CN202018612U - 一种超导重力仪环境温湿度智能监控器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超导重力仪环境温湿度智能监控器，涉及超导重力仪监控装置。本实用新型的结构是：参考电压和控制处理器连接；湿度传感器、电阻支路和控制处理器依次连接；温度传感器、电容支路和控制处理器依次连接；控制处理器和字符显示器连接；控制处理器、RS-232通讯接口和计算机记录系统依次连接；设置键和选择键分别与控制处理器连接；控制处理器、第1驱动器、第1继电器和空调与除湿机依次连接；控制处理器、第2驱动器、第2继电器和超导重力仪依次连接；报警指示和报警器分别与第2继电器连接。本实用新型结构简单，操作方便，抗干扰能力强，具有较低的功耗；可全天候、连续实时提供对超导重力仪环境温、湿度的监测。

Description

一种超导重力仪环境温湿度智能监控器

技术领域

本实用新型涉及超导重力仪监控装置，尤其涉及一种超导重力仪环境温湿度智能监控器，可应用于测量、地震及其它部门。

背景技术

超导重力仪利用超导电流固有的稳定性，用磁悬浮替代了传统重力仪的机械弹簧悬挂，因而具有极高的灵敏度，是当今世界上精度最高的重力仪之一。它不仅可以用来检测和研究固体地球的潮汐、自由核章动、自由振荡、自转变化以及地壳的构造运动等地球动力学现象；还可以用来研究大气、海洋和地下水等各圈层的相互作用和重力场的耦合效应，为现代大地测量和空间测量技术提供观测基准。

由于超导重力仪所具有的高灵敏度，极易受到环境温度和湿度变化的影响，导致精度下降，难以满足科研工作的需要。

目前的超导重力仪，存在以下几个方面的问题：

1、不具备实时显示其环境温、湿度的能力；

2、不能在环境温、湿度超出用户设定范围时，自动进行声、光报警，提醒维护人员及时到达现场进行处理；

3、不能在环境温、湿度超出设定范围时，自动开启空调与除湿机，达到改善超导重力仪工作环境的目的；亦不能在温、湿度超出最大设定范围时，迅速切断超导重力仪的电源，达到保护超导重力仪的目的；

4、不能将超导重力仪的环境温、湿度数据输出到计算机记录系统加以存贮，以作为消除环境温、湿度对重力测量数据影响的数据改正之用。

发明内容

本实用新型的目的就在于克服现有技术存在的上述问题和不足，而提供一种超导重力仪环境温湿度智能监控器。

本实用新型的目的是这样实现的：

其一是采用传感器和微机技术，集监测、控制于一体，实现对超导重力仪环境温、湿度的实时显示和监控；

其二是在温、湿度超出设定范围时，开启空调与除湿机，达到改善超导重力仪工作环境的目的；在温、湿度超出最大设定范围时，可在声、光报警的同时，迅速切断超导重力仪的电源，达到保护超导重力仪的目的；

其三是将当前温、湿度的结果数据通过通讯接口，输出到计算机记录系统；

其四是结构简单、精度高、功耗低。

具体地说，本装置由湿度传感器，电阻支路，温度传感器，电容支路，控制处理器，第1、2驱动器，第1、2继电器，空调与除湿机，字符显示器，RS-232通讯接口，参考电压，设置键，选择键，计算机记录系统，超导重力仪，报警指示和报警器组成；

其连接关系是：

参考电压与控制处理器连接；

湿度传感器、电阻支路、控制处理器依次连接，与参考电压一道，获取湿度信息；

温度传感器、电容支路、控制处理器依次连接，与参考电压一道，获取温度信息；

控制处理器和字符显示器连接，显示湿度和温度；

控制处理器、RS-232通讯接口和计算机记录系统依次连接，记录湿度和温度的信息；

设置键和选择键分别与控制处理器连接，操作控制处理器；

控制处理器、第1驱动器、第1继电器和空调与除湿机依次连接，控制空调与除湿机；

控制处理器、第2驱动器、第2继电器和超导重力仪依次连接，控制超导重力仪；

报警指示和报警器分别与第2继电器连接，报警。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

1、装置采用单片微机控制，结构简单，操作方便，抗干扰能力强，具有较低的功耗；

2、可全天候、连续实时提供对超导重力仪环境温、湿度的监测；

3、装置还具有设置、切换能力，用户可通过键盘进行所测温度传感器的电阻值、湿度传感器的电容值以及它们所对应的当前环境温度、湿度等观测数据的显示切换以及报警阈值的设定；

