CN213180113U - 一种用于轨道交通车辆的温湿度检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于轨道交通车辆的温湿度检测装置，是由DC/DC直流电源变换电路、CPU控制电路、数码显示电路、按键控制电路、温度环路电流输出电路、湿度环路电流输出电路、报警输出电路组成，其中DC/DC直流电源变换电路给装置提供工作电源，CPU控制电路将温湿度传感器信号输入，输出连接数码显示电路和按键控制电路，CPU输出的温度电压信号和湿度电压信号经过温度环路电流输出电路、湿度环路电流输出电路的处理，输出线性对应实际温度、湿度值的4～20mA，数码显示电路实时显示温度和湿度的实际值。本装置具有抗振动、工作电源稳定、能进行湿度报警、测量精度高、电磁兼容性好的优点。

Description

一种用于轨道交通车辆的温湿度检测装置

技术领域

本实用新型涉及室内温湿度检测技术领域，具体涉及一种用于轨道交通车辆的温湿度检测装置。

背景技术

温度和湿度的测量控制是许多行业的重要工作目标之一，不论是粮食仓库、中药材仓库、科学研究，都需要实时检测温度和湿度并控制。随着我国工业的快速发展，需要检测温湿度的场合呈现快速增长的趋势，然而湿度却是最不易保证检测精度的指标，针对这一情况，研制可靠、实用、高精度的温度和湿度检测系统就显得非常重要。

轨道交通是指运营车辆需要在特定轨道上行驶的一类交通工具，车辆中存在很多压缩空气管路，压缩空气是通过空压机产生、再经干燥器等设备处理后变为温湿度适宜的压缩空气。在设备运行的过程中，需要通过检测装置对轨道交通车辆的压缩空气的温度、湿度进行监测，从而确保进入工作管路的压缩空气符合工作要求，维持车辆的正常运行。

现有技术对温度的测量较为成熟，但一般不输出标准4～20mA的环路电流。对湿度的测量一般采用双压法、双温法、分流法、饱和盐法、电子法等，但各有缺陷：双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理，平衡时间较长；分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合，但因测量设备复杂、昂贵，运作费时费工，主要作为标准计量之用，不适合于实际现场使用；饱和盐法是湿度测量中最常见的方法，简单易行，但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高，需要很长时间去平衡，低湿点要求更长时间，不能实时测量变化的湿度；电子法使用范围广，它利用温湿度传感芯片识别环境温湿度，输出对应的电信号，但该测量方法的准确度需要由传感芯片和软件算法来保证，且抗电磁干扰处理难道大。各厂家技术水平参次不齐，造成产品的稳定性、准确度难以达到高标准要求。

综上所述，现有的温湿度检测装置均存在测量精度不高、电磁兼容性不好、易受干扰引起测量数据跳变、抗振动性能弱等缺点，因此不能很好地应用在轨道交通车辆上。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述缺陷，提供一种抗振动、工作电源稳定、能进行湿度报警、测量精度高、电磁兼容性好的用于轨道交通车辆的温湿度检测装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种用于轨道交通车辆的温湿度检测装置是由DC/DC直流电源变换电路、CPU控制电路、数码显示电路、按键控制电路、温度环路电流输出电路、湿度环路电流输出电路、报警输出电路组成，其中DC/DC直流电源变换电路给装置提供工作电源，CPU控制电路将温湿度传感器信号输入，输出连接数码显示电路和按键控制电路，CPU输出的温度电压信号和湿度电压信号经过温度环路电流输出电路、湿度环路电流输出电路的处理，输出线性对应实际温度、湿度值的4～20mA，数码显示电路实时显示温度和湿度的实际值，其中：

DC/DC直流电源变换电路是由DC110V电源、二极管D1、压敏电阻V1、EMC电感U14-U15、电源模块PW1、电源芯片U12、电容C1、C2、C5组成，其中DC110V电源正端通过P1端子输入，负端通过P2端子输入，在电源正、负端之间跨接压敏电阻V1，第一级EMC电感U14与第二级EMC电感U15之间连接X电容C2、Y电容C1、C5，经过两级EMC电路后，DC110V电源输入到电源模块PW1，PW1输出稳定的5V工作电源，5V工作电源再经过电源芯片U12变换成3.3V；

