關(guān)于改進軍械庫房溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)方法的研究

摘要：本文針對傳統(tǒng)溫、濕度監(jiān)測方法的不足，提出并設(shè)計了以溫、濕度傳感器作為測量手段，運用單片機與PC機對測量結(jié)果加以顯示及記錄的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。用以實現(xiàn)在低成本、低消耗、較高精度情況下對軍械庫房溫濕度情況的實時監(jiān)測，進而達(dá)成對庫存槍械、彈藥有效保管及質(zhì)量保證之目的。

關(guān)鍵詞：槍彈存放；溫濕度；實時；監(jiān)測系統(tǒng)

一、問題的提出

（一）課題研究的意義及背景

對于存放槍械彈藥的軍械庫房而言，時刻保持對庫房溫、濕度的監(jiān)控，確保其處于適宜的范圍，避免因受不符合標(biāo)準(zhǔn)的溫、濕度環(huán)境影響使得庫存的槍械、彈藥壽命消減乃至變質(zhì)失效一直以來都是軍械庫房管理工作的重點。傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測方法之所以難以取得令人滿意的效果，主要是測量結(jié)果精度相對較低、耗時相對較長，同時測量所得數(shù)據(jù)不能實時地向上反饋，容易導(dǎo)致調(diào)控不及時，從而造成不必要的損失。因此可以說，傳統(tǒng)的測量方法，已經(jīng)難以滿足隨著時代發(fā)展而日益增長的部隊軍械庫房溫、濕度環(huán)境管理需求。

槍械、彈藥一般自生產(chǎn)出廠后到部隊訓(xùn)練或作戰(zhàn)使用前，均主要存放于軍械庫房之中。因此，如何在長期的存儲過程中確保所存儲槍械、彈藥的質(zhì)量，確保其在使用時能充分發(fā)揮應(yīng)有效能，一直是軍械庫房管理工作的重要內(nèi)容。通過對槍械、彈藥質(zhì)量下降原因的分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，其質(zhì)量下降的速度除受到其內(nèi)在因素的影響外，外在因素——軍械庫房的儲存條件的優(yōu)劣也起著至關(guān)重要的作用。而在諸多影響槍械、彈藥存儲狀況，最終導(dǎo)致其質(zhì)量發(fā)生變化的外界因素之中，軍械庫房內(nèi)的溫、濕度情況毫無疑問是起決定性作用的關(guān)鍵所在。

對于主體包括鋼鐵、鋁及其合金材質(zhì)的槍械與主體是包含鋼鐵、銅、鋁及其合金在內(nèi)的各式金屬的彈藥元件而言，因溫、濕度不適所造成的最主要影響是使得金屬銹蝕，從而嚴(yán)重?fù)p害到槍械與彈藥的安全性及其可靠性；而對于槍械構(gòu)成中的木質(zhì)組件和彈藥中包括火藥、布、紙質(zhì)等在內(nèi)的彈藥部件，在不適宜溫、濕度環(huán)境的影響下造成受潮、霉?fàn)€變質(zhì)等情況，也會使得槍械及彈藥的安全性以及可靠性遭受到嚴(yán)重?fù)p害。

要優(yōu)化軍械庫溫、濕度的監(jiān)測，前提就是要了解和掌握軍械庫房的適宜溫度及相對濕度的情況。結(jié)合溫、濕度導(dǎo)致槍械與彈藥質(zhì)量下降的原因并查閱相關(guān)資料，再經(jīng)過反復(fù)試驗。結(jié)果證明：為保證長期庫存的槍械、彈藥能保持良好的技術(shù)狀態(tài)，軍械庫房應(yīng)保持的適宜溫度為5～20℃，適宜相對濕度為55%～65%RH。

