòng)機(jī)磨合試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用［J］.計(jì)量與測試技術(shù).2011，38（6）：23－25.

［5］高云，鄧攀，尚倫，等.AI－808溫度控制器與計(jì)算機(jī)串口通信［J］.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，24（1）：41－44.

［6］李江.基于AVICap窗口類視頻監(jiān)控及捕捉系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.視頻技術(shù)應(yīng)用與工程，2004，265（7）：72－74.

［7］阮林波，曹錦云.基于USB攝像頭的遠(yuǎn)程多路圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2004，25（6）：988－995.

［8］魏彩喬，郭會(huì).基于VB和串行通信的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2012，40（8）：134－139.

［9］趙衛(wèi)強(qiáng)，魯墨武.基于VB6.0的監(jiān)控系統(tǒng)軟件中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)曲線實(shí)現(xiàn)方法的研究［J］.沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，20（1）：31－34.