CPU控制电路是由CPU芯片U1、MAX232芯片U3、温湿度传感芯片U16组成，其中U1的14脚接5V+电源、16脚接5V电源GND，温湿度传感芯片U16通过3.3V电源供电，串口输出信号连接到U1的7、8脚，下载程序端口通过插座COM1连接到MAX232芯片U3，U3信号输出与U1的18、19脚相连，U1的30、31、32脚输出到数码显示及键盘控制电路，U1的44脚输出报警信号；

数码显示电路是由芯片U2、芯片U4、三极管T1-T8、数码管DS1-DS2组成，其中U4的1、2、3脚分别与U1的30、31、32相连接，U4的12脚、13脚、14脚、15脚位驱动输出端分别与三极管T1、T2、T3、T4基极相连，U4的6脚、7脚、8脚、9脚位驱动输出端分别与三极管T5、T6、T7、T8基极相连， U4的I²C信号19、20脚与U2的8、1脚相连传送串口数据，U2的3、4、5、6、10、11、12、13脚连接到数码管DS1、DS2；

按键控制电路是由芯片U4、连接插座组成，其中按键通过连接插座与U4的6脚、7脚、8脚、9脚连接，通过U4传输控制信号给U1读取；

温度环路电流输出电路是由CPU芯片U1、线性光耦U9、运放U10A、电阻R10、电位器VR1-VR2、芯片U8、三极管T10、辅助电源DC24V组成，其中U1的4脚根据检测的温度信号输出对应的电压信号到线性光耦U9，U9根据U1的4脚电压高低控制输出电流大小并输入运放U10A的3脚，U10A从1脚输出经过电阻R10、电位器VR2输入到专业环流放大集成电路U8的2脚，在U8的1脚与2脚间并联电位器VR1，U8从6脚输出电流信号并输入到三极管T10的基极，辅助电源DC24V+信号连接三极管T10的集电极，三极管T10的发射极与U8的5脚相连；

湿度环路电流输出电路是由CPU芯片U1、线性光耦U6、运放U7A、电阻R16、电位器VR3-VR4、芯片U5、三极管T11、辅助电源DC24V组成，其中U1的5脚根据检测的湿度信号输出对应的电压信号到线性光耦U6，U6根据U1的5脚电压高低控制输出电流大小并输入运放U7A的3脚；U7A从1脚输出经过电阻R16、电位器VR4输入到专业环流放大集成电路U5的2脚，在U5的1脚与2脚间并联电位器VR3，U5从6脚输出电流信号并输入到三极管T11的基极，辅助电源DC24V+信号连接三极管T11的集电极，三极管T11的发射极与U5的5脚相连；

报警输出电路是由CPU芯片U1、三极管T12、5V电源、继电器驱动U11、继电器U13组成，其中U1的44脚报警信号输入到三极管T12基极，集电极连接5V电源、继电器驱动U11、继电器U13的1、16脚，继电器U13得电工作，U13触点13、9脚由常开转换成闭合，触点接通110V+信号，110V+信号输出到上级设备。

与现有技术相比，本实用新型采用电子法测量温湿度，使用多级EMC电源电路，应用性能优良的温湿度芯片，并在芯片输出端设计严密的电磁兼容电路，从源头杜绝了电磁干扰对测量精度的影响；通过软件算法对温湿度采集量进行计算及补偿，确保温度误差±1℃，湿度误差±2%RH；所有元器件均采用工业级，可在-40℃～70℃环境下稳定工作。该装置应用在轨道交通车辆上，既可提高测量精度，所测温度和湿度实际值变换成对应的4～20mA电流，湿度报警值又可通过按键自由设定并输出报警信号。同时还提供了便捷的管道安装方式。

采用中央处理器代替传统模拟电路构成的运算单元，实现了数据有效性校验和多种自动补偿功能，实现了温湿度值的高精度测量，解决了传统的温湿度传感器在稳定性、可靠性、测量精度等方面存在的问题。

附图说明

图1为本实用新型电路原理图。

图2为温度-40℃～70℃对应输出4～20mA线性关系图。

图3为湿度0%～100%对应输出4～20mA线性关系图。

图4为本实用新型总体组成正视示意图。

图5为本实用新型总体组成俯视示意图。

图6为本实用新型总体组成侧视示意图。

图7为本实用新型制造工艺流程图。

图中：1-温湿度传感器；2-螺母；3-面板；4-防护板；5-锁紧螺杆；6-六角头；7-螺钉M4；8-航空插组件；9-连接法兰；10-防护架；11-上盖板；12-盒体。

