青藏高原凍土溫度64通道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張金玉,行鴻彥,馮茂巖,張 軍

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044; 2.南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210044; 3.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南京 211170)

青藏高原地區(qū)由于海拔較高,地勢(shì)特殊,土質(zhì)較低海拔區(qū)域有很大不同[1],晝夜溫差大,部分區(qū)域常年溫度較低,土壤層結(jié)構(gòu)較為特殊,深層土壤可能存在永久性凍土或者季節(jié)性凍土。凍土的水熱物理特性、流變性和對(duì)溫度的強(qiáng)敏感性,使其長(zhǎng)期強(qiáng)度遠(yuǎn)低于瞬時(shí)強(qiáng)度[2],易導(dǎo)致青藏鐵路軌道出現(xiàn)凍脹或融沉等危險(xiǎn)。為保證青藏高原地區(qū)工程建設(shè)的可行性和安全性,投資建設(shè)工程前,監(jiān)測(cè)建筑范圍內(nèi)土質(zhì)溫度變化趨勢(shì),判斷凍土所在區(qū)域,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前在凍土測(cè)量方面,多為凍融過(guò)程研究[3-4]、凍土內(nèi)管道參數(shù)監(jiān)測(cè)[5]、不同深度凍土成分測(cè)量[6]和含水量測(cè)量[7]等,專門(mén)對(duì)凍土溫度進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)較少。

各領(lǐng)域溫度測(cè)量方法較多,在國(guó)外,利用UWB微波雷達(dá)方法研究溫度變化[8],在熱療領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景,但該方法測(cè)量溫度僅適用于0 ℃以上,范圍較為局限,另外若需測(cè)量多分布溫度點(diǎn),無(wú)法達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需求;Maria George等[9]設(shè)計(jì)了具有頻譜估計(jì)的嵌入式多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可允許微控制器和FPGA集成在單個(gè)芯片中,縮小系統(tǒng)尺寸,但采集通道數(shù)較少,實(shí)際應(yīng)用效率不高;Fuduli等[10]在醫(yī)學(xué)上設(shè)計(jì)出128通道的DAS系統(tǒng),用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外部放射治療儀器各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)是否正常,精度較高,但該系統(tǒng)僅支持室內(nèi)近距離數(shù)據(jù)傳輸,與實(shí)際應(yīng)用背景不符。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,我國(guó)科研人員也進(jìn)行了大量研究。在溫度測(cè)量方法方面,利用分布式光纖,采用基于Raman光時(shí)域反射計(jì)測(cè)量溫度[11],可測(cè)量溫度和區(qū)域范圍均較廣,但該方法測(cè)量精度不滿足實(shí)際誤差需求。在多通道測(cè)量系統(tǒng)方面,多利用雙通道、四通道、八通道系統(tǒng)研究圖像成像或信號(hào)探測(cè)[12-18]。早期,李曉輝等[19]設(shè)計(jì)了基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),采用FPGA與單片機(jī)相結(jié)合的硬件架構(gòu),具有很強(qiáng)的通用性和靈活性,但同樣采集通道數(shù)較少,且應(yīng)用背景為高速高溫環(huán)境,與低溫環(huán)境應(yīng)用相悖。王星等[20]設(shè)計(jì)了多通道表面肌電無(wú)線采集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)6通道采集人體手部運(yùn)動(dòng)sEMG信號(hào),但無(wú)線信號(hào)傳輸距離較短。在系統(tǒng)性能方面,雖然甄國(guó)涌等[21]設(shè)計(jì)了一種182路傳感器數(shù)據(jù)采集電路,但缺少可供低溫環(huán)境下的實(shí)驗(yàn),接口多,占用CPU高,影響傳輸速度。

針對(duì)現(xiàn)有通道系統(tǒng)難以滿足青藏高原環(huán)境凍土監(jiān)測(cè)問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種64通道溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)計(jì),引入了分段擬合方法,得到熱敏電阻阻溫關(guān)系。對(duì)信號(hào)采集模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),利用以少控多,逐層控制方法,設(shè)計(jì)了64通道信號(hào)切換模塊。根據(jù)通道采集信號(hào),提出了一種溫度數(shù)據(jù)校正方法?；诟髂K參數(shù)說(shuō)明,對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)一步研究。結(jié)合青藏高原凍土物理特性,設(shè)定溫度變化范圍,在高低溫實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 熱敏電阻溫度測(cè)量原理

