基于JJF1101-2003的溫度智能采集系統(tǒng)

陶進(jìn)，李丹丹，陶承，張新林，羅維娜，鄒博強(qiáng)

(1.江西省計(jì)量測試研究院，江西南昌330022;2.南昌工學(xué)院，江西南昌330108)

0 引言

在培養(yǎng)箱、養(yǎng)護(hù)室(15～40℃)溫度計(jì)量工作中，按照J(rèn)JF 1101-2003《環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范》(以下簡稱規(guī)范)的技術(shù)要求，當(dāng)設(shè)備容積小于2 m3時(shí)，溫度測試點(diǎn)為9個，當(dāng)容積大于2 m3時(shí)，溫度測試點(diǎn)為15個;當(dāng)設(shè)備溫度穩(wěn)定后開始讀數(shù)，每2 min紀(jì)錄所有傳感器溫度一次，30 min內(nèi)共記錄15次［1］。一臺設(shè)備容積小于2 m3時(shí)需手寫記錄原始數(shù)據(jù)156個，大于2 m3時(shí)一臺設(shè)備共需手寫記錄原始數(shù)據(jù)256個。工作效率低下，大量原始記錄手寫出錯率較高。采用溫度智能采集系統(tǒng)可以自動將原始數(shù)據(jù)紀(jì)錄并保存至規(guī)范所要求的模板中，自動計(jì)算出規(guī)范所要求的溫度偏差，溫度波動度，溫度均勻度等參數(shù)，一名檢定員可同時(shí)操作多臺設(shè)備，檢定多臺儀器，避免手寫記錄耗費(fèi)的時(shí)間和數(shù)據(jù)出錯率，大大提高工作效率，保證計(jì)量工作的準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)硬件

溫度智能采集系統(tǒng)硬件是由溫度檢測采集電路、LCD1602溫度顯示電路、MCU控制電路、串口上下位機(jī)通訊電路等電路組成。

系統(tǒng)工作原理如下:

1)將9個DS18b20溫度傳感器布放在被校準(zhǔn)設(shè)備的工作室內(nèi)的三個校準(zhǔn)面上。中層為通過工作室?guī)缀沃行牡钠叫杏诘酌娴男?zhǔn)工作面，測試點(diǎn)與工作室內(nèi)壁的距離不小于各邊長的1/10，遇風(fēng)道時(shí)，此距離可加大，但不能大于500 mm，如果被校準(zhǔn)設(shè)備帶有樣品架或樣品車時(shí)，下層測試點(diǎn)可布放在樣品架或樣品車上方10 mm處［1］。圖1為9個傳感器在工作室內(nèi)上、中、下三層所布位置圖。

2)當(dāng)被校準(zhǔn)設(shè)備達(dá)到需校準(zhǔn)溫度點(diǎn)，并且穩(wěn)定后開始讀數(shù)，9個傳感器通過MCU端口依次向MCU傳輸溫度數(shù)據(jù)，MCU將數(shù)據(jù)傳送給LCD顯示屏和串口。

3)上位機(jī)電腦同步向串口讀取9個溫度傳感器的溫度值，并生成原始記錄。

圖1 工作室內(nèi)上、中、下三層布位圖

2 系統(tǒng)軟件

溫度智能采集系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)電腦接收處理數(shù)據(jù)程序和下位機(jī)MCU采集并通過串口發(fā)送程序兩部分。系統(tǒng)軟件邏輯總圖如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)總圖

2.1 上位機(jī)軟件模塊

上位機(jī)軟件模塊由Python語言編寫，待下位機(jī)溫度穩(wěn)定20 min后，上位機(jī)調(diào)用Python語言中import serial模塊從串口［2］依次讀取9個溫度傳感器的數(shù)據(jù)，2 min讀一次，循環(huán)15次，并保存至規(guī)程規(guī)定的原始記錄表格中。參照規(guī)范技術(shù)要求計(jì)算出溫度偏差、溫度波動度、溫度均勻度。計(jì)算出各項(xiàng)參數(shù)后，并自動保存至指定路徑的word文檔中，等待自動打印。

1)溫度偏差計(jì)算［1］:

式中:Δtd為溫度偏差，℃;td為中心點(diǎn)n次測量的平均值，℃;to為設(shè)備顯示溫度平均值，℃。

使用Python語言中raw_input函數(shù)［3］輸入設(shè)備當(dāng)前顯示值to，然后將30min中(2 min采一次樣)所測得的中心點(diǎn)溫度求平均值得到td，按照公式(1)，求出溫度偏差Δtd。

2)溫度均勻度計(jì)算［1］:

式中:Δtu為溫度均勻度，℃;n為測量次數(shù);timax為各校準(zhǔn)點(diǎn)第i次測得的最高溫度，℃;timin為各校準(zhǔn)點(diǎn)第i次測得的最底溫度，℃。

調(diào)用Python語言中column.max()、column.min()函數(shù)［3］查找出每行最大值、最小值，并將每行最大、最小值，分別求差得15個差值，15個差值求平均值得到溫度均勻度Δtu。

3)溫度波動度計(jì)算［1］

式中:Δtf為溫度波動度，℃;tomax為中心點(diǎn)的最高溫度，℃;tomin為中心點(diǎn)的最底溫度，℃。

調(diào)用Python語言中row［5］.max()，row［5］.min()函數(shù)［3］查找出5號中心點(diǎn)的溫度最大、最小值，求差除以2得溫度均勻度Δtf。

2.2 下位機(jī)軟件模塊

3 結(jié)語

人工智能已成為取代重復(fù)人工勞動力的發(fā)展趨勢，其智能化、精確化被各個行業(yè)包括計(jì)量行業(yè)所關(guān)注和重視。基于國家檢定校準(zhǔn)規(guī)程的智能計(jì)量、研發(fā)計(jì)量是計(jì)量工作者新的研究目標(biāo)，基于規(guī)范的溫度智能采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動采集原始數(shù)據(jù)，大大減少了溫度采集過程中由于檢定員疏忽帶來的錯誤，提高了工作效率，保證計(jì)量工作的嚴(yán)謹(jǐn)性。

［1］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督商.JJF 1101-2003環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)量出版社，2003.

［2］李茂.Python硬件編程實(shí)戰(zhàn)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2015:21-33.

［3］Wesley J Chun.Python核心編程［M］.北京:人民郵電出版社，2008:41-76.

［4］張毅剛.單片機(jī)原理及接口技術(shù)(C51編程)［M］.北京:人民郵電出版社，2011:32-40.

［5］胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)［M］.3版北京:清華大學(xué)出版社，2010:18-22.