具体实施方式

下面结合实施例中的附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

如图1所示，一种用于轨道交通车辆的温湿度检测装置是由DC/DC直流电源变换电路、CPU控制电路、数码显示电路、按键控制电路、温度环路电流输出电路、湿度环路电流输出电路、报警输出电路组成，其中DC/DC直流电源变换电路给装置提供工作电源，CPU控制电路将温湿度传感器信号输入，输出连接数码显示电路和按键控制电路，CPU输出的温度电压信号和湿度电压信号经过温度环路电流输出电路、湿度环路电流输出电路的处理，输出线性对应实际温度、湿度值的4～20mA，数码显示电路实时显示温度和湿度的实际值。

1.DC/DC直流电源变换电路

DC/DC直流电源变换电路是由DC110V电源、二极管D1、压敏电阻V1、EMC电感U14-U15、电源模块PW1、电源芯片U12、电容C1、C2、C5组成，其中DC110V电源正端通过P1端子输入，负端通过P2端子输入，在电源正、负端之间跨接压敏电阻V1，第一级EMC电感U14与第二级EMC电感U15之间连接X电容C2、Y电容C1、C5，经过两级EMC电路后，DC110V电源输入到电源模块PW1，PW1输出稳定的5V工作电源，5V工作电源再经过电源芯片U12变换成3.3V。

2.CPU控制电路

CPU控制电路是由CPU芯片U1、MAX232芯片U3、温湿度传感芯片U16组成，U1采用STC15F2K60S2系列，该CPU具有超强抗干扰、超低功耗、高速率、丰富的I/O口等特点。U1的14脚接5V+电源、16脚接5V电源GND，温湿度传感芯片U16通过3.3V电源供电，串口输出信号连接到U1的7、8脚，下载程序端口通过插座COM1连接到MAX232芯片U3，U3信号输出与U1的18、19脚相连，U1的30、31、32脚输出到数码显示及键盘控制电路，U1的44脚输出报警信号，驱动报警电路工作。

3.数码显示电路

数码显示电路实时显示温度和湿度的实际值。实时温度、湿度显示分别通过4位数码管进行显示，可以精确到两位小数点。

数码显示电路是由芯片U2、芯片U4、三极管T1-T8、数码管DS1-DS2组成，其中U4的1、2、3脚分别与U1的30、31、32相连接，U4的12脚、13脚、14脚、15脚位驱动输出端分别与三极管T1、T2、T3、T4基极相连，是三极管的工作驱动信号，当三极管饱和导通时，对应相连的数码管DS1激活；U4的6脚、7脚、8脚、9脚位驱动输出端分别与三极管T5、T6、T7、T8基极相连，为三极管的工作驱动信号；当三极管饱和导通时，对应相连的数码管DS2激活。U4的I²C信号19、20脚与U2的8、1脚相连传送串口数据，U2的3、4、5、6、10、11、12、13脚连接到数码管DS1、DS2，用来控制每个数码管的8个段显示。

4.按键控制电路

按键控制电路是由芯片U4、连接插座组成，其中按键通过连接插座与U4的6脚、7脚、8脚、9脚连接，通过U4传输控制信号给U1读取，可以通过按键实现设定湿度报警值、延时报警时间。

5.温度环路电流输出电路

温度-40℃～70℃线性对应输出二线制4～20mA的标准电流。

温度环路电流输出电路是由CPU芯片U1、线性光耦U9、运放U10A、电阻R10、电位器VR1-VR2、芯片U8、三极管T10、辅助电源DC24V组成，其中U1的4脚根据检测的温度信号输出对应的电压信号到线性光耦U9，U9根据U1的4脚电压高低控制输出电流大小并输入运放U10A的3脚，U10A从1脚输出经过电阻R10、电位器VR2输入到专业环流放大集成电路U8的2脚，在U8的1脚与2脚间并联电位器VR1，通过电位器VR2的调节来校准4mA电流信号，电位器VR1的调节可以来校准满信号时的20mA电流；U8从6脚输出电流信号并输入到三极管T10的基极，辅助电源DC24V+信号连接三极管T10的集电极，三极管T10的发射极与U8的5脚相连。经过三极管T10的驱动后，对应输出4～20mA线性信号。

