石窟凝結水環境監測儀的製作方法
2023-10-04 03:19:19 2
專利名稱：石窟凝結水環境監測儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種石窟凝結水環境監測儀，具體地說是一種用於石窟文物環境的監測，特別是用於研究石窟內雕像凝結水的形成，以及與溫度、溼度、時間等參數的相互關係的石窟凝結水環境監測儀。
背景技術：
近年來，根據石窟文物保護工作者的研究發現，凝結水是石窟文物雕像遭到嚴重風化的重要因素之一。據了解凝結水不僅可在巖石表面形成，而且水汽可通過與外界連通的孔隙網絡進入巖石內部在一定深度凝結，形成時間可先於巖石表面凝結水的形成時間， 從而導致凝結面積大為增加，造成凝結水量較大；前者能引起巖石表面風化，而後者引起風化深度則更大，更具破壞性。同時其影響範圍較洞窟內滲(滴)水和洞窟外雨水衝刷更加廣泛。因此凝結水在雕像風化過程中有著不可忽視的作用。在石窟文物保護中對防治雨水、洞窟滲水已有較為成熟的方法和措施，如修建保護性窟簷，而對石窟表面凝結水的防治措施甚少。對石質洞窟文物表面凝結水的研究和防治，長期以來是國際性文物保護領域的一個重大難題。因其影響範圍大，對文物破壞嚴重， 我國從20世紀五六十年就對此引起高度重視。但由於技術手段有限，凝結水對石質文物破壞力究竟有多大、應採取什麼措施治理，始終沒有有效辦法。主要原因是沒有先進合適的測量裝置來準確的測定石窟雕像表面凝結水量，準確地掌握洞窟凝結水產生的規律，因此，其長期以來一直是世界文物界亟待解決卻又無力解決的重大難題。且直到目前為止，國內外市場上尚未有能夠精確測量石窟凝結水含量的儀器或設備。
發明內容
本發明的目的是為解決現有技術存在的問題，而提供一種為研究石窟凝結水的形成以及與環境參數之間的關係的石窟凝結水環境監測儀，通過測試與研究為石窟文物保護制定與實施相關措施提供工程實驗上的參考依據。本發明為實現上述目的採用的技術方案是提供一種石窟凝結水環境監測儀，包括監測儀系統和上位機系統，所述的監測儀系統由監測儀的機箱盒、箱盒蓋、鉸鏈、機箱提手和機箱盒內的電路模塊組成；所述的鉸鏈連接機箱盒與箱盒蓋，所述的機箱盒內安裝有電源模塊、溫度傳感器模塊，溼度傳感器模塊，凝結水稱重傳感器模塊，數據採樣模塊，中央處理模塊，時鐘模塊，液晶顯示模塊，數據存儲模塊，用戶控制接口模塊以及數據通信接口模塊，所述的各模塊集成在一塊電路板上；機箱盒上設有操作面板，操作面板上設有電源接口與開關，液晶顯示窗口，溫度、溼度、凝結水稱重監測接口，外設真空泵控制接口，串口接口，還設有7個控制按鍵，SD卡插孔和散熱孔；所述的溫度、溼度、凝結水稱重監測接口、外設真空泵控制接口均採用航空插頭與傳感器或真空泵連接；所述的上位機系統由通信接口模塊和計算機組成，監測儀系統和上位機系統間通過串口接口連接。本發明的石窟凝結水環境監測儀採用模塊化的設計思想。