关于改进军械库房温湿度监测系统方法的研究

摘要：本文针对传统温、湿度监测方法的不足，提出并设计了以温、湿度传感器作为测量手段，运用单片机与PC机对测量结果加以显示及记录的温湿度监测系统。用以实现在低成本、低消耗、较高精度情况下对军械库房温湿度情况的实时监测，进而达成对库存枪械、弹药有效保管及质量保证之目的。

关键词：枪弹存放；温湿度；实时；监测系统

一、问题的提出

（一）课题研究的意义及背景

对于存放枪械弹药的军械库房而言，时刻保持对库房温、湿度的监控，确保其处于适宜的范围，避免因受不符合标准的温、湿度环境影响使得库存的枪械、弹药寿命消减乃至变质失效一直以来都是军械库房管理工作的重点。传统的温湿度监测方法之所以难以取得令人满意的效果，主要是测量结果精度相对较低、耗时相对较长，同时测量所得数据不能实时地向上反馈，容易导致调控不及时，从而造成不必要的损失。因此可以说，传统的测量方法，已经难以满足随着时代发展而日益增长的部队军械库房温、湿度环境管理需求。

枪械、弹药一般自生产出厂后到部队训练或作战使用前，均主要存放于军械库房之中。因此，如何在长期的存储过程中确保所存储枪械、弹药的质量，确保其在使用时能充分发挥应有效能，一直是军械库房管理工作的重要内容。通过对枪械、弹药质量下降原因的分析，我们不难发现，其质量下降的速度除受到其内在因素的影响外，外在因素——军械库房的储存条件的优劣也起着至关重要的作用。而在诸多影响枪械、弹药存储状况，最终导致其质量发生变化的外界因素之中，军械库房内的温、湿度情况毫无疑问是起决定性作用的关键所在。

对于主体包括钢铁、铝及其合金材质的枪械与主体是包含钢铁、铜、铝及其合金在内的各式金属的弹药元件而言，因温、湿度不适所造成的最主要影响是使得金属锈蚀，从而严重损害到枪械与弹药的安全性及其可靠性；而对于枪械构成中的木质组件和弹药中包括火药、布、纸质等在内的弹药部件，在不适宜温、湿度环境的影响下造成受潮、霉烂变质等情况，也会使得枪械及弹药的安全性以及可靠性遭受到严重损害。

要优化军械库温、湿度的监测，前提就是要了解和掌握军械库房的适宜温度及相对湿度的情况。结合温、湿度导致枪械与弹药质量下降的原因并查阅相关资料，再经过反复试验。结果证明：为保证长期库存的枪械、弹药能保持良好的技术状态，军械库房应保持的适宜温度为5～20℃，适宜相对湿度为55%～65%RH。

（二）温、湿度监测的发展及趋势

对于温、湿度测量的需求，很早就已经出现在了我们的生产生活活动中。而且，伴随着科学技术水平的飞速发展，温、湿度测量的方法、手段亦在不断革新。到了近现代，各式各样的温、湿度监测仪器先后得以问世。

早在16世纪时，意大利著名科学家伽利略就利用物体热胀冷缩的原理，研发了温度测量仪表。到了18—20世纪，又先后有如华氏温度计、水银温度计以及销电阻温度计等一批测温仪器相继诞生于世。紧随其后，包含光学温度计、辐射温度计以及晶体管温度计，光纤温度计在内的多种测温仪器也先后面世。至21世纪后，在飞速发展的电子技术的推动下，各类温度傳感器逐渐走上了温度测量的主舞台。

根据温度传感器测量之时是否需要保证同被测物体或介质进行接触而划分为接触式与非接触式两大类：其中相对较为常见的接触式测温法要求在实行测量之时，传感器应当同被测对象保证充分接触，例如：热色测温、膨胀式测温以及电量式测温等均是所属于接触式测温方法的其中一员；相应的，如：声波法测温、激光干涉式测温、光谱法测温、辐射式测温等则归属于非接触式测温法。

（三）传感器的发展及趋势

传感器是用以获取信息的工具，同时传感与控制技术、通信技术以及计算机技术更是被并称为是信息技术三大支柱。自工业革命以来，机器劳动逐渐取代人力劳动，为实时地测量并控制机器，可以将各类被测信息检测并将之转化为便于传输、处理、记录、显示和控制的各类信号的传感器随之孕育而生。根据国家标准GB/T7665—2005，在《传感器通用术语》一书之中将传感器定义成：是能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

传感器组成情况如图1所示。

传感器技术是一门经多学科交叉融合而产生的现代科学与工程技术，是一门囊括了传感器设计、开发、生产、检测、应用等多项活动在内的综合性技术，其具有内容的离散性、知识的密集性、技术的复杂性、品种的多样性以及用途的广泛性等特点。

对于大规模集成电路技术已然得到飞速发展同时高速计算机也得以广泛普及的当今时代，传感器同样也拥有了更高的地位与更大的作用。

二、温湿度监测方法的研究

（一）温度监测方法及对比

1.水银温度计

水银温度计是膨胀式温度计的一种，常用的水银温度计，一般是由一个盛装有水银在内的玻璃泡、温标、刻度和毛细管所共同组成。受到水银的物理特性（凝固点、沸点）影响，其测量温度范围为-39～357℃。它具有使用方便，测量结果直观易懂，且不受外部远传温度计误差影响的优点。