输出的4～20mA电流信号与辅助电源DC24V+采用二线制传输方式。该电路由于采用了高精度高稳定性的专业环流放大集成电路、高精度运放、低温飘阻容器件，所以完全能够达到“转换器的精度不低于0.5级”、“转换器的响应时间不大于100 ms”的技术要求。

6.湿度环路电流输出电路

湿度0%～100%线性对应输出二线制4～20mA的标准电流。

湿度环路电流输出电路是由CPU芯片U1、线性光耦U6、运放U7A、电阻R16、电位器VR3-VR4、芯片U5、三极管T11、辅助电源DC24V组成，其中U1的5脚根据检测的湿度信号输出对应的电压信号到线性光耦U6，U6根据U1的5脚电压高低控制输出电流大小并输入运放U7A的3脚；U7A从1脚输出经过电阻R16、电位器VR4输入到专业环流放大集成电路U5的2脚，在U5的1脚与2脚间并联电位器VR3，通过电位器VR4的调节来校准4mA电流信号，电位器VR3的调节可以来校准满信号时的20mA电流；U5从6脚输出电流信号并输入到三极管T11的基极，辅助电源DC24V+信号连接三极管T11的集电极，三极管T11的发射极与U5的5脚相连；经过三极管T11的驱动后，对应输出4～20mA线性信号。

输出的4～20mA电流信号与辅助电源DC24V+采用二线制传输方式。该电路由于采用了高精度高稳定性的专业环流放大集成电路、高精度运放、低温飘阻容器件，所以完全能够达到“转换器的精度不低于0.5级”、“转换器的响应时间不大于100 ms”的技术要求。

7.报警输出电路

报警输出电路将CPU输出的报警驱动信号转变成高电平报警信号。通过按键设定合适的报警值，当湿度值高于或低于设定值时将输出高电平110V+。报警输出电路是由CPU芯片U1、三极管T12、5V电源、继电器驱动U11、继电器U13组成，其中U1的44脚报警信号输入到三极管T12基极，集电极连接5V电源、继电器驱动U11、继电器U13的1、16脚，继电器U13得电工作，U13触点13、9脚由常开转换成闭合，触点接通110V+信号，110V+信号输出到上级设备，供上级设备识别。

如图2所示为温度-40℃～70℃对应输出4～20mA的理论线性对应关系；如图3所示为湿度0%～100%对应输出4～20mA的理论线性对应关系。

本实用新型装置的基本原理如下：

实现对环境温度及湿度的检测及显示、输出电流环路信号、输出湿度报警信号。通过数码显示实时检测到的温度和湿度；同时可以外接DC24V电源，输出4～20mA环路电流信号，电流信号与温度、湿度成线性关系；按键设定湿度报警值，当湿度高于设定值时，输出110V高电平信号供上级设备识别。

如图4～6所示，本实用新型检测装置的总体组成包括温湿度传感器1、螺母2、面板3、防护板4、锁紧螺杆5、六角头6、螺钉7、航空插组件8、连接法兰9、防护架10、上盖板11、盒体12。结构布局合理，装配工艺简便，所有部件均紧固在外壳内，利用橡胶密封条密封机壳。

安装方法：将温湿度传感器伸入管道，并用扳手卡住六角头旋进管道中的M20×1.5螺孔中。安装后会发现装置面板方向可能不符合实际安装方位，此时通过旋松连接法兰上的M4螺钉，然后转动装置直到装置面板符合安装方位时为止。

面板防护：露出装置面板。旋松锁紧螺杆，往右拉动防护板（人正对面板）即可露出面板，防护板拉到底时有限位挡块，故能阻止防护板掉落；遮挡装置面板。往左推动防护板（人正对面板）至底端，旋紧锁紧螺杆，防护面板即固定在防护架上，防护架与上盖板、盒体通过螺杆连为一体。