4、装置还可在环境温、湿度超出设定范围时，自动进行声、光报警，提醒维护人员及时到达现场进行处理；

5、装置可以在温、湿度超出设定范围时，自动开启空调与除湿机，达到改善超导重力仪工作环境的目的；

6、装置可以在温、湿度超出最大报警阈值时，迅速切断超导重力仪的电源，达到保护超导重力仪的目的；

7、装置的RS-232通讯接口可以将超导重力仪环境的温、湿度数据，经由串行通讯电缆，输出到计算机记录系统存贮，作为今后分析研究之用；

8、装置利用控制处理器内置的精确模拟比较器用于检测温、湿度信号的模/数转换，不仅省去了通常所需要的A/D 转换器，以及必须相应配置的调理电路，降低了成本，减小了装置的体积，也使得控制变得容易，资源的占用减至最少；

9、装置将字符显示器传统的8位数据传输方式改为4位传输，减少了口线资源的占用，使线路得以减化。

10、装置除了将继电器输出与超导重力仪、空调与除湿机的电源线连接之外，无须对原有的超导重力仪系统进行任何改动，具有推广应用价值。

附图说明

图1是本实用新型的结构方框图；

图2是本实用新型的电路原理图。

其中：

1—湿度传感器；

2—电阻支路；

3—温度传感器；

4—电容支路；

5—控制处理器；

6、9—第1、2驱动器；

7、10—第1、2继电器；

8—空调与除湿机；

11—字符显示器；

12—RS-232通讯接口；

13—参考电压；

14—设置键；

15—选择键；

16—计算机记录系统；

18—超导重力仪；

19—报警指示；

20—报警器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明。

一、总体

由图1可知，本实用新型由湿度传感器1，电阻支路2，温度传感器3，电容支路4，控制处理器5，第1、2驱动器6、9，第1、2继电器7、10，空调与除湿机8，字符显示器11，RS-232通讯接口12，参考电压13，设置键14，选择键15，计算机记录系统16，超导重力仪18，报警指示19和报警器20组成；

其连接关系是：

参考电压13与控制处理器5连接；

湿度传感器1、电阻支路2、控制处理器5依次连接，与参考电压13一道，获取湿度信息；

温度传感器3、电容支路4、控制处理器5依次连接，与参考电压13一道，获取温度信息；

控制处理器5和字符显示器11连接，显示湿度和温度；

控制处理器5、RS-232通讯接口12和计算机记录系统16依次连接，记录湿度和温度的信息；

设置键14和选择键15分别与控制处理器5连接，操作控制处理器5；

控制处理器5、第1驱动器6、第1继电器7和空调与除湿机8依次连接，控制空调与除湿机8；

控制处理器5、第2驱动器9、第2继电器10和超导重力仪18依次连接，控制超导重力仪18；

报警指示19和报警器20分别与第2继电器10连接，报警。

本实用新型的工作原理是：利用控制处理器5内置的两个精确模拟比较器分别用于检测超导重力仪环境温、湿度信号的模/数转换，通过读取其定时器所计时的温、湿度传感器所在充放电路的充电时间，来获取当前环境温、湿度的结果数据。这不仅省去了通常所需要的A/D 转换器以及必须相应配置的调理电路，降低了成本，减小了装置的体积，也使得控制变得容易，资源的占用减至最少。

在完成上电自检后，湿度传感器1与电阻支路 2组成的充放电路，温度传感器3与电容支路4组成的充放电路，分别开始自动充电，与此同时控制处理器5的定时器开始计时。当充电电压达到参考电压，内置的比较器输出端出现上升沿的瞬间，控制处理器5立即从定时器中读取充电时间。根据充电时间与所测环境温、湿度的关系，进行相应的计算处理，即可获得当前环境温、湿度的结果数据。控制处理器5一方面将获得的温、湿度的结果数据提取出来，转换为ASCⅡ码，以数字显示的方式在字符显示器11上加以显示，连续实时提供高精度的环境温、湿度信息；同时，还通过RS-232通讯接口12，将当前环境温、湿度的结果数据以9600baud的波特率输出串行数据，提供给计算机记录系统16，作为今后分析研究之用。另一方面，还定时与用户通过设置键14所设定的报警阈值进行比较,若发现温度或湿度超出设定的范围，即通过继电器7控制，启动空调与除湿机8，达到改善超导重力仪工作环境的目的；一旦发现温度或湿度超出设定的最大报警阈值，则通过继电器10控制，在报警器20、报警指示19声、光报警的同时，迅速切断超导重力仪18的电源，达到保护超导重力仪的目的。