（二）溫、濕度監(jiān)測的發(fā)展及趨勢

對于溫、濕度測量的需求，很早就已經(jīng)出現(xiàn)在了我們的生產(chǎn)生活活動中。而且，伴隨著科學(xué)技術(shù)水平的飛速發(fā)展，溫、濕度測量的方法、手段亦在不斷革新。到了近現(xiàn)代，各式各樣的溫、濕度監(jiān)測儀器先后得以問世。

早在16世紀(jì)時，意大利著名科學(xué)家伽利略就利用物體熱脹冷縮的原理，研發(fā)了溫度測量儀表。到了18—20世紀(jì)，又先后有如華氏溫度計、水銀溫度計以及銷電阻溫度計等一批測溫儀器相繼誕生于世。緊隨其后，包含光學(xué)溫度計、輻射溫度計以及晶體管溫度計，光纖溫度計在內(nèi)的多種測溫儀器也先后面世。至21世紀(jì)后，在飛速發(fā)展的電子技術(shù)的推動下，各類溫度傳感器逐漸走上了溫度測量的主舞臺。

根據(jù)溫度傳感器測量之時是否需要保證同被測物體或介質(zhì)進行接觸而劃分為接觸式與非接觸式兩大類：其中相對較為常見的接觸式測溫法要求在實行測量之時，傳感器應(yīng)當(dāng)同被測對象保證充分接觸，例如：熱色測溫、膨脹式測溫以及電量式測溫等均是所屬于接觸式測溫方法的其中一員；相應(yīng)的，如：聲波法測溫、激光干涉式測溫、光譜法測溫、輻射式測溫等則歸屬于非接觸式測溫法。

（三）傳感器的發(fā)展及趨勢

傳感器是用以獲取信息的工具，同時傳感與控制技術(shù)、通信技術(shù)以及計算機技術(shù)更是被并稱為是信息技術(shù)三大支柱。自工業(yè)革命以來，機器勞動逐漸取代人力勞動，為實時地測量并控制機器，可以將各類被測信息檢測并將之轉(zhuǎn)化為便于傳輸、處理、記錄、顯示和控制的各類信號的傳感器隨之孕育而生。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7665—2005，在《傳感器通用術(shù)語》一書之中將傳感器定義成：是能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。

傳感器組成情況如圖1所示。

傳感器技術(shù)是一門經(jīng)多學(xué)科交叉融合而產(chǎn)生的現(xiàn)代科學(xué)與工程技術(shù)，是一門囊括了傳感器設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)、檢測、應(yīng)用等多項活動在內(nèi)的綜合性技術(shù)，其具有內(nèi)容的離散性、知識的密集性、技術(shù)的復(fù)雜性、品種的多樣性以及用途的廣泛性等特點。

對于大規(guī)模集成電路技術(shù)已然得到飛速發(fā)展同時高速計算機也得以廣泛普及的當(dāng)今時代，傳感器同樣也擁有了更高的地位與更大的作用。

二、溫濕度監(jiān)測方法的研究

（一）溫度監(jiān)測方法及對比

1.水銀溫度計

水銀溫度計是膨脹式溫度計的一種，常用的水銀溫度計，一般是由一個盛裝有水銀在內(nèi)的玻璃泡、溫標(biāo)、刻度和毛細(xì)管所共同組成。受到水銀的物理特性（凝固點、沸點）影響，其測量溫度范圍為-39～357℃。它具有使用方便，測量結(jié)果直觀易懂，且不受外部遠(yuǎn)傳溫度計誤差影響的優(yōu)點。

使用水銀溫度計，要注意在事前必須先要認(rèn)清其量程，而后確認(rèn)其最小分度值。據(jù)此結(jié)合被測量物體預(yù)計溫度情況，來為之選擇適宜的溫度計。使用水銀溫度計測量溫度，是利用了其具有熱慣性的原理，當(dāng)溫度計狀態(tài)穩(wěn)定后，以目光直視溫度凸液面最低處切線的方式數(shù)據(jù)。