如图5所示，制作本实用新型检测装置的工艺流程主要包括备料、电路板焊接、电路板功能测试、外壳制造、配件制作、组合装配检验、试运行、检验、入库以及出厂等工序。

本实用新型并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨和原则的前提下做出各种变化。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，均落入本实用新型的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于轨道交通车辆的温湿度检测装置，其特征在于：是由DC/DC直流电源变换电路、CPU控制电路、数码显示电路、按键控制电路、温度环路电流输出电路、湿度环路电流输出电路、报警输出电路组成，其中DC/DC直流电源变换电路给装置提供工作电源，CPU控制电路将温湿度传感器信号输入，输出连接数码显示电路和按键控制电路，CPU输出的温度电压信号和湿度电压信号经过温度环路电流输出电路、湿度环路电流输出电路的处理，输出线性对应实际温度、湿度值的4～20mA，数码显示电路实时显示温度和湿度的实际值，其中：

DC/DC直流电源变换电路是由DC110V电源、二极管D1、压敏电阻V1、EMC电感U14-U15、电源模块PW1、电源芯片U12、电容C1、C2、C5组成，其中DC110V电源正端通过P1端子输入，负端通过P2端子输入，在电源正、负端之间跨接压敏电阻V1，第一级EMC电感U14与第二级EMC电感U15之间连接X电容C2、Y电容C1、C5，经过两级EMC电路后，DC110V电源输入到电源模块PW1，PW1输出稳定的5V工作电源，5V工作电源再经过电源芯片U12变换成3.3V；

CPU控制电路是由CPU芯片U1、MAX232芯片U3、温湿度传感芯片U16组成，其中U1的14脚接5V+电源、16脚接5V电源GND，温湿度传感芯片U16通过3.3V电源供电，串口输出信号连接到U1的7、8脚，下载程序端口通过插座COM1连接到MAX232芯片U3，U3信号输出与U1的18、19脚相连，U1的30、31、32脚输出到数码显示及键盘控制电路，U1的44脚输出报警信号；

数码显示电路是由芯片U2、芯片U4、三极管T1-T8、数码管DS1-DS2组成，其中U4的1、2、3脚分别与U1的30、31、32相连接，U4的12脚、13脚、14脚、15脚位驱动输出端分别与三极管T1、T2、T3、T4基极相连，U4的6脚、7脚、8脚、9脚位驱动输出端分别与三极管T5、T6、T7、T8基极相连， U4的I²C信号19、20脚与U2的8、1脚相连传送串口数据，U2的3、4、5、6、10、11、12、13脚连接到数码管DS1、DS2；

按键控制电路是由芯片U4、连接插座组成，其中按键通过连接插座与U4的6脚、7脚、8脚、9脚连接，通过U4传输控制信号给U1读取；

温度环路电流输出电路是由CPU芯片U1、线性光耦U9、运放U10A、电阻R10、电位器VR1-VR2、芯片U8、三极管T10、辅助电源DC24V组成，其中U1的4脚根据检测的温度信号输出对应的电压信号到线性光耦U9，U9根据U1的4脚电压高低控制输出电流大小并输入运放U10A的3脚，U10A从1脚输出经过电阻R10、电位器VR2输入到专业环流放大集成电路U8的2脚，在U8的1脚与2脚间并联电位器VR1，U8从6脚输出电流信号并输入到三极管T10的基极，辅助电源DC24V+信号连接三极管T10的集电极，三极管T10的发射极与U8的5脚相连；

湿度环路电流输出电路是由CPU芯片U1、线性光耦U6、运放U7A、电阻R16、电位器VR3-VR4、芯片U5、三极管T11、辅助电源DC24V组成，其中

U1的5脚根据检测的湿度信号输出对应的电压信号到线性光耦U6，U6根据U1的5脚电压高低控制输出电流大小并输入运放U7A的3脚；U7A从1脚输出经过电阻R16、电位器VR4输入到专业环流放大集成电路U5的2脚，在U5的1脚与2脚间并联电位器VR3，U5从6脚输出电流信号并输入到三极管T11的基极，辅助电源DC24V+信号连接三极管T11的集电极，三极管T11的发射极与U5的5脚相连；

报警输出电路是由CPU芯片U1、三极管T12、5V电源、继电器驱动U11、继电器U13组成，其中U1的44脚报警信号输入到三极管T12基极，集电极连接5V电源、继电器驱动U11、继电器U13的1、16脚，继电器U13得电工作，U13触点13、9脚由常开转换成闭合，触点接通110V+信号，110V+信号输出到上级设备。

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