二、功能块

图2是和图1对应的电路原理图。

* 湿度传感器1

湿度传感器1选用PHILIPS公司的高分子湿敏电容式湿度传感器。

* 温度传感器3

温度传感器3选用Honeywell公司的TD5A电阻式温度传感器。

* 控制处理器5

控制处理器5选用PHILIPS公司的P87LPC762及其配套电路，它是整个系统处理、操作和控制的中心，一切信号的接收、存贮、显示和控制均在它的监控之下进行。P87LPC762内置的2个模拟比较器分别用于环境温、湿度检测信号的A/D转换。

控制处理器5的内部存贮器分为程序和数据存贮器两部分。其中，管理、监控程序存放于程序存贮器中，中间结果数据存放于数据存贮器中。

SS1晶体振荡器与电容C3、C4组成12MHz的晶体振荡电路，与控制处理器5的X1、X2引脚相连构成内部振荡方式，用来提供控制处理器5内各种微操作的时间基准。

电容C5、电阻R5构成自动上电复位电路，使装置从0000H地址单元开始执行监控程序。

* 第1、2驱动器6、9和第1、2继电器7、10

第1驱动器6和第1继电器7的结构是：隔直电容C0与三极管N1的基极相连，三极管N1的发射极与三极管N2的基极相连，三极管N2的发射极与地相连；+5V电源与继电器7的REL1线圈绕组的一端相连，REL1线圈绕组的另一端与三极管N1、 N2的集电极相连；偏置电阻R0为复合三极管N1与N2提供偏置电压。

第2驱动器9和第2继电器10的结构是：隔直电容C1与三极管N3的基极相连，三极管N3的发射极与三极管N4的基极相连，三极管N4的发射极与地相连；+5V电源与继电器10的REL2线圈绕组的一端相连，REL2线圈绕组的另一端与三极管N3、 N4的集电极相连；偏置电阻R10为复合三极管N3与N4提供偏置电压。

二极管D1与第1继电器7的REL1线圈绕组相并连，二极管D2与第2继电器10的REL2线圈绕组相并连，防止反相过冲电流，分别为REL1、REL2线圈绕组提供保护。

电感L的一端与电容C9的正端和REL2-1的一端相连，L的另一端与电容C8以及+5V电源相连；C8、C9的负端与地相连。

在三极管N1、N2共同构成的复合三极管导通时，+5V电源为REL1线圈绕组供电；在三极管N3、N4共同构成的复合三极管导通时，+5V电源为REL2线圈绕组供电；R6为报警指示19提供分流保护；电感L、电容C8、C9共同构成+5V电源的滤波电路，平滑报警器20间歇发声时形成的干扰。

REL1触点平时处于断开状态，220V的交流电压没有接入，空调与除湿机8不工作；REL2-1触点平时处于闭合状态，使220V的交流电压能够加在超导重力仪18的电源线上，超导重力仪正常工作；常开触点REL2-2处于断开状态，无电流通过报警器20与报警指示19（红色发光二极管 L2），报警器20不发声示警，报警指示19不闪烁。

当控制处理器5查询到温度或湿度超出设定的报警阈值，则通过P1.4脚，输出高电平，经驱动器6的电容C0和三极管N1、N2驱动继电器7的REL1，使其常开触点闭合，220V的交流电压接入，启动空调与除湿机8，达到改善超导重力仪工作环境的目的。

一旦控制处理器5查询到温度或湿度超出设定的最大报警阈值，则通过P1.3脚，输出高电平，经电容C1和三极管N3、N4驱动继电器10的REL2，使其常闭触点REL2-1处于断开状态，迅速切断超导重力仪18的电源，达到保护超导重力仪的目的；同时常开触点REL2-2闭合，+5V电压接入，报警器20间歇发声示警，报警指示19闪烁。

* 空调与除湿机8

空调与除湿机8为常用产品。

* 字符显示器11

字符显示器11选用OPTREX公司的DMC16230。

将字符显示器11传统的8位数据传输方式改为4位传输，即控制处理器5在4位数据总线形式下，按照先传输高4位再传输低4位的顺序，分两次向字符显示器11发送8位指令代码或数据,减少了控制处理器5有限的可供编程的I/O口线资源的占用，使线路得以减化。字符显示器11的4位并行数据总线直接与控制处理器5的P11、P12、P16、P17脚联接；而P03、P06、P07脚分别接入字符显示器11的使能E、读/写选择R/W、指令/数据寄存器选择RS信号线。背景光开关S4合上时，5V电压加至字符显示器11的背光照明源，令其发光，使装置能在弱光或黑暗的条件下使用。