使用水银温度计，要注意在事前必须先要认清其量程，而后确认其最小分度值。据此结合被测量物体预计温度情况，来为之选择适宜的温度计。使用水银温度计测量温度，是利用了其具有热惯性的原理，当温度计状态稳定后，以目光直视温度凸液面最低处切线的方式数据。

此外对于最主要的是依靠如水银、酒精等作为感应液体来进行温度测量的普通温度表，其测量所得的数据结果普遍依靠人工记录并上报，难以实时地向上传输，导致上级不能得以实时回应，因而不易做到及时调节、时刻保证库房适宜的温度环境。

2. AD590温度传感器

AD590温度传感器，是一款由美国亚德诺公司（ADI）所研制开发的高集成电流型温度传感器芯片，在其芯片内部即已经集成囊括了温度传感部分、放大电路、驱动电路以及信号处理电路等。由于令单片集成两端感温电流源，因而芯片绝对温度同输出电流成正比。最终在先完成对于输出电流的测量之后，进而便可以据结果推算出相应温度值。将绝对温度零度（-273℃）作为基准之时，其输出电流计为0，每当其温度向上升高1℃，对应其输出电流也将会随之增加1μA。

由于AD590测量所得数据需经A/D转换，要求须与高精度ADC配合使用，且需要校准，同时工作电路较为复杂，成本也相对较高，精确度相对较低，并且对线阻有特定要求，因此使用相对较为不便，性价相对也比较低。

（二）湿度监测方法及对比

1.干湿球湿度表

拥有着悠久历史传承的干湿球测湿度法早在18世纪之时便已经服务于湿度的测量，时至今日仍被广泛使用。其主要原理：因为湿球表面纱布上的水分随时间流逝而不断蒸发，并且在蒸发的同时将不停地从周围环境中吸收热量，进而造成湿球的温度也随之降低。空气干燥时，水分蒸发速度快，同时吸收的热量就更多，使得湿球温度也就越低，干球与湿球温度的差数也随之拉大；反之，周围空气湿润时，湿球表面纱布里水分蒸发的速度将减慢，吸收的热量将随之减少，使得湿球温度下降幅度变小，干球与湿球温度的差数也会因此减小。唯有在湿球表面空气所含水汽已经达到了饱和之时，湿球表面水分会相对停止蒸发（即保持了相对动态平衡），在此时干球与湿球之间的温差即为零。最终借由干湿球间的温度差数，便能够测算出此时空气中的相对湿度情况。

2.毛发湿度表

与干湿球法相似历史情况的，还有毛发测湿法。早在18世纪80年代初，瑞士人德索修尔便已研发出了首套毛发湿度表。其主要利用的是人发作为感应元件：将属于纤维组织，有许多细毛孔的人的头发，经过脱脂处理之后，利用其长度将会随着空气相对湿度的变化而变化的性质，伴随着空气相对湿度的增大，毛细孔内的水分也跟着增加，最终使得纤维组织也随之伸长；反之，在空气相对湿度减小的时侯，纤维组织就将因毛孔内水分的减少而收缩。

毛发湿度计缺点在于：湿度计显示的度数往往落后于湿度的实际变化，其滞后系数受到包括温度、相对湿度和风速在内的诸多因素影响，并非常数。为减小滞后，毛发湿度表所用毛发需要进行脱脂与滚压处理。且存在低湿瘫痪的风险，不宜在低湿情况下长时间存放。此外毛发湿度计各部位零件均要求保持清洁，毛发不得用手去触碰，更不能擦拭。

以上介绍的两种湿度测量技术均有着悠久的历史，历经实践的检验具有各自的优点，至今仍在大量的库房湿度测量中被使用。但是其测量耗时相对较长，测量结果精度较低，误差较大，数据结果难以实时上传，无法满足现代条件下军械库房湿度实时监测的需要。

三、监测系统硬件的设计

（一）整体硬件结构及联接图

本论文所设计系统的硬件结构主要包括以下部分：温度检测（DS18B20温度传感器）、湿度检测（HS1101湿度传感器）、单片机（AT89S52）及其附属电路、报警电路、通信串口、PC机等。

本文所设计系统总体电路图如图2所示。

（二）系统部分主要硬件的功能介紹及结构图

1.单片机的选择

经过比对，本系统最终决定选用了由美国爱特梅尔（ATMEL）公司运用了其高密度非易失性存储器技术所制造而成的AT89S52单片机来作为其主控芯片。AT89S52单片机是一款性能卓越并且还相当节能的CMOS8位微控制器，其最大运行频率达到33MHz，此外，还拥有8K字节的可编程闪存。