熱敏電阻大多是由Mn、Ni、Co、Fe、Cu等金屬的氧化物燒結(jié)而成的半導(dǎo)體材料制成,因此無(wú)法在太高的溫度下使用,適合使用于青藏高原地區(qū)的溫度測(cè)量[22]。

熱敏電阻阻值隨溫度升高而降低,其阻值與被測(cè)溫度值之間的關(guān)系由Steinhart-Hart確定,如式(1)所示:

Rt=R·eB(1/Tt-1/T)

(1)

其中,Rt是熱敏電阻在溫度Tt(K度)下的阻值,R為熱敏電阻在常溫T(K度)下的標(biāo)稱阻值,本系統(tǒng)采用熱敏電阻R為1 kΩ,B值為材料常數(shù)[23]。

根據(jù)熱敏電阻的阻值變化,結(jié)合電流源轉(zhuǎn)換為電壓值,利用模數(shù)轉(zhuǎn)換,通過(guò)微控制器,計(jì)算出溫度。

2 青藏高原凍土環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

模塊化設(shè)計(jì)理論,即將某些特定要素組合構(gòu)成具有某種功能的子系統(tǒng),再將子系統(tǒng)作為通用模塊組合成能產(chǎn)生多種不同功能和性能的新系統(tǒng)。一方面,可以縮短產(chǎn)品研發(fā)和制造周期,另一方面可減少對(duì)環(huán)境的影響,方便維修損壞模塊或回收廢棄模塊,基于該理論,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

該系統(tǒng)可分為采集模塊、信號(hào)切換模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、下位機(jī)控制模塊、供電模塊和上位機(jī)模塊,其總體頂層設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

該采集模塊設(shè)計(jì)了64個(gè)溫度信號(hào)采集通道以提高采集效率。利用單片機(jī)控制繼電器,切換64路熱敏電阻電路,控制電流流向某一熱敏電阻線路,解決分流的問(wèn)題。64路信號(hào)經(jīng)過(guò)64選1模擬開(kāi)關(guān)模塊,尋址選擇相應(yīng)信號(hào)通過(guò)。信號(hào)調(diào)理模塊采用調(diào)理電路,使放大信號(hào)匹配AD轉(zhuǎn)換范圍,為保證轉(zhuǎn)化精度,選擇高精度模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片,將信號(hào)讀入單片機(jī)。單片機(jī)為主要控制中心,外接GPRS模塊,利用移動(dòng)的鐵通網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸,USB接口用于數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)與下載,避免遠(yuǎn)程傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)的丟失。

考慮到青藏高原野外供電的困難性,采用太陽(yáng)能供電和蓄電池雙供電方式,輸出+12 V的電壓源,經(jīng)過(guò)低功耗穩(wěn)壓芯片輸出+5 V供單片機(jī)使用。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)流為:熱敏電阻采集信號(hào),經(jīng)過(guò)模擬開(kāi)關(guān),將并行信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行信號(hào),經(jīng)調(diào)理電路與AD轉(zhuǎn)換器,存入單片機(jī),單片機(jī)將信號(hào)存儲(chǔ)于USB,并且定時(shí)無(wú)線發(fā)送給上位機(jī)。

3 熱敏電阻非線性分析

為保證獲取高精度的熱敏電阻阻值,對(duì)實(shí)際信號(hào)采集模塊中熱敏電阻的非線性進(jìn)行分析,逐點(diǎn)測(cè)試,得出非線性阻溫關(guān)系式,為后續(xù)64通道溫度監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)做基礎(chǔ)。低溫狀態(tài)下,數(shù)字溫度傳感器測(cè)量精度會(huì)受較大影響,為保證測(cè)量精度,選擇二線制熱敏電阻傳感器。熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)特性,總體特征為溫度與阻值成反比。系統(tǒng)使用定制二線制熱敏電阻,需先測(cè)得傳感器阻溫關(guān)系。

利用高低溫實(shí)驗(yàn)箱,模擬-40 ℃～+20 ℃溫度環(huán)境,將傳感器放置在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi),測(cè)出5組精度為±0.01 ℃的阻溫?cái)?shù)據(jù)集,利用最小二乘法擬合5組非線性曲線,可得到阻溫關(guān)系如圖2所示。