本發明所述的機箱盒內安裝的中央處理模塊直接與電源模塊，數據採樣模塊，溼度傳感器模塊，時鐘模塊，液晶顯示模塊，數據存儲模塊，用戶控制接口模塊以及數據通信接口模塊相連接，中央處理模塊還間接與溫度傳感器模塊，稱重傳感器模塊相連接；所述的電源模塊為整個系統的正常工作提供能量保障；通過所述的稱重傳感器模塊、溫度傳感器模塊和溼度傳感器模塊分別監測溫度、溼度和凝結水量；數據採集模塊用於將模擬檢測信號數位化；通過所述的中央處理模塊控制整個系統運行和處理數據；通過時鐘模塊記錄每次測量的具體時間；通過液晶顯示模塊顯示監測數據和具體相關操作界面；通過數據存儲模塊對測量數據進行存儲；通過用戶控制接口模塊對設備裝置實驗測量的具體操作；通過數據通信模塊實現儀器與計算機之間的通信。所述的電源模塊採用低壓差線性穩壓器LT1086CM系列，分別設有模擬電源為5V， 數字電源有5V和3. 3V電源。電源模塊為整個監測儀系統的正常工作提供能量保障。所述的溫度傳感器採用「三線制」的鉬電阻溫度傳感器PT1000，並以惠斯登電橋的方式高靈敏度地實現溫度的監測；溼度傳感器採用溫溼度一體傳感器SHT75 ;凝結水稱重傳感器採用電阻應變式稱重傳感器；溫度傳感器和溼度傳感器各設計有3個通道，凝結水稱重傳感器設計有I個通道。所述的數據採樣模塊採用橋式微小模擬信號轉換的24位Α/D轉換晶片ADS1234， 所述的中央處理模塊採用超低功耗的16位單片機MSP430f 169，通過軟體編程代碼控制實現對稱重傳感器、溫度傳感器和溼度傳感器信號的Α/D採樣，並將採樣數據和相應的監測時間自動存儲於系統的SD卡設備中，同時可通過液晶顯示模塊在操作面板上實時顯示。所述的數據存儲模塊採用便攜的SD卡形式。採用SD卡方便攜帶大量實驗數據， 以備後期數據分析與處理。所述的時鐘模塊採用時鐘晶片DS1302。時鐘模塊用於精確記錄每次實驗參數所測量的具體時間。所述的數據通信模塊採用SP202集成晶片。數據通信模塊以串口的形式用於儀器與計算機之間的通信。所述的液晶顯示模塊採用解析度為320*240的大屏幕液晶顯示器，用於顯示監測數據和儀器系統操作界面。所述的用戶控制接口模塊與中央處理模塊相連接，採用高質量、高靈敏的特殊按鍵，用於用戶對監測儀實驗測量的具體操作。所述的上位機系統操作控制界面，採用C#語言進行了設計，實現監測數據在計算機實時顯示並存儲於計算機相應硬碟。本發明的石窟凝結水環境監測儀是一種具有對石窟表面凝結水電子動態測量功能的環境監測儀，對準確地測定實驗對象的凝結水量，掌握洞窟凝結水產生的規律與石窟石雕表面凝結水的形成條件，為石窟文物保護相關的的治理方法與措施提供依據，進而為保護我國珍貴的石窟文物遺產提供意見，具有十分重要的意義。本發明的石窟凝結水環境監測儀與現有技術相比具有以下優點I、本發明是基於電子自動控制技術的一種用於石窟表面凝結水動態測量功能的環境監控設備，具有凝結水稱重、三路石窟環境溼度測量、三路石窟環境溫度測量，以及凝結水動態監測時間，檢測數據可自動存儲於可攜式的SD卡存儲設備功能。在SD卡中以文本的形式存儲，並以測量的當天年月日時間為名命名文本，以便於日後查詢，同時在每一文本中，具體的數據存儲都按照一定的格式存儲，每一檢測數據均與其相應的檢測時間對應。 並且具有數據實時顯示和完善的人機操作界面等功能，可準確地測定石窟凝結水與相關主要環境參數，為研究石窟凝結水的產生規律與石窟文物表面凝結水的形成條件提供實驗數據與理論依據，以達到制定針對性的、有效的石窟文物保護措施。2、本發明的監測儀系統可與上位機系統進行數據通信，可將數據自動存儲和顯示於計算機上；監測儀系統具有完美的操作和顯示界面。3、本發明石窟凝結水環境監測儀的設計便攜、精緻、堅固，適用於石窟文物保護過程中的環境監測。