由于控制处理器5输出的串行数据是0-5V的TTL电平，而计算机记录系统16配置的是RS-232C标准的串行接口，二者的电气规范不一致，不能直接进行通讯。为此，增设了串行收发器MAX202，由控制处理器5的串行口TXD输出端，通过收发器实现装置与计算机记录系统的异步串行通讯。

* RS-232通讯接口12

RS-232通讯接口12选用MAX公司的MAX202。

* 参考电压13、电阻支路2和电容支路4

R3和R4分压+5V电压，生成的参考电压加到控制处理器5模拟比较器的反相输入端CMP；由作为湿敏电容式湿度传感器1的电容CT与电阻R1、R11构成的电阻支路2共同组成充放电路，其输出端连至模拟比较器的正相输入端CIN1；由作为电阻式温度传感器3的电阻RT和电阻R2、电容C2构成的电容支路4共同组成另一充放电路，其输出端连至模拟比较器的正相输入端CIN2。检测开始时，湿度传感器1和温度传感器3各自所在的充放电路分别开始充电；与此同时，P87LPC762定时器开始计时。当充电电压达到参考电压、比较器输出端出现上升沿的瞬间，分别从定时器中读取R11CT或RTC2的充电时间。根据充电时间与所测湿度、温度的关系，P87LPC762进行相应的计算处理，即可分别获得当前温、湿度的结果数据。

* 设置键14

设置键14接入控制处理器5的P0.1脚，在按键按下时触发其对应的中断，在字符显示器11屏幕菜单的提示下，由用户依次输入：温、湿度的报警阈值。

* 选择键15

选择键15接入控制处理器5的P0.0脚，在按键按下时触发其中断，在字符显示器11屏幕菜单的提示下，采用翻页方式，依次实时显示：温度传感器的电阻值、湿度传感器的电容值以及对应的环境温度与湿度信息。

* 计算机记录系统16

计算机记录系统16为常用产品。

* 超导重力仪18

超导重力仪18是本系统的工作对象。

* 报警指示19、报警器20

报警指示19和报警器20的结构是：电阻R6与发光二极管 L2相并连，它们的一端与报警器20的一端相连，另一端与报警开关S3相连；电阻R7一端与报警开关S3相连，其另一端与发光二极管 L3相连，L3的另一端与地相连。报警器20另一端与继电器REL2-2相连。

报警开关S3同时控制报警器20和作为报警开关指示的黄色发光二极管 L3。当它合上时，报警开关指示L3的+5V供电接入，黄色发光二极管 L3发光，表示报警开关S3合上。当开关S3断开时，由于切断了报警器20的电流通路以及报警开关指示L3的+5V供电，即便此刻温度或湿度超出设定的报警阈值，继电器10常开触点REL2-2闭合，也不会有电流通过报警器20，报警器20不发声示警；此时发光二极管 L3也不发光，不致对维护人员的工作形成干扰。

三、工作程序

根据以上设计原理，本实用新型采用以下程序：

1、主程序：

主程序的功能是对各接口进行初始化：设置字符显示器11与控制处理器5串行端口的工作方式、键盘中断方式以及给堆栈、数据存贮单元和标志单元预置初值等。在完成上电自检后，读取标志单元中的当前页号，装入并显示相应的页内容。通过控制处理器5相关的I/O口线，控制充放电路充电、定时器计时过程，根据充电时间与所测温、湿度的电阻、电容的关系，控制处理器进行相应的计算处理，在获得当前所测温、湿度的计数值以后，通过查表方式，将预置在数据存贮单元中对应的环境温、湿度结果数据提取出来，转换为ASCⅡ码，在字符显示器11上加以显示；并通过RS-232通讯接口12输出串行数据，然后对充放电路放电，为下一轮的检测进行准备。

程序根据设置键所确定的报警阈值, 定时与当前所测环境温、湿度结果数据进行比较，当查询发现超过报警阈值，则通过继电器7控制，启动空调与除湿机8，改善超导重力仪工作环境状态；一旦发现超过最大报警阈值，则通过继电器10控制，在使报警指示19闪烁，报警器20间歇发声的同时，迅速切断超导重力仪18的电源，达到保护超导重力仪的目的；与此同时，字符显示器11闪烁显示“告警！温度（或湿度）超出最大设定值！”的提示信息。只有在当前温度（或湿度）的结果数据低于报警阈值后，控制处理器5方才退出报警状态。重又返回上述过程。