圖2 熱敏電阻阻溫關(guān)系曲線

當(dāng)擬合精度為±0.1 ℃時(shí),曲線較不平滑,直接采用最小二乘法無(wú)法達(dá)到擬合精度要求,因此選擇分段擬合。以曲線拐點(diǎn)為基準(zhǔn),分段選擇合適的數(shù)學(xué)模型,利用最小二乘法對(duì)各部分曲線進(jìn)行擬合。當(dāng)溫度范圍在T∈[-40,-36]、T∈[-36,-33.5]、T∈[-11,-4.5]時(shí),曲線呈現(xiàn)線性趨勢(shì),選擇線性模型進(jìn)行擬合:

Rn=a1Tn+b1

(2)

其中,a1和b1為系數(shù),擬合曲線圖如圖3所示。

圖3 線性擬合阻溫曲線

當(dāng)T∈[-33.5,-27.5]、T∈[-27.5,-25.5]、T∈[-25.5,-11]、T∈[-4.5,20],曲線呈現(xiàn)非線性趨勢(shì),選擇一元二次函數(shù)模型進(jìn)行擬合:

其中,a2、b2、c為模型系數(shù),n表示第n段曲線,擬合曲線如圖4所示。

分段得到下列阻溫函數(shù)關(guān)系式:

當(dāng)T1∈[-40,-36]時(shí),

R1=-650.39T1-10544.04

(4)

當(dāng)T2∈[-36,-33.5]時(shí),

R2=-600.42T2-8745.24

(5)

當(dāng)T3∈[-33.5,-27.5]時(shí),

當(dāng)T4∈[-27.5,-25.5)時(shí),

當(dāng)T5∈[-25.5,-11)時(shí),

當(dāng)T6∈[-11,-3.5)時(shí),

R6=-152.71T6+2564.99

(9)

當(dāng)T7∈[-3.5,20]時(shí),

4 64通道青藏高原溫度監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

4.1 四線制方法

二線制熱敏電阻會(huì)帶來(lái)引線電阻的負(fù)載誤差,為達(dá)到指定的精度需求,常利用四線制方法避免引線電阻帶來(lái)的負(fù)載誤差。

在電阻的根部?jī)啥烁鬟B接兩根引線為電阻提供恒定電流,把電阻值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),再通過(guò)另兩根引線把電壓引至64通道溫度監(jiān)測(cè)電路中,這種引線方式可完全消除引線的電阻影響。系統(tǒng)利用AD7793內(nèi)置激勵(lì)電流源為熱敏電阻提供恒定電流,以輸出電壓信號(hào),四線制電阻電壓讀取電路如圖5所示。

圖4 非線性擬合阻溫曲線

圖5 熱敏電阻-電壓轉(zhuǎn)換

其中,Vref表示基準(zhǔn)電壓,Rt表示熱敏電阻阻值,ux表示模擬電壓值,將熱敏電阻與100 Ω基準(zhǔn)電阻相連,得到:

其中,Dx為ux轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)。

AD7793內(nèi)共有三種激勵(lì)電流源,分別為10 μA、210 μA、1 mA在-40 ℃～+20 ℃,熱敏電阻阻值變化為1.3 kΩ～15 kΩ。當(dāng)供電電壓為5 V時(shí),模擬開(kāi)關(guān)最大可通過(guò)單極性模擬信號(hào)范圍為VSS(VEE)～VDD(VSS=VEE=0,VDD=5 V),因此,選擇210 μA激勵(lì)電流源,電壓信號(hào)ux約為0.273 V～3.150 V。

4.2 64通道電路設(shè)計(jì)

利用少量模擬開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)大量電壓信號(hào)切換,采用以少控多、逐層控制思想,將數(shù)據(jù)流從并行通信轉(zhuǎn)為串行通信,控制流圖如圖6所示。

圖6 模擬開(kāi)關(guān)控制流圖

利用單片機(jī)控制譯碼器輸入端,輸出端控制模擬開(kāi)關(guān)使能端,單片機(jī)控制模擬開(kāi)關(guān)輸入地址端,以切換各路傳感器。

當(dāng)切換n(n較大時(shí))路信號(hào)時(shí),采用m片3線-8線譯碼器和k片8選1模擬開(kāi)關(guān),用以控制譯碼器和模擬開(kāi)關(guān)的單片機(jī)引腳數(shù)量為3m+3。其中,若n/64為整數(shù),m=n/64,否則,m=「n/64?;若n/8為整數(shù),k=n/8,否則,k=「n/8?。

利用圖6所示方法,64選1模擬開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)步驟如下:

