专利名称：石窟凝结水环境监测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种石窟凝结水环境监测仪，具体地说是一种用于石窟文物环境的监测，特别是用于研究石窟内雕像凝结水的形成，以及与温度、湿度、时间等参数的相互关系的石窟凝结水环境监测仪。
背景技术：
近年来，根据石窟文物保护工作者的研究发现，凝结水是石窟文物雕像遭到严重风化的重要因素之一。据了解凝结水不仅可在岩石表面形成，而且水汽可通过与外界连通的孔隙网络进入岩石内部在一定深度凝结，形成时间可先于岩石表面凝结水的形成时间， 从而导致凝结面积大为增加，造成凝结水量较大；前者能引起岩石表面风化，而后者引起风化深度则更大，更具破坏性。同时其影响范围较洞窟内渗(滴)水和洞窟外雨水冲刷更加广泛。因此凝结水在雕像风化过程中有着不可忽视的作用。在石窟文物保护中对防治雨水、洞窟渗水已有较为成熟的方法和措施，如修建保护性窟檐，而对石窟表面凝结水的防治措施甚少。对石质洞窟文物表面凝结水的研究和防治，长期以来是国际性文物保护领域的一个重大难题。因其影响范围大，对文物破坏严重， 我国从20世纪五六十年就对此引起高度重视。但由于技术手段有限，凝结水对石质文物破坏力究竟有多大、应采取什么措施治理，始终没有有效办法。主要原因是没有先进合适的测量装置来准确的测定石窟雕像表面凝结水量，准确地掌握洞窟凝结水产生的规律，因此，其长期以来一直是世界文物界亟待解决却又无力解决的重大难题。且直到目前为止，国内外市场上尚未有能够精确测量石窟凝结水含量的仪器或设备。
发明内容
本发明的目的是为解决现有技术存在的问题，而提供一种为研究石窟凝结水的形成以及与环境参数之间的关系的石窟凝结水环境监测仪，通过测试与研究为石窟文物保护制定与实施相关措施提供工程实验上的参考依据。本发明为实现上述目的采用的技术方案是提供一种石窟凝结水环境监测仪，包括监测仪系统和上位机系统，所述的监测仪系统由监测仪的机箱盒、箱盒盖、铰链、机箱提手和机箱盒内的电路模块组成；所述的铰链连接机箱盒与箱盒盖，所述的机箱盒内安装有电源模块、温度传感器模块，湿度传感器模块，凝结水称重传感器模块，数据采样模块，中央处理模块，时钟模块，液晶显示模块，数据存储模块，用户控制接口模块以及数据通信接口模块，所述的各模块集成在一块电路板上；机箱盒上设有操作面板，操作面板上设有电源接口与开关，液晶显示窗口，温度、湿度、凝结水称重监测接口，外设真空泵控制接口，串口接口，还设有7个控制按键，SD卡插孔和散热孔；所述的温度、湿度、凝结水称重监测接口、外设真空泵控制接口均采用航空插头与传感器或真空泵连接；所述的上位机系统由通信接口模块和计算机组成，监测仪系统和上位机系统间通过串口接口连接。本发明的石窟凝结水环境监测仪采用模块化的设计思想。本发明所述的机箱盒内安装的中央处理模块直接与电源模块，数据采样模块，湿度传感器模块，时钟模块，液晶显示模块，数据存储模块，用户控制接口模块以及数据通信接口模块相连接，中央处理模块还间接与温度传感器模块，称重传感器模块相连接；所述的电源模块为整个系统的正常工作提供能量保障；通过所述的称重传感器模块、温度传感器模块和湿度传感器模块分别监测温度、湿度和凝结水量；数据采集模块用于将模拟检测信号数字化；通过所述的中央处理模块控制整个系统运行和处理数据；通过时钟模块记录每次测量的具体时间；通过液晶显示模块显示监测数据和具体相关操作界面；通过数据存储模块对测量数据进行存储；通过用户控制接口模块对设备装置实验测量的具体操作；通过数据通信模块实现仪器与计算机之间的通信。