此外對于最主要的是依靠如水銀、酒精等作為感應(yīng)液體來進行溫度測量的普通溫度表，其測量所得的數(shù)據(jù)結(jié)果普遍依靠人工記錄并上報，難以實時地向上傳輸，導(dǎo)致上級不能得以實時回應(yīng)，因而不易做到及時調(diào)節(jié)、時刻保證庫房適宜的溫度環(huán)境。

2. AD590溫度傳感器

AD590溫度傳感器，是一款由美國亞德諾公司（ADI）所研制開發(fā)的高集成電流型溫度傳感器芯片，在其芯片內(nèi)部即已經(jīng)集成囊括了溫度傳感部分、放大電路、驅(qū)動電路以及信號處理電路等。由于令單片集成兩端感溫電流源，因而芯片絕對溫度同輸出電流成正比。最終在先完成對于輸出電流的測量之后，進而便可以據(jù)結(jié)果推算出相應(yīng)溫度值。將絕對溫度零度（-273℃）作為基準(zhǔn)之時，其輸出電流計為0，每當(dāng)其溫度向上升高1℃，對應(yīng)其輸出電流也將會隨之增加1μA。

由于AD590測量所得數(shù)據(jù)需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，要求須與高精度ADC配合使用，且需要校準(zhǔn)，同時工作電路較為復(fù)雜，成本也相對較高，精確度相對較低，并且對線阻有特定要求，因此使用相對較為不便，性價相對也比較低。

（二）濕度監(jiān)測方法及對比

1.干濕球濕度表

擁有著悠久歷史傳承的干濕球測濕度法早在18世紀(jì)之時便已經(jīng)服務(wù)于濕度的測量，時至今日仍被廣泛使用。其主要原理：因為濕球表面紗布上的水分隨時間流逝而不斷蒸發(fā)，并且在蒸發(fā)的同時將不停地從周圍環(huán)境中吸收熱量，進而造成濕球的溫度也隨之降低?？諝飧稍飼r，水分蒸發(fā)速度快，同時吸收的熱量就更多，使得濕球溫度也就越低，干球與濕球溫度的差數(shù)也隨之拉大；反之，周圍空氣濕潤時，濕球表面紗布里水分蒸發(fā)的速度將減慢，吸收的熱量將隨之減少，使得濕球溫度下降幅度變小，干球與濕球溫度的差數(shù)也會因此減小。唯有在濕球表面空氣所含水汽已經(jīng)達(dá)到了飽和之時，濕球表面水分會相對停止蒸發(fā)（即保持了相對動態(tài)平衡），在此時干球與濕球之間的溫差即為零。最終借由干濕球間的溫度差數(shù)，便能夠測算出此時空氣中的相對濕度情況。

2.毛發(fā)濕度表

與干濕球法相似歷史情況的，還有毛發(fā)測濕法。早在18世紀(jì)80年代初，瑞士人德索修爾便已研發(fā)出了首套毛發(fā)濕度表。其主要利用的是人發(fā)作為感應(yīng)元件：將屬于纖維組織，有許多細(xì)毛孔的人的頭發(fā)，經(jīng)過脫脂處理之后，利用其長度將會隨著空氣相對濕度的變化而變化的性質(zhì)，伴隨著空氣相對濕度的增大，毛細(xì)孔內(nèi)的水分也跟著增加，最終使得纖維組織也隨之伸長；反之，在空氣相對濕度減小的時侯，纖維組織就將因毛孔內(nèi)水分的減少而收縮。

毛發(fā)濕度計缺點在于：濕度計顯示的度數(shù)往往落后于濕度的實際變化，其滯后系數(shù)受到包括溫度、相對濕度和風(fēng)速在內(nèi)的諸多因素影響，并非常數(shù)。為減小滯后，毛發(fā)濕度表所用毛發(fā)需要進行脫脂與滾壓處理。且存在低濕癱瘓的風(fēng)險，不宜在低濕情況下長時間存放。此外毛發(fā)濕度計各部位零件均要求保持清潔，毛發(fā)不得用手去觸碰，更不能擦拭。