步驟1根據(jù)通道數(shù),計(jì)算所需芯片數(shù)量,選擇1片3線-8線譯碼器和8片8選1模擬開(kāi)關(guān);

步驟2單片機(jī)控制3線-8線譯碼器3個(gè)輸入端A2A1A0,將其置“000～111”,選址導(dǎo)通模擬開(kāi)關(guān);

步驟3單片機(jī)控制導(dǎo)通模擬開(kāi)關(guān)的3位地址端CBA,將其置“000～111”,按址依次選擇第n路信號(hào)(n≤64)輸出,以此達(dá)到64選1的信號(hào)切換功能。

相比于傳統(tǒng)多線路信號(hào)傳輸“一對(duì)一”信號(hào)傳輸與處理,該設(shè)計(jì)只需利用單片機(jī)6個(gè)GPIO口,最大化節(jié)約電路和引腳資源。

5 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)校正方法

基于熱敏電阻溫度測(cè)量理論[22-23],熱敏電阻測(cè)量的溫度和阻值成反比,即溫度越高,阻值越小,因此熱敏電阻阻值精度是影響模塊測(cè)溫精度的主要因素之一,利用四線制方法,可得到較高精度的電阻值,但傳感器長(zhǎng)期埋于地下,傳感器本身器件老化或損壞可能導(dǎo)致本身器件輸出電阻值與理論值誤差較大,進(jìn)而輸出電壓產(chǎn)生較大偏差,出現(xiàn)測(cè)量不準(zhǔn)確問(wèn)題。江和等[24]提出軟件濾波方法,其適用于采集次數(shù)為奇數(shù)的情況,最終溫度值僅取決于一個(gè)溫度點(diǎn),精確度較為欠缺。因此,為進(jìn)一步提高精確度,在保證獲得熱敏電阻阻值精確的前提下,在后續(xù)模塊中提出一種溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)校正算法,去除畸變信號(hào),減小溫度測(cè)量誤差。

系統(tǒng)一次采集三組溫度數(shù)據(jù),計(jì)算溫度值分別為T(mén)1、T2、T3,通過(guò)兩兩相減,得到三組差值,即|T1-T2|=d12,|T1-T3|=d13,|T2-T3|=d23,結(jié)合設(shè)定的誤差判斷基準(zhǔn),當(dāng)d12≤0.1 ℃時(shí),表示T1和T2可能全為正?；蚧兊臏囟赛c(diǎn),當(dāng)d12>0.1 ℃時(shí),表示T1和T2至少有一個(gè)畸變信號(hào),需加入第三組采集信號(hào)T3,將三組差值d12,d13,d23進(jìn)行討論,通過(guò)比較三組差值,可較大概率判斷三組溫度數(shù)據(jù)是否為正常數(shù)據(jù)。由于誤差不大于0.1 ℃的精度要求,選擇0.1 ℃作為誤差判斷基準(zhǔn)。具體校正方法為:

①若d12≤0.1 ℃,且d13≤0.1 ℃,且d23≤0.1 ℃時(shí),表明T1和T2溫度差值較小,T1和T3差值較小,T2和T3差值較小,因此三組溫度數(shù)據(jù)較為接近,可以判斷T1、T2、T3均為正常數(shù)據(jù)概率較大。最終輸出溫度T為三組溫度數(shù)據(jù)平均數(shù):

(12)

③若d12≤0.1 ℃,且d13>0.1 ℃,且d23≤0.1 ℃時(shí),表明T1和T2溫度差值較小,T2和T3溫度差值較小,T1和T3差值較大,即T1≤T2≤T3或T1≥T2≥T3,與第2種情況類(lèi)似,因此判斷T2為正常溫度概率較大。最終輸出溫度為T(mén)2。

④若d12≤0.1 ℃,且d13>0.1 ℃,且d23>0.1 ℃時(shí),表明T1和T2溫度差值較小,T1和T3差值較大,T2和T3差值較大,T3為畸變信號(hào)概率大。最終輸出溫度T為T(mén)1、T2的平均值:

(13)

⑤若d12>0.1 ℃,且d13≤0.1 ℃,且d23≤0.1 ℃時(shí),表明T1和T2溫度差值較大,T1和T3差值較小,T2和T3差值較小,與第2和3情況類(lèi)似,即T1≤T3≤T2,或T1≥T3≥T2,T1和T2相差最大。最終輸出溫度為T(mén)3。