当接收到设置键14或选择键15发出中断请求时，控制处理器5将停止执行主程序转而去执行中断子程序。在子程序结束后，方又回到原来执行的主程序继续工作。主程序采用模块结构，各模块之间互相独立。

2、中断服务程序：

通过设置控制处理器5内部所带有的多键盘组合的KBI寄存器，使设置键14或选择键15被按下时，分别触发各自对应的中断，进入本中断服务程序，在关中断、保护现场后，根据设置键14或选择键15当前所设定的状态，替换掉原来的页号，从数据存贮器中取出与新页号相对应的页内容，以便在主程序中进行所测温度传感器的电阻值、湿度传感器的电容值以及它们所对应的当前环境温度、湿度等观测数据的显示切换或者报警阈值的设定。

在开中断、恢复现场后，执行RETI指令，中断返回到主程序。

Claims (5)

1.一种超导重力仪环境温湿度智能监控器，其特征在于：

由湿度传感器（1），电阻支路（2），温度传感器（3），电容支路（4），控制处理器（5），第1、2驱动器（6、9），第1、2继电器（7、10），空调与除湿机（8），字符显示器（11），RS-232通讯接口（12），参考电压（13），设置键（14），选择键（15），计算机记录系统（16），超导重力仪（18），报警指示（19）和报警器（20）组成；

其连接关系是：

参考电压（13）与控制处理器（5）连接；

湿度传感器（1）、电阻支路（2）和控制处理器（5）依次连接；

温度传感器（3）、电容支路（4）和控制处理器（5）依次连接；

控制处理器（5）和字符显示器（11）连接；

控制处理器（5）、RS-232通讯接口（12）和计算机记录系统（16）依次连接；

设置键（14）和选择键（15）分别与控制处理器（5）连接；

控制处理器（5）、第1驱动器（6）、第1继电器（7）和空调与除湿机（8）依次连接；

控制处理器（5）、第2驱动器（9）、第2继电器（10）和超导重力仪（18）依次连接；

报警指示（19）和报警器（20）分别与第2继电器（10）连接。

2.按权利要求１所述的超导重力仪环境温湿度智能监控器，其特征在于：

控制处理器（5）选用PHILIPS公司的P87LPC762及其配套电路。

3.按权利要求１所述的超导重力仪环境温湿度智能监控器，其特征在于：

第1驱动器6和第1继电器7的结构是：隔直电容C0 与三极管N1的基极相连，三极管N1的发射极与三极管N2的基极相连，三极管N2的发射极与地相连；+5V电源与继电器（7）的REL1 线圈绕组的一端相连，REL1线圈绕组的另一端与三极管N1、 N2的集电极相连；偏置电阻R0为复合三极管N1与N2提供偏置电压；         

第2驱动器（9）和第2继电器（10）的结构是：隔直电容C1 与三极管N3的基极相连，三极管N3的发射极与三极管N4的基极相连，三极管N4的发射极与地相连；+5V电源与继电器（10）的REL2线圈绕组的一端相连，REL2线圈绕组的另一端与三极管N3、 N4的集电极相连；偏置电阻R10为复合三极管N3与N4提供偏置电压。

4.按权利要求１所述的超导重力仪环境温湿度智能监控器，其特征在于参考电压(13)、电阻支路（2）和电容支路（4）是：

R3和R4分压+5V电压，生成的参考电压加到控制处理器（5）模拟比较器的反相输入端CMP；由作为湿敏电容式湿度传感器（1）的电容CT与电阻R1、R11构成的电阻支路（2）共同组成充放电路，其输出端连至模拟比较器的正相输入端CIN1；由作为电阻式温度传感器（3）的电阻RT和电阻R2、电容C2构成的电容支路（4）共同组成另一充放电路，其输出端连至模拟比较器的正相输入端CIN2。

5.按权利要求１所述的超导重力仪环境温湿度智能监控器，其特征在于报警指示（19）、报警器（20）：

电阻R6与发光二极管 L2相并连，它们的一端与报警器（20）的一端相连，另一端与报警开关S3相连；电阻R7一端与报警开关S3相连，其另一端与发光二极管 L3相连，L3的另一端与地相连，报警器（20）另一端与继电器REL2-2相连。

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