所述的电源模块采用低压差线性稳压器LT1086CM系列，分别设有模拟电源为5V， 数字电源有5V和3. 3V电源。电源模块为整个监测仪系统的正常工作提供能量保障。所述的温度传感器采用“三线制”的钼电阻温度传感器PT1000，并以惠斯登电桥的方式高灵敏度地实现温度的监测；湿度传感器采用温湿度一体传感器SHT75 ;凝结水称重传感器采用电阻应变式称重传感器；温度传感器和湿度传感器各设计有3个通道，凝结水称重传感器设计有I个通道。所述的数据采样模块采用桥式微小模拟信号转换的24位Α/D转换芯片ADS1234， 所述的中央处理模块采用超低功耗的16位单片机MSP430f 169，通过软件编程代码控制实现对称重传感器、温度传感器和湿度传感器信号的Α/D采样，并将采样数据和相应的监测时间自动存储于系统的SD卡设备中，同时可通过液晶显示模块在操作面板上实时显示。所述的数据存储模块采用便携的SD卡形式。采用SD卡方便携带大量实验数据， 以备后期数据分析与处理。所述的时钟模块采用时钟芯片DS1302。时钟模块用于精确记录每次实验参数所测量的具体时间。所述的数据通信模块采用SP202集成芯片。数据通信模块以串口的形式用于仪器与计算机之间的通信。所述的液晶显示模块采用分辨率为320*240的大屏幕液晶显示器，用于显示监测数据和仪器系统操作界面。所述的用户控制接口模块与中央处理模块相连接，采用高质量、高灵敏的特殊按键，用于用户对监测仪实验测量的具体操作。所述的上位机系统操作控制界面，采用C#语言进行了设计，实现监测数据在计算机实时显示并存储于计算机相应硬盘。本发明的石窟凝结水环境监测仪是一种具有对石窟表面凝结水电子动态测量功能的环境监测仪，对准确地测定实验对象的凝结水量，掌握洞窟凝结水产生的规律与石窟石雕表面凝结水的形成条件，为石窟文物保护相关的的治理方法与措施提供依据，进而为保护我国珍贵的石窟文物遗产提供意见，具有十分重要的意义。本发明的石窟凝结水环境监测仪与现有技术相比具有以下优点I、本发明是基于电子自动控制技术的一种用于石窟表面凝结水动态测量功能的环境监控设备，具有凝结水称重、三路石窟环境湿度测量、三路石窟环境温度测量，以及凝结水动态监测时间，检测数据可自动存储于便携式的SD卡存储设备功能。在SD卡中以文本的形式存储，并以测量的当天年月日时间为名命名文本，以便于日后查询，同时在每一文本中，具体的数据存储都按照一定的格式存储，每一检测数据均与其相应的检测时间对应。 并且具有数据实时显示和完善的人机操作界面等功能，可准确地测定石窟凝结水与相关主要环境参数，为研究石窟凝结水的产生规律与石窟文物表面凝结水的形成条件提供实验数据与理论依据，以达到制定针对性的、有效的石窟文物保护措施。2、本发明的监测仪系统可与上位机系统进行数据通信，可将数据自动存储和显示于计算机上；监测仪系统具有完美的操作和显示界面。3、本发明石窟凝结水环境监测仪的设计便携、精致、坚固，适用于石窟文物保护过程中的环境监测。
图I为本发明石窟凝结水环境监测仪总体外观结构示意图。图2本发明石窟凝结水环境监测仪操作面板结构示意图。图3为本发明石窟凝结水环境监测仪的系统结构方框图。图4为本发明石窟凝结水环境监测仪电源模块电路图。图5为本发明石窟凝结水环境监测仪温度传感器模块电路图。图6为本发明石窟凝结水环境监测仪湿度传感器模块电路图。图7为本发明石窟凝结水环境监测仪凝结水称重传感器模块电路图。图8为本发明石窟凝结水环境监测仪数据采样模块电路图。图9为本发明石窟凝结水环境监测仪中央处理模块电路图。图10为本发明石窟凝结水环境监测仪的时钟模块电路图。图11为本发明石窟凝结水环境监测仪的液晶显示模块电路图。