一種應(yīng)用于水下電視的實時溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

王從政，馮常，廖禮斌

（中國科學(xué)院 光電技術(shù)研究所，四川 成都　610209）

一種應(yīng)用于水下電視的實時溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

王從政，馮常，廖禮斌

（中國科學(xué)院 光電技術(shù)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(tài)檢測設(shè)備，其必須保證工作期間玻璃窗的通透性。設(shè)計并實現(xiàn)一種實時溫濕度測量系統(tǒng)，用于監(jiān)測密封腔的溫濕度，可有效防止玻璃窗起霧現(xiàn)象。系統(tǒng)以C8051F單片機(jī)為核心，采用傳感器SHT25實現(xiàn)溫濕度獲取，通過電流環(huán)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，并在LCD上顯示結(jié)果。試驗表明，系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、數(shù)據(jù)穩(wěn)定和體積小等優(yōu)點，可實現(xiàn)溫濕度監(jiān)測。

SHT25；溫濕度；C8051F；電流環(huán)

為了保障核電站的安全運(yùn)行，需對核電設(shè)施進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測和定期維護(hù)［1］。由于核電設(shè)備一般置于一定深度的硼酸水中［2］，水下運(yùn)行環(huán)境的腐蝕、輻射性等對設(shè)備部件的可靠性造成影響，為確保設(shè)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(shè)施狀態(tài)檢查設(shè)備，可工作于幾十米水壓的放射性硼酸水環(huán)境，實現(xiàn)光學(xué)圖像的采集和回放，但由于水下電視的儲存和工作環(huán)境存在溫差大的特點，進(jìn)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(xiàn)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(yīng)用現(xiàn)場限制，本文設(shè)計并實現(xiàn)一套有線的小型化實時溫濕度測量系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集處理模塊和顯示模塊兩部分組成，系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)采集處理模塊工作于前端的現(xiàn)場環(huán)境，主要包含溫濕度傳感器SHT25、可編程存儲器AT24C01、基于電流環(huán)的發(fā)送單元和以C8051F單片機(jī)為核心的信號處理單元等，用于現(xiàn)場溫濕度測量和工作時間記錄，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后通過發(fā)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(jī)的控制單元等，其通過對前端回傳數(shù)據(jù)的接收和分析，進(jìn)一步將各項數(shù)據(jù)分別顯示于液晶屏的相應(yīng)位置，供用戶使用。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件部分主要包含數(shù)據(jù)采集處理模塊和顯示模塊的電路設(shè)計，兩電路板之間采用電流環(huán)的方式通信，即采用兩根普通導(dǎo)線實現(xiàn)通信，電路設(shè)計以體積小、可靠性高為主要目標(biāo)。

2.1數(shù)據(jù)采集處理模塊

本模塊的硬件設(shè)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(xiàn)，以達(dá)到高可靠和小巧的目標(biāo)。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(biāo)準(zhǔn)I2C接口的形式提供已標(biāo)定和線性化的信號［4］。傳感器的全標(biāo)定濕度精度可達(dá)1.8%，并且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，滿足一般工業(yè)測量需求。為保證器件長時間穩(wěn)定工作，降低系統(tǒng)自身發(fā)熱對濕度測量精度的影響，在PCB的布局布線方面，系統(tǒng)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(yuǎn)離發(fā)熱區(qū)域。核心處理器采用C8051F300單片機(jī)，外形僅為3×3 mm，是集成8051核的混合信號片上系統(tǒng)，主頻可達(dá)25MIPS，片內(nèi)時鐘源為24.5 MHz，精度可達(dá)±2%，具有豐富的片上外設(shè)，如UART串行接口、I2C串行總線接口等，既體積小，又滿足系統(tǒng)需要［5］。最后，為記錄系統(tǒng)的工作時間，系統(tǒng)采用TSSOP8封裝的存儲器AT24C01，該存儲器體積小、擦除次數(shù)高，也通過I2C接口進(jìn)行操作，和傳感器一起作為I2C總線上的從設(shè)備，可由單片機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行操作。