圖I為本發明石窟凝結水環境監測儀總體外觀結構示意圖。圖2本發明石窟凝結水環境監測儀操作面板結構示意圖。圖3為本發明石窟凝結水環境監測儀的系統結構方框圖。圖4為本發明石窟凝結水環境監測儀電源模塊電路圖。圖5為本發明石窟凝結水環境監測儀溫度傳感器模塊電路圖。圖6為本發明石窟凝結水環境監測儀溼度傳感器模塊電路圖。圖7為本發明石窟凝結水環境監測儀凝結水稱重傳感器模塊電路圖。圖8為本發明石窟凝結水環境監測儀數據採樣模塊電路圖。圖9為本發明石窟凝結水環境監測儀中央處理模塊電路圖。圖10為本發明石窟凝結水環境監測儀的時鐘模塊電路圖。圖11為本發明石窟凝結水環境監測儀的液晶顯示模塊電路圖。圖12為本發明石窟凝結水環境監測儀的用戶控制接口模塊電路圖。圖13為本發明石窟凝結水環境監測儀的上位機系統界面示意圖。上述圖中1_機箱盒、2_操作面板、3_箱盒蓋、4_盒蓋塾、5_絞鏈、6_機箱提手、 7-電源接口和開關「Power」，8-液晶顯示窗口，9-溫度監測接口，分別有Tl，T2，T3 ; 10-溼度監測接口，分別有Hl，H2，H3 ; 11-凝結水稱重監測接口； 12-外設真空泵控制接口 「PUMP」; 13-散熱孔「Radiator」、14-SD卡插孔，15-控制按鍵的四個「▲、▼、鵪>」上下左右的方向導航鍵；16- 「0K」確認鍵；17- 「BACK」返回(或取消)鍵；18- 「ZERO」清零鍵;19_串口接口。
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。實施例I :本發明的一種石窟凝結水環境監測儀，監測儀外觀結構如圖1、2所示， 所述的監測儀系統由監測儀的機箱盒I、箱盒蓋3、鉸鏈5、機箱提手6和機箱盒內的電路模塊組成；所述的鉸鏈5連接機箱盒I與箱盒蓋3，箱盒蓋3的內側設有柔軟的盒蓋墊4，可以起到保護機箱盒上操作面板2的作用。所述的機箱盒內安裝有電源模塊、溫度傳感器模塊，溼度傳感器模塊，凝結水稱重傳感器模塊，數據採樣模塊，中央處理模塊，時鐘模塊，液晶顯示模塊，數據存儲模塊，用戶控制接口模塊以及數據通信接口模塊，所述的各模塊集成在一塊電路板上；機箱盒上設有操作面板2，操作面板上設有電源接口與開關7，液晶顯示窗口 8、3個溫度監測9，分別為T1，T2，T3接口 ；3個溼度監測接口 10，分別為Hl，Η2，Η3接口 ；1個凝結水稱重監測接口 11，外設真空泵控制接口 12，散熱孔13，SD卡插孔14，串口接口 19;還設有7個控制按鍵，分別是控制按鍵的四個「▲、▼、<、 」上下左右的方向導航鍵15，「0Κ」確認鍵16，「BACK」返回(或取消)17，「ZERO」清零鍵18。整個監測儀的控制操作主要是通過7個控制按鍵來實現。儀器使用者可通過這7個按鍵對儀器進行具體的實驗操作，如瀏覽不同界面，對儀器系統相關參數進行設置，如時間設置，存儲時間設置，以及實施監控等操作，其中「清零」鍵主要用於在凝結水稱重過程中的設置除皮清零。