以上介紹的兩種濕度測量技術(shù)均有著悠久的歷史，歷經(jīng)實踐的檢驗具有各自的優(yōu)點，至今仍在大量的庫房濕度測量中被使用。但是其測量耗時相對較長，測量結(jié)果精度較低，誤差較大，數(shù)據(jù)結(jié)果難以實時上傳，無法滿足現(xiàn)代條件下軍械庫房濕度實時監(jiān)測的需要。

三、監(jiān)測系統(tǒng)硬件的設(shè)計

（一）整體硬件結(jié)構(gòu)及聯(lián)接圖

本論文所設(shè)計系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括以下部分：溫度檢測（DS18B20溫度傳感器）、濕度檢測（HS1101濕度傳感器）、單片機（AT89S52）及其附屬電路、報警電路、通信串口、PC機等。

本文所設(shè)計系統(tǒng)總體電路圖如圖2所示。

（二）系統(tǒng)部分主要硬件的功能介紹及結(jié)構(gòu)圖

1.單片機的選擇

經(jīng)過比對，本系統(tǒng)最終決定選用了由美國愛特梅爾（ATMEL）公司運用了其高密度非易失性存儲器技術(shù)所制造而成的AT89S52單片機來作為其主控芯片。AT89S52單片機是一款性能卓越并且還相當(dāng)節(jié)能的CMOS8位微控制器，其最大運行頻率達(dá)到33MHz，此外，還擁有8K字節(jié)的可編程閃存。

其指令同引腳不但與工業(yè)類80C51產(chǎn)品得以實現(xiàn)完全兼容，與此同時也還能夠與MCS-51系列單片機產(chǎn)品實現(xiàn)兼容。其片上的Flash允許程序存儲器既能夠適用于常規(guī)編程器，同時也能夠進行在系統(tǒng)可編程。其所具有的靈巧的8位CPU連同在系統(tǒng)可編程Flash一道，最終讓其得以成為了令眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)能夠同時兼具靈活與有效兩大特性的解決方案之中至關(guān)重要的一環(huán)。

AT89S52單片機實物照圖如圖3（a）所示，簡單引腳圖如圖3（b）所示。

AT89S52的工作電壓范圍為4～5.5V，并還擁有著一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，雙數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，8k字節(jié)Flash，32個可編程I/O口線，256字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，看門狗定時器，全雙工串行通道，片內(nèi)晶振以及時鐘電路。除此而外，其不僅能夠進行0～33Hz的全靜態(tài)操作，并且還能夠支持一種以上的軟件可選擇節(jié)電模式。

當(dāng)其處于空閑模式之時，其CPU將會自動地指令其停止工作，然而此時允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口以及中斷等卻仍將保持繼續(xù)進行工作。當(dāng)處于掉電保護模式之時，除存儲于RAM內(nèi)的記錄會得到保存之外，振蕩器將受到凍結(jié)，而單片機所有的工作也都將陷入到停止?fàn)顟B(tài)下，并就此一直保持至下一次中斷亦或是硬件復(fù)位方才結(jié)束。

2.串口電路

由于電腦的數(shù)據(jù)傳輸時所用電平（EIA）與單片機采用電平（TTL）不匹配，為解決其間的電平轉(zhuǎn)換問題，選用美信公司（MAXIM）公司所生產(chǎn)的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。將其同RS-232接口以及AT89S52單片機相連，令PC機的COM口與單片機的串行輸入端以及輸出端得以連接起來。

MAX232與AT89S52單片機，RS232連接情況分別如圖4與圖5所示。

MAX232的T1 IN引腳與R1 OUT引腳分別與AT89S52的串行輸入口線P3. 1TXD和串行輸入口線P3.0RXD建立連接。MAX232泵電源引腳與電容相連。