其指令同引脚不但与工业类80C51产品得以实现完全兼容，与此同时也还能够与MCS-51系列单片机产品实现兼容。其片上的Flash允许程序存储器既能够适用于常规编程器，同时也能够进行在系统可编程。其所具有的灵巧的8位CPU连同在系统可编程Flash一道，最终让其得以成为了令众多嵌入式控制应用系统能够同时兼具灵活与有效两大特性的解决方案之中至关重要的一环。

AT89S52单片机实物照图如图3（a）所示，简单引脚图如图3（b）所示。

AT89S52的工作电压范围为4～5.5V，并还拥有着一个6向量2级中断结构，双数据指针，三个16位定时器/计数器，8k字节Flash，32个可编程I/O口线，256字节片内数据存储器，看门狗定时器，全双工串行通道，片内晶振以及时钟电路。除此而外，其不仅能够进行0～33Hz的全静态操作，并且还能够支持一种以上的软件可选择节电模式。

当其处于空闲模式之时，其CPU将会自动地指令其停止工作，然而此时允许RAM、定时器/计数器、串口以及中断等却仍将保持继续进行工作。当处于掉电保护模式之时，除存储于RAM内的记录会得到保存之外，振荡器将受到冻结，而单片机所有的工作也都将陷入到停止状态下，并就此一直保持至下一次中断亦或是硬件复位方才结束。

2.串口电路

由于电脑的数据传输时所用电平（EIA）与单片机采用电平（TTL）不匹配，为解决其间的电平转换问题，选用美信公司（MAXIM）公司所生产的MAX232电平转换芯片。将其同RS-232接口以及AT89S52单片机相连，令PC机的COM口与单片机的串行输入端以及输出端得以连接起来。

MAX232与AT89S52单片机，RS232连接情况分别如图4与图5所示。

MAX232的T1 IN引脚与R1 OUT引脚分别与AT89S52的串行输入口线P3. 1TXD和串行输入口线P3.0RXD建立连接。MAX232泵电源引脚与电容相连。

3.湿度测量电路设计

在整个电路的构成当中，HS1101电容传感器可以被等效视为一只自身的电容值将和所在环境中相对湿度成正比的电容器件（即等效湿敏电容）。又为了能够将该器件的电容的变化量精准地转化为容易被计算机所接收、统计的电信号形式，本系统选择了把这个等效湿敏电容放置在555振荡电路当中的方法，然后便可以根据能够直接为计算机所采集的电信号电压频率数值推算出其相应的电容值变化值。

频率输出555测量振荡电路如图6所示。

M1（即HS1101湿度传感器）的充电回路是由等效湿敏电容M1自身同集成电路555定时器的两个外接式电阻R1、R3共同组成。与此同时，再依靠经由定时器内部晶体管所形成对地短路的7端得以组成对M1的放电回路。随后再向片内比较器接入相连接的引脚2、6端，从而最终形成一个方波发生器。此外，为了保护振荡电路，以免因输出短路造成不必要的损坏，特意设置R21作为电路的保护电阻。

555振荡电路将会一直在两个暂稳态间保持不断轮回，相互交替：首先经由外接电阻R1、R3，由电源Vcc向HS1101充电，而在经过一段时间（T1）的充电后，当“电容”电压Uc达到电源电压Vcc的三分之二，与此同时也即是达到了比较器高触发电平之时，由于正输入端电压同负输入端电压相比属于较小一边，因而最终得以令比较器的输出引脚3端从高电平突降成低电平。而后“电容”将经由R3进行放电，再通过一段时间（T2）的放电后，Uc下降到Vs的三分之一，也即降至比较器的低触发电平之时，正、负输入端电压大小关系转变，随之又使得比较器的输出引脚3端又由低电平突变成高电平。如此不断重复充电、放电、充电……，最终形成方波输出。可知充、放电时间分别为：

充电时间：T1=C*（R1+R3）*Ln2放电时间：T2=C*R3*Ln2

所以，可求的输出方波频率为：

F=1/（T1+T2）=1/[ C*（R1+2R3）*Ln2]

实现了通过HS1101湿度传感器将空气相对湿度变化在转换为电容变化之后，再借助555振荡电路将电容变化转变电压频率变化，最终由所得电压频率推算出对应空气相对湿度的目的。

四、结语

针对目前军械库房温湿度监测存在的前述问题，本文所設计的系统利用DS18B20温度传感器与HS1101湿度传感器来实现实时测量部队军械库房的温、湿度情况，而后再通过AT89S52单片机与PC机间的转换与联动，进而最终完成对于军械库房内温湿度情况的实时监测的目的。整个设计实现了在低成本、低消耗、较高精度情况下对相关部队军械库房温湿度情况达成实时监测的目标，这对于有效地降低军械库房枪械、弹药质量下降的速度，进一步提高存放于军械库房内枪械、弹药应有的效力具有十分积极的作用和意义。

参考文献：

[1]唐寿江.温湿度对弹药质量变化的影响研究[J].湖北科技学院学报， 2013（7）：187-188

[2]杨青梅，孙建明.传感技术及应用[M].北京：清华大学出版社，2013.

[3]何贬.被装养护学[Z].中国人民解放军军事经济学院，1987.

（作者简介：韦亚旗，武警贵州总队助理工程师，研究方向为电子信息工程和通信技术）