操作面板上的「SD卡插孔」用於監測時插入SD卡存儲設備，以便存取實驗相關監測數據；「串口接口」 用於儀器與計算機進行實驗數據通信；所述的溫度、溼度、稱重傳感器，外設真空泵控制接口均採用高質量航空插頭與儀器進行連接，監測完畢，可將各傳感器連接插頭從儀器上取下並保存傳感器，以便下次使用，並將監測儀箱盒蓋蓋好，確保監測儀安全。本發明石窟凝結水環境監測儀的電路系統結構參見圖3的框圖。包括監測儀系統和上位機系統。所述的中央處理模塊直接與電源模塊，數據採樣模塊，溼度傳感器模塊，時鐘模塊，液晶顯示模塊，數據存儲模塊，用戶控制接口模塊以及數據通信接口模塊相連接， 中央處理模塊還間接與溫度傳感器模塊，稱重傳感器模塊相連接；所述的電源模塊為整個系統的正常工作提供能量保障；所述的凝結水稱重傳感器模塊、溫度傳感器模塊和溼度傳感器模塊分別用於凝結水量、溫度和溼度的精確監測；數據採集模塊用於對模擬檢測信號進行高速準確的數位化；所述的中央處理模塊用於整個系統的控制和數據處理；所述的時鐘模塊用於精確記錄每次測量的具體時間；液晶顯示模塊用於顯示監測數據和具體相關操作界面；數據存儲模塊用於對測量數據進行存儲；用戶通過用戶控制接口模塊對監測儀進行實驗測量的具體操作；數據通信模塊用於儀器與計算機之間的通信；所述的上位機系統由通信接口模塊、計算機組成，監測儀系統和上位機系統間通過串口接口連接。整個儀器系統設計採用高性能的電子元件、晶片、傳感器等設計製作集成電路PCB板，經校驗以及定標，形成完整的監測儀。本發明電源模塊電路設計與連接線路圖參見圖4 ;電源模塊採用具有低噪聲、高性能的低壓差線性穩壓器LT1086CM系列進行研究設計，分別設計了模擬電源和數字電源， 分別設有模擬電源為5V，數字電源有5V和3. 3V電源，用於系統設計的模擬電路和數字電路中，為整個系統的正常工作提供能量保障。本發明的溫度傳感器採用高精度的「三線制」鉬電阻溫度傳感器PT1000，並以惠斯登電橋的方式高靈敏度地實現溫度的監測；設有3個溫度監測通道，其接線路圖見圖5。本發明的溼度傳感器採用高精度的溫溼度一體傳感器SHT75進行設計，通過中央處理模塊控制，實現了儀器系統高精度的溼度監測，也設有3個監測通道，其連接線路圖參見圖6。本發明的稱重傳感器採用電阻應變式稱重傳感器，對儀器系統凝結水量的精確監測，設計有I個凝結水稱重傳感器監測通道，其電路設計與連接線路圖參見圖7。本發明所述的數據採樣模塊採用的是具有超低噪聲的、專用於橋式微小模擬信號轉換的24位Α/D轉換晶片ADS1234，參見圖8，通過中央處理器控制，實現對三路溫度差分信號、三路溼度信號和一路稱重差分信號的高精度多通道Α/D採樣。本發明所述的中央處理模塊採用超低功耗的16位單片機MSP430H69進行設計，
6參見圖9，中央處理模塊通過軟體編程代碼控制實現對高精度的稱重傳感器、溫度傳感器和溼度傳感器信號的Α/D採樣，並將採樣數據和相應的監測時間自動存儲於系統的SD卡設備中，同時可通過液晶顯示模塊在操作面板上實時顯示。本發明中的時鐘模塊採用時鐘晶片DS1302，參見圖10，時鐘模塊用於精確記錄每次實驗參數所測量的具體時間。本發明中的液晶顯示模塊設計參見圖11。本發明中的用戶控制接口模塊採用參見圖12，圖12中的電阻電容起到硬體濾波消抖作用。本發明所述的上位機採用C#語言設計上位機界面，實現監測數據在計算機實時顯示並存儲於計算機相應硬碟。