數(shù)據(jù)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(shè)備的狀態(tài)連接在 I2C總線上，由于總線處于空閑狀態(tài)時需保持高電平，而總線上各個設(shè)備的IO口均處于漏極開路狀態(tài)，故總線需接入上拉電阻。在多個從設(shè)備存在的總線操作中，單片機(jī)作為主設(shè)備通過發(fā)送特定器件地址，實現(xiàn)多從設(shè)備的區(qū)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(shè)備而言，實現(xiàn)各從設(shè)備的相應(yīng)位置數(shù)據(jù)讀寫是一致的。單片機(jī)對兩個從設(shè)備要先初始化，傳感器主要是寄存器復(fù)位操作，存儲器是時間零點設(shè)置，然后再依次分別訪問，獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)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(huán)［3］發(fā)送模塊作為UART的驅(qū)動部分，將單片機(jī)的電平高低轉(zhuǎn)換為導(dǎo)線上的電流有無，實現(xiàn)數(shù)據(jù)長距離可靠傳輸。

圖2　數(shù)據(jù)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(qū)動接口和信號接收單元。信號接收單元與前端發(fā)送模塊類似，其采用光耦TIL117實現(xiàn)導(dǎo)線上電流信號的有無到控制器IO口上的電壓脈沖轉(zhuǎn)換。在UART模塊的波特率設(shè)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(zhǔn)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(tǒng)，其片內(nèi)時鐘源也為24.5 MHz，并且時鐘源可編程和標(biāo)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(jìn)行全部操作。接收的數(shù)據(jù)包經(jīng)解析后，時間、濕度和溫度數(shù)據(jù)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(fā)光部分與前端的三極管組成回路，通過回路電流實現(xiàn)發(fā)光二極管的驅(qū)動，進(jìn)而控制光耦的集電極和發(fā)射極的通斷?？刂破鞯腞X引腳通過光耦的狀態(tài)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的按位接收。最后，單片機(jī)P0口的其中3位與P1口一起提供液晶屏驅(qū)動所需的時序和數(shù)據(jù)信號。此外，為提高液晶屏的顯示對比度，要特別設(shè)置電阻R5實現(xiàn)背光電流調(diào)整。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的前后端模塊均采用C8051F系列單片機(jī)，系統(tǒng)軟件編寫采用Silicon Lab集成開發(fā)環(huán)境。前端采集模塊程序的主要功能為傳感器配置和數(shù)據(jù)獲取、計時功能實現(xiàn)、數(shù)據(jù)匯總處理、以及UART模塊操作等，后端顯示模塊程序?qū)崿F(xiàn)接收數(shù)據(jù)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(shè)計

圖4　采集模塊程序流程圖

3.2顯示模塊程序設(shè)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(shè)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)等，其中，初始化操作由寫命令和各種延時配合實現(xiàn)，命令主要包含功能設(shè)置、光標(biāo)、清屏等。液晶屏顯示的4行數(shù)據(jù)分別存儲于字符數(shù)組中，每獲取一次完整數(shù)據(jù)包，主循環(huán)便依次更新數(shù)組，最后，再將更新后的數(shù)據(jù)顯示于液晶屏的對應(yīng)位置上。

4　系統(tǒng)測試與分析

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

圖5　顯示模塊程序流程圖

圖6　溫濕度測量系統(tǒng)

圖7　溫濕度測試數(shù)據(jù)圖

系統(tǒng)的穩(wěn)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(nèi)，先靜置30 min，待傳感器的測試表面與環(huán)境空氣充分接觸，然后再依次通電，在液晶屏上進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測。溫濕度測試數(shù)據(jù)如圖7所示，從測試結(jié)果可得，溫濕度在開始的2 min內(nèi)變化較大，之后變動逐漸減小，直至穩(wěn)定，滿足水下電視設(shè)備內(nèi)部溫濕度監(jiān)測需求。

5　結(jié)　論

文中設(shè)計并實現(xiàn)了一種實時溫濕度測量系統(tǒng)，可用于監(jiān)測密封腔的溫濕度信息，測量系統(tǒng)目前已集成于水下電視檢查設(shè)備中，具有運(yùn)行可靠、數(shù)據(jù)穩(wěn)定和體積小等優(yōu)點，并成功應(yīng)用于某核電站現(xiàn)場。

［1］鄭彬，張術(shù)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(hù)，2015，36（1）：68-71.

［3］王從政，馮常，王成林．一種基于電流環(huán)的溫度測量系統(tǒng)［J］．電子設(shè)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，F(xiàn)ENG 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(yuǎn)人，碩士，助理研究員。研究方向：光電檢測技術(shù)。