图12为本发明石窟凝结水环境监测仪的用户控制接口模块电路图。图13为本发明石窟凝结水环境监测仪的上位机系统界面示意图。上述图中1_机箱盒、2_操作面板、3_箱盒盖、4_盒盖塾、5_绞链、6_机箱提手、 7-电源接口和开关“Power”，8-液晶显示窗口，9-温度监测接口，分别有Tl，T2，T3 ; 10-湿度监测接口，分别有Hl，H2，H3 ; 11-凝结水称重监测接口； 12-外设真空泵控制接口 “PUMP”; 13-散热孔“Radiator”、14-SD卡插孔，15-控制按键的四个“▲、▼、鵪>”上下左右的方向导航键；16- “0K”确认键；17- “BACK”返回(或取消)键；18- “ZERO”清零键;19_串口接口。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。实施例I :本发明的一种石窟凝结水环境监测仪，监测仪外观结构如图1、2所示， 所述的监测仪系统由监测仪的机箱盒I、箱盒盖3、铰链5、机箱提手6和机箱盒内的电路模块组成；所述的铰链5连接机箱盒I与箱盒盖3，箱盒盖3的内侧设有柔软的盒盖垫4，可以起到保护机箱盒上操作面板2的作用。所述的机箱盒内安装有电源模块、温度传感器模块，湿度传感器模块，凝结水称重传感器模块，数据采样模块，中央处理模块，时钟模块，液晶显示模块，数据存储模块，用户控制接口模块以及数据通信接口模块，所述的各模块集成在一块电路板上；机箱盒上设有操作面板2，操作面板上设有电源接口与开关7，液晶显示窗口 8、3个温度监测9，分别为T1，T2，T3接口 ；3个湿度监测接口 10，分别为Hl，Η2，Η3接口 ；1个凝结水称重监测接口 11，外设真空泵控制接口 12，散热孔13，SD卡插孔14，串口接口 19;还设有7个控制按键，分别是控制按键的四个“▲、▼、<、 ”上下左右的方向导航键15，“0Κ”确认键16，“BACK”返回(或取消)17，“ZERO”清零键18。整个监测仪的控制操作主要是通过7个控制按键来实现。仪器使用者可通过这7个按键对仪器进行具体的实验操作，如浏览不同界面，对仪器系统相关参数进行设置，如时间设置，存储时间设置，以及实施监控等操作，其中“清零”键主要用于在凝结水称重过程中的设置除皮清零。操作面板上的“SD卡插孔”用于监测时插入SD卡存储设备，以便存取实验相关监测数据；“串口接口” 用于仪器与计算机进行实验数据通信；所述的温度、湿度、称重传感器，外设真空泵控制接口均采用高质量航空插头与仪器进行连接，监测完毕，可将各传感器连接插头从仪器上取下并保存传感器，以便下次使用，并将监测仪箱盒盖盖好，确保监测仪安全。本发明石窟凝结水环境监测仪的电路系统结构参见图3的框图。包括监测仪系统和上位机系统。所述的中央处理模块直接与电源模块，数据采样模块，湿度传感器模块，时钟模块，液晶显示模块，数据存储模块，用户控制接口模块以及数据通信接口模块相连接， 中央处理模块还间接与温度传感器模块，称重传感器模块相连接；所述的电源模块为整个系统的正常工作提供能量保障；所述的凝结水称重传感器模块、温度传感器模块和湿度传感器模块分别用于凝结水量、温度和湿度的精确监测；数据采集模块用于对模拟检测信号进行高速准确的数字化；所述的中央处理模块用于整个系统的控制和数据处理；所述的时钟模块用于精确记录每次测量的具体时间；液晶显示模块用于显示监测数据和具体相关操作界面；数据存储模块用于对测量数据进行存储；用户通过用户控制接口模块对监测仪进行实验测量的具体操作；数据通信模块用于仪器与计算机之间的通信；所述的上位机系统由通信接口模块、计算机组成，监测仪系统和上位机系统间通过串口接口连接。