3.濕度測量電路設(shè)計

在整個電路的構(gòu)成當(dāng)中，HS1101電容傳感器可以被等效視為一只自身的電容值將和所在環(huán)境中相對濕度成正比的電容器件（即等效濕敏電容）。又為了能夠?qū)⒃撈骷碾娙莸淖兓烤珳?zhǔn)地轉(zhuǎn)化為容易被計算機所接收、統(tǒng)計的電信號形式，本系統(tǒng)選擇了把這個等效濕敏電容放置在555振蕩電路當(dāng)中的方法，然后便可以根據(jù)能夠直接為計算機所采集的電信號電壓頻率數(shù)值推算出其相應(yīng)的電容值變化值。

頻率輸出555測量振蕩電路如圖6所示。

M1（即HS1101濕度傳感器）的充電回路是由等效濕敏電容M1自身同集成電路555定時器的兩個外接式電阻R1、R3共同組成。與此同時，再依靠經(jīng)由定時器內(nèi)部晶體管所形成對地短路的7端得以組成對M1的放電回路。隨后再向片內(nèi)比較器接入相連接的引腳2、6端，從而最終形成一個方波發(fā)生器。此外，為了保護振蕩電路，以免因輸出短路造成不必要的損壞，特意設(shè)置R21作為電路的保護電阻。

555振蕩電路將會一直在兩個暫穩(wěn)態(tài)間保持不斷輪回，相互交替：首先經(jīng)由外接電阻R1、R3，由電源Vcc向HS1101充電，而在經(jīng)過一段時間（T1）的充電后，當(dāng)“電容”電壓Uc達(dá)到電源電壓Vcc的三分之二，與此同時也即是達(dá)到了比較器高觸發(fā)電平之時，由于正輸入端電壓同負(fù)輸入端電壓相比屬于較小一邊，因而最終得以令比較器的輸出引腳3端從高電平突降成低電平。而后“電容”將經(jīng)由R3進行放電，再通過一段時間（T2）的放電后，Uc下降到Vs的三分之一，也即降至比較器的低觸發(fā)電平之時，正、負(fù)輸入端電壓大小關(guān)系轉(zhuǎn)變，隨之又使得比較器的輸出引腳3端又由低電平突變成高電平。如此不斷重復(fù)充電、放電、充電……，最終形成方波輸出?？芍洹⒎烹姇r間分別為：

充電時間：T1=C*（R1+R3）*Ln2放電時間：T2=C*R3*Ln2

所以，可求的輸出方波頻率為：

F=1/（T1+T2）=1/[ C*（R1+2R3）*Ln2]

實現(xiàn)了通過HS1101濕度傳感器將空氣相對濕度變化在轉(zhuǎn)換為電容變化之后，再借助555振蕩電路將電容變化轉(zhuǎn)變電壓頻率變化，最終由所得電壓頻率推算出對應(yīng)空氣相對濕度的目的。

四、結(jié)語

針對目前軍械庫房溫濕度監(jiān)測存在的前述問題，本文所設(shè)計的系統(tǒng)利用DS18B20溫度傳感器與HS1101濕度傳感器來實現(xiàn)實時測量部隊軍械庫房的溫、濕度情況，而后再通過AT89S52單片機與PC機間的轉(zhuǎn)換與聯(lián)動，進而最終完成對于軍械庫房內(nèi)溫濕度情況的實時監(jiān)測的目的。整個設(shè)計實現(xiàn)了在低成本、低消耗、較高精度情況下對相關(guān)部隊軍械庫房溫濕度情況達(dá)成實時監(jiān)測的目標(biāo)，這對于有效地降低軍械庫房槍械、彈藥質(zhì)量下降的速度，進一步提高存放于軍械庫房內(nèi)槍械、彈藥應(yīng)有的效力具有十分積極的作用和意義。

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（作者簡介：韋亞旗，武警貴州總隊助理工程師，研究方向為電子信息工程和通信技術(shù)）