⑥若d12>0.1 ℃,且d13>0.1 ℃,且d23≤0.1 ℃時(shí),表明T1和T2溫度差值較大,T1和T3差值較大,T2和T3差值較小,與第4中情況類(lèi)似,T1為畸變信號(hào)概率大。最終輸出溫度T為:

(14)

⑦若d12>0.1 ℃,且d13≤0.1 ℃,且d23>0.1 ℃時(shí),表明T1和T2溫度差值較大,T1和T3差值較小,T2和T3差值較大,與第4和6情況類(lèi)似,判斷T2為畸變信號(hào)概率大。最終輸出溫度T為:

⑧若d12>0.1 ℃,且d13>0.1 ℃,且d23>0.1 ℃時(shí),在實(shí)際測(cè)量中,采集一次時(shí)間間隔較短,該情況發(fā)生概率較小,不予考慮。

采集點(diǎn)數(shù)需大于等于3組,選取點(diǎn)數(shù)越多,識(shí)別畸變信號(hào)越準(zhǔn)確,測(cè)量精度越高,但計(jì)算會(huì)越復(fù)雜。對(duì)于不同系統(tǒng)要求,可選擇合適的采集信號(hào)點(diǎn)數(shù),引入該校正方法,進(jìn)行處理。

6 系統(tǒng)性能

列出系統(tǒng)各硬件電路組成的功耗、信號(hào)延遲等性能參數(shù),研究系統(tǒng)總體性能。

信號(hào)切換模塊中64選1模擬開(kāi)關(guān),主要由譯碼器和8選1模擬開(kāi)關(guān)芯片組成,譯碼器選擇最常用的74LS138,模擬開(kāi)關(guān)選擇CD4051,主要參數(shù)如表1所示。

表1 74LS138、CD4051主要參數(shù)說(shuō)明

ton表示芯片開(kāi)啟延遲時(shí)間,tprop表示信號(hào)傳輸延遲時(shí)間,Toperate表示芯片可工作溫度范圍。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得,該模塊工作時(shí)功耗約為4 W,信號(hào)傳輸延遲時(shí)間Tdelay約為132 ns。

信號(hào)調(diào)理模塊中模數(shù)轉(zhuǎn)換AD7793主要參數(shù)如表2所示。

表2 AD7793主要參數(shù)說(shuō)明

其中,t1表示芯片喚醒AD端至輸入高低電平的延遲時(shí)間,Toperate表示芯片可工作溫度范圍。

下位機(jī)控制模塊,選擇STM32系列中超低功耗的一款微控制器STM32L151RET6,主要參數(shù)如表3所示。

表3 STM32L151RET6主要參數(shù)說(shuō)明

系統(tǒng)采集一年數(shù)據(jù)所占內(nèi)存為540 kbyte,單片機(jī)采用Flash和RAM共同存儲(chǔ)的模式,第一年將1月份～11月份的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Flash中,12月份的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于RAM。非工作情況下,進(jìn)入帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘的停止模式,達(dá)到最低損耗同時(shí)保留RAM、寄存器的內(nèi)容,實(shí)時(shí)時(shí)鐘僅LSE和LSI運(yùn)行,設(shè)定時(shí)間定時(shí)喚醒系統(tǒng)。

通過(guò)外接GPRS模塊,在青藏高原地區(qū)采用移動(dòng)的鐵通網(wǎng)絡(luò),與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能,設(shè)計(jì)USB口,避免遠(yuǎn)程傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)丟失。

有上述各模塊參數(shù)可知,系統(tǒng)工作時(shí)模擬開(kāi)關(guān)模塊占用功耗較多,約為4 W,總體實(shí)現(xiàn)低功耗功能要求。信號(hào)延遲時(shí)間較短,系統(tǒng)喚醒時(shí)間相較信號(hào)傳輸延遲時(shí)間較長(zhǎng),約為8.6 μs。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

系統(tǒng)使用背景為青藏高原凍土區(qū)域,需進(jìn)行防低溫設(shè)計(jì),保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。外部采用鋁合金材料密封,防水防震防腐蝕,內(nèi)部鋪上高密度的橡塑保溫材料,橡塑保溫材料是彈性閉孔材料,具有柔軟、耐寒/熱、阻燃、防水、減震等優(yōu)良的效果。