整个仪器系统设计采用高性能的电子元件、芯片、传感器等设计制作集成电路PCB板，经校验以及定标，形成完整的监测仪。本发明电源模块电路设计与连接线路图参见图4 ;电源模块采用具有低噪声、高性能的低压差线性稳压器LT1086CM系列进行研究设计，分别设计了模拟电源和数字电源， 分别设有模拟电源为5V，数字电源有5V和3. 3V电源，用于系统设计的模拟电路和数字电路中，为整个系统的正常工作提供能量保障。本发明的温度传感器采用高精度的“三线制”钼电阻温度传感器PT1000，并以惠斯登电桥的方式高灵敏度地实现温度的监测；设有3个温度监测通道，其接线路图见图5。本发明的湿度传感器采用高精度的温湿度一体传感器SHT75进行设计，通过中央处理模块控制，实现了仪器系统高精度的湿度监测，也设有3个监测通道，其连接线路图参见图6。本发明的称重传感器采用电阻应变式称重传感器，对仪器系统凝结水量的精确监测，设计有I个凝结水称重传感器监测通道，其电路设计与连接线路图参见图7。本发明所述的数据采样模块采用的是具有超低噪声的、专用于桥式微小模拟信号转换的24位Α/D转换芯片ADS1234，参见图8，通过中央处理器控制，实现对三路温度差分信号、三路湿度信号和一路称重差分信号的高精度多通道Α/D采样。本发明所述的中央处理模块采用超低功耗的16位单片机MSP430H69进行设计，
6参见图9，中央处理模块通过软件编程代码控制实现对高精度的称重传感器、温度传感器和湿度传感器信号的Α/D采样，并将采样数据和相应的监测时间自动存储于系统的SD卡设备中，同时可通过液晶显示模块在操作面板上实时显示。本发明中的时钟模块采用时钟芯片DS1302，参见图10，时钟模块用于精确记录每次实验参数所测量的具体时间。本发明中的液晶显示模块设计参见图11。本发明中的用户控制接口模块采用参见图12，图12中的电阻电容起到硬件滤波消抖作用。本发明所述的上位机采用C#语言设计上位机界面，实现监测数据在计算机实时显示并存储于计算机相应硬盘。上位机系统的操作控制界面参见图13。系统在显示界面中包括有3个通道温度、湿度参数显示，I个凝结水量参数的显示，在界面的右侧有日期显示及当前时间显示、波特率、端口、检测数据自动存储以及具体操作说明窗口。实施例2 :本发明石窟凝结水环境监测仪使用步骤如下(I)根据具体实验环境地点，选择可进行正常实验或测量的的平台，放好仪器箱并打开；(2)将仪器成套配装的温度传感器、湿度传感器、称重传感器以及真空泵接口通过航空插头分别连接于仪器各自端口；(3)将仪器配套的电源线、串口线与仪器相连；将电源线接入电压为220V，50Hz市电；(4)将SD卡插入仪器上所标定的卡孔(若不插入，则开机后仪器系统在初始化完成后，通过界面显示内容对用户进行提示)；(5)仪器相关链接一切完成后，拨动电源开关，仪器开始进入工作状态；(6)在计算机上打开运行仪器配套的上位机软件(若在整个实验监测过程中，不需要使用计算机，则该步骤跳过)；(7) 一切正常后，操作面板上进入开机主显示界面，通过OK键进入下一菜单界面；(8)进入菜单界面后，通过导航键和0K，BACK键进入“监控说明”界面，可具体的了解仪器的具体操作和应用等；(9)返回菜单界面，通过四个导航方向键和0K、BACK键首先进入“时间设置”界面， 对系统时间进行设置，若开机后，主界面显示时间准确，则该步骤可以跳过；(10)设置完时间后，返回菜单界面，对仪器系统SD卡存储时间进行设置，进入“存储设置”界面，通过导航键设置数据自动存储于SD卡的时间间隔，可精确到I分钟；(11)设置完成后，返回菜单界面，进入“开始监控”界面，通过ZERO键，对称重初始值进行调零，启动真空泵，通过真空泵获取待测样本凝结水，通过干燥管中的干燥器吸收， 测量干燥管的重量，从而获得凝结水的量。