上位機系統的操作控制界面參見圖13。系統在顯示界面中包括有3個通道溫度、溼度參數顯示，I個凝結水量參數的顯示，在界面的右側有日期顯示及當前時間顯示、波特率、埠、檢測數據自動存儲以及具體操作說明窗口。實施例2 :本發明石窟凝結水環境監測儀使用步驟如下(I)根據具體實驗環境地點，選擇可進行正常實驗或測量的的平臺，放好儀器箱並打開；(2)將儀器成套配裝的溫度傳感器、溼度傳感器、稱重傳感器以及真空泵接口通過航空插頭分別連接於儀器各自埠；(3)將儀器配套的電源線、串口線與儀器相連；將電源線接入電壓為220V，50Hz市電；(4)將SD卡插入儀器上所標定的卡孔(若不插入，則開機後儀器系統在初始化完成後，通過界面顯示內容對用戶進行提示)；(5)儀器相關連結一切完成後，撥動電源開關，儀器開始進入工作狀態；(6)在計算機上打開運行儀器配套的上位機軟體(若在整個實驗監測過程中，不需要使用計算機，則該步驟跳過)；(7) 一切正常後，操作面板上進入開機主顯示界面，通過OK鍵進入下一菜單界面；(8)進入菜單界面後，通過導航鍵和0K，BACK鍵進入「監控說明」界面，可具體的了解儀器的具體操作和應用等；(9)返回菜單界面，通過四個導航方向鍵和0K、BACK鍵首先進入「時間設置」界面， 對系統時間進行設置，若開機後，主界面顯示時間準確，則該步驟可以跳過；(10)設置完時間後，返回菜單界面，對儀器系統SD卡存儲時間進行設置，進入「存儲設置」界面，通過導航鍵設置數據自動存儲於SD卡的時間間隔，可精確到I分鐘；(11)設置完成後，返回菜單界面，進入「開始監控」界面，通過ZERO鍵，對稱重初始值進行調零，啟動真空泵，通過真空泵獲取待測樣本凝結水，通過乾燥管中的乾燥器吸收， 測量乾燥管的重量，從而獲得凝結水的量。該界面實時顯示各個相關參數的監測數據，並自動的將監測數據按事先設置好的存儲時間間隔存儲於SD卡中，並將數據實時發送於上位機系統；(12)待具體實驗完成後，通過操作鍵返回到開機顯示界面，並關閉電源開關，再依次的從儀器各接口上取下所連接的傳感器插頭或者引線插頭，以及SD卡；(13)蓋好監測儀箱盒蓋，並妥善放置監測儀。最後要說明的是，本發明主要應用於石窟文物保護及其科學研究過程中的環境監測，同時也適用於環境工程領域中的其他實驗應用研究，以及相關實驗教學等研究。
權利要求
1.一種石窟凝結水環境監測儀，包括監測儀系統和上位機系統，其特徵在於所述的監測儀系統由監測儀的機箱盒、箱盒蓋、鉸鏈、機箱提手和機箱盒內的電路模塊組成；所述的鉸鏈連接機箱盒與箱盒蓋，所述的機箱盒內安裝有電源模塊、溫度傳感器模塊，溼度傳感器模塊，凝結水稱重傳感器模塊，數據採樣模塊，中央處理模塊，時鐘模塊，液晶顯示模塊， 數據存儲模塊，用戶控制接口模塊以及數據通信接口模塊，所述的各模塊集成在一塊電路板上；機箱盒上設有操作面板，操作面板上設有電源接口與開關，液晶顯示窗口，溫度、溼度、凝結水稱重監測接口，外設真空泵控制接口，串口接口，還設有7個控制按鍵，SD卡插孔和散熱孔；所述的溫度、溼度、凝結水稱重監測接口、外設真空泵控制接口均採用航空插頭與傳感器或真空泵連接；所述的上位機系統由通信接口模塊和計算機組成，監測儀系統和上位機系統間通過串口接口連接。