根據(jù)青藏高原環(huán)境凍土物理特性[2],采用專用測(cè)溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試,測(cè)試設(shè)備為:①太陽(yáng)能電源模塊:為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的+12 V電源電壓輸入;②高低溫實(shí)驗(yàn)箱:為系統(tǒng)測(cè)試提供低溫環(huán)境,測(cè)試溫度范圍為-40 ℃～20 ℃;③無(wú)線傳輸模塊:GPRS傳輸,轉(zhuǎn)接上位機(jī)(如PC);④低溫環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng);⑤抗低溫封裝箱:將系統(tǒng)置于該封裝箱內(nèi),封裝箱內(nèi)部填上高密度橡塑泡沫保溫材料,儲(chǔ)存系統(tǒng)自身工作熱量的同時(shí),隔絕外部低溫環(huán)境。

高低溫環(huán)境測(cè)試平臺(tái)如圖7所示。

圖7 高低溫環(huán)境測(cè)試平臺(tái)

利用高低溫實(shí)驗(yàn)箱,提供-40 ℃～+20 ℃環(huán)境,將熱敏電阻傳感器放入,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。分別記錄6組溫度范圍:-40 ℃～-30 ℃、-30 ℃～-20 ℃、-20 ℃～-10 ℃、-10 ℃～0 ℃、0 ℃～10 ℃、10 ℃～20 ℃,每組選取4個(gè)溫度點(diǎn),利用校正方法進(jìn)行處理,得到溫度T,結(jié)果如表4所示。

表4 不同溫度范圍內(nèi)測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù) 單位:℃

由表4可知,當(dāng)T為-16.65、-7.75、13.50時(shí),誤差大于0.1 ℃,可進(jìn)一步縮小溫度測(cè)量范圍,找出誤差產(chǎn)生原因,結(jié)果如表5所示。

當(dāng)溫度范圍在[-16.90,-15.80]、[-9.50,-6.50]、[13.00,19.00]時(shí),總體誤差均在±0.15 ℃左右,結(jié)合式(5)～式(7),對(duì)應(yīng)阻溫?cái)M合曲線可知,誤差約為±0.15 ℃,若對(duì)該溫度范圍內(nèi)測(cè)得數(shù)據(jù),進(jìn)行補(bǔ)償,可進(jìn)一步提高測(cè)溫精度,保證在-40 ℃到+20 ℃內(nèi),90%以上的溫度測(cè)量點(diǎn)誤差控制在±0.1 ℃內(nèi)。

表5 誤差點(diǎn)范圍測(cè)量數(shù)據(jù) 單位:℃

將該系統(tǒng)與文獻(xiàn)[25]測(cè)溫系統(tǒng)相比,在-40 ℃～+20 ℃范圍內(nèi),測(cè)溫性能參數(shù)如表6所示。

表6 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比

根據(jù)表6,在低溫環(huán)境下,該系統(tǒng)比文獻(xiàn)[25]測(cè)溫范圍廣,可測(cè)溫度點(diǎn)多,存儲(chǔ)量大,具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

8 總結(jié)

為避免凍土的物理特性對(duì)地面建筑物造成影響,設(shè)計(jì)了一種64通道凍土溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)理念,為提高采集模塊擬合精度,采用分段式方法,擬合熱敏電阻阻溫關(guān)系;利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部激勵(lì)電流源讀取熱敏電阻輸出電壓值;采用以少控多、逐層控制方法實(shí)現(xiàn)64選1模擬開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì),依次向單片機(jī)輸入電壓值,減少系統(tǒng)CPU占用,提高傳輸速度;提出一種去除突變溫度點(diǎn),求其余溫度平均數(shù)的方法,以提高整體溫度采集精度,提高系統(tǒng)抗干擾性能。經(jīng)過(guò)性能分析,系統(tǒng)延遲時(shí)間較短,可測(cè)溫度范圍-40 ℃～+20 ℃,誤差約為±0.1 ℃,總體實(shí)現(xiàn)低功耗要求,當(dāng)溫度范圍在[-16.90,-15.80]、[-9.50,-6.50]、[13.00,19.00]時(shí),測(cè)量誤差約為±0.15 ℃,可采用補(bǔ)償?shù)确绞?提高測(cè)溫精度。

該系統(tǒng)不僅可應(yīng)用于青藏高原地區(qū)的凍土溫度監(jiān)測(cè),還可應(yīng)用于平原地區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè),若進(jìn)一步提高微控制器存儲(chǔ)量和運(yùn)算速率,對(duì)超大容量通道信號(hào)采集系統(tǒng)的研究,有較好的促進(jìn)作用。