2.根據權利要求I所述的石窟凝結水環境監測儀，其特徵在於所述的機箱盒內安裝的中央處理模塊直接與電源模塊，數據採樣模塊，溼度傳感器模塊，時鐘模塊，液晶顯示模塊，數據存儲模塊，用戶控制接口模塊以及數據通信接口模塊相連接，中央處理模塊還間接與溫度傳感器模塊，稱重傳感器模塊相連接；所述的電源模塊為整個系統的正常工作提供能量保障；通過所述的稱重傳感器模塊、溫度傳感器模塊和溼度傳感器模塊分別監測溫度、 溼度和凝結水量；數據採集模塊用於將模擬檢測信號數位化；通過所述的中央處理模塊控制整個系統運行和處理數據；通過時鐘模塊記錄每次測量的具體時間；通過液晶顯示模塊顯示監測數據和具體相關操作界面；通過數據存儲模塊對測量數據進行存儲；通過用戶控制接口模塊對監測儀實施實驗測量的具體操作；通過數據通信模塊實現儀器與計算機之間的通信。
3.根據權利要求I所述的石窟凝結水環境監測儀，其特徵在於所述的電源模塊採用低壓差線性穩壓器LT1086CM系列，分別設有模擬電源為5V，數字電源有5V和3. 3V電源。
4.根據權利要求I所述的石窟凝結水環境監測儀，其特徵在於所述的溫度傳感器採用「三線制」的鉬電阻溫度傳感器PT1000，並以惠斯登電橋的方式高靈敏度地實現溫度的監測；溼度傳感器採用溫溼度一體傳感器SHT75 ;凝結水稱重傳感器採用電阻應變式稱重傳感器；溫度傳感器和溼度傳感器各設計有3個通道，凝結水稱重傳感器設計有I個通道。
5.根據權利要求I所述的石窟凝結水環境監測儀，其特徵在於所述的數據採樣模塊採用橋式微小模擬信號轉換的24位A/D轉換晶片ADS1234，所述的中央處理模塊採用超低功耗的16位單片機MSP430H69，通過軟體編程代碼控制實現對稱重傳感器、溫度傳感器和溼度傳感器信號的A/D採樣，並將採樣數據和相應的監測時間自動存儲於系統的SD卡設備中，同時可通過液晶顯示模塊在操作面板上實時顯示。
6.根據權利要求I所述的石窟凝結水環境監測儀，其特徵在於所述的數據存儲模塊採用便攜的SD卡形式。
7.根據權利要求I所述的石窟凝結水環境監測儀，其特徵在於所述的時鐘模塊採用時鐘晶片DS1302。
8.根據權利要求I所述的石窟凝結水環境監測儀，其特徵在於所述的數據通信模塊採用SP202集成晶片。
全文摘要
本發明涉及一種石窟凝結水環境監測儀，包括監測儀和上位機系統，監測儀由機箱盒、箱盒蓋、鉸鏈、機箱提手和電路組成；機箱盒內電源，溫、溼度、稱重傳感器，數據採樣，中央處理，時鐘，液晶顯示，數據存儲，用戶控制接口及數據通信接口等模塊均集成在一塊電路板上；機箱盒的操作面板上設有電源接口與開關，液晶顯示，SD卡插孔、控制按鍵和傳感器接口，真空泵接口，串口，其中傳感器接口和真空泵接口均採用航空插頭；上位機系統由通信接口模塊和計算機組成，監測儀和上位機系統間由串口連接。本監測儀能準確測定石窟凝結水量，掌握凝結水產生的規律與形成條件，為石窟文物保護制定相關的治理方法與措施提供依據，對保護石窟文物具有重要的意義。
文檔編號G01N5/02GK102590009SQ20121000933
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者葉敦範, 方雲, 王西鋒, 胡學軍, 陳潤明, 韓超 申請人:中國地質大學(武漢)