该界面实时显示各个相关参数的监测数据，并自动的将监测数据按事先设置好的存储时间间隔存储于SD卡中，并将数据实时发送于上位机系统；(12)待具体实验完成后，通过操作键返回到开机显示界面，并关闭电源开关，再依次的从仪器各接口上取下所连接的传感器插头或者引线插头，以及SD卡；(13)盖好监测仪箱盒盖，并妥善放置监测仪。最后要说明的是，本发明主要应用于石窟文物保护及其科学研究过程中的环境监测，同时也适用于环境工程领域中的其他实验应用研究，以及相关实验教学等研究。
权利要求
1.一种石窟凝结水环境监测仪，包括监测仪系统和上位机系统，其特征在于所述的监测仪系统由监测仪的机箱盒、箱盒盖、铰链、机箱提手和机箱盒内的电路模块组成；所述的铰链连接机箱盒与箱盒盖，所述的机箱盒内安装有电源模块、温度传感器模块，湿度传感器模块，凝结水称重传感器模块，数据采样模块，中央处理模块，时钟模块，液晶显示模块， 数据存储模块，用户控制接口模块以及数据通信接口模块，所述的各模块集成在一块电路板上；机箱盒上设有操作面板，操作面板上设有电源接口与开关，液晶显示窗口，温度、湿度、凝结水称重监测接口，外设真空泵控制接口，串口接口，还设有7个控制按键，SD卡插孔和散热孔；所述的温度、湿度、凝结水称重监测接口、外设真空泵控制接口均采用航空插头与传感器或真空泵连接；所述的上位机系统由通信接口模块和计算机组成，监测仪系统和上位机系统间通过串口接口连接。
2.根据权利要求I所述的石窟凝结水环境监测仪，其特征在于所述的机箱盒内安装的中央处理模块直接与电源模块，数据采样模块，湿度传感器模块，时钟模块，液晶显示模块，数据存储模块，用户控制接口模块以及数据通信接口模块相连接，中央处理模块还间接与温度传感器模块，称重传感器模块相连接；所述的电源模块为整个系统的正常工作提供能量保障；通过所述的称重传感器模块、温度传感器模块和湿度传感器模块分别监测温度、 湿度和凝结水量；数据采集模块用于将模拟检测信号数字化；通过所述的中央处理模块控制整个系统运行和处理数据；通过时钟模块记录每次测量的具体时间；通过液晶显示模块显示监测数据和具体相关操作界面；通过数据存储模块对测量数据进行存储；通过用户控制接口模块对监测仪实施实验测量的具体操作；通过数据通信模块实现仪器与计算机之间的通信。
3.根据权利要求I所述的石窟凝结水环境监测仪，其特征在于所述的电源模块采用低压差线性稳压器LT1086CM系列，分别设有模拟电源为5V，数字电源有5V和3. 3V电源。
4.根据权利要求I所述的石窟凝结水环境监测仪，其特征在于所述的温度传感器采用“三线制”的钼电阻温度传感器PT1000，并以惠斯登电桥的方式高灵敏度地实现温度的监测；湿度传感器采用温湿度一体传感器SHT75 ;凝结水称重传感器采用电阻应变式称重传感器；温度传感器和湿度传感器各设计有3个通道，凝结水称重传感器设计有I个通道。
5.根据权利要求I所述的石窟凝结水环境监测仪，其特征在于所述的数据采样模块采用桥式微小模拟信号转换的24位A/D转换芯片ADS1234，所述的中央处理模块采用超低功耗的16位单片机MSP430H69，通过软件编程代码控制实现对称重传感器、温度传感器和湿度传感器信号的A/D采样，并将采样数据和相应的监测时间自动存储于系统的SD卡设备中，同时可通过液晶显示模块在操作面板上实时显示。
6.根据权利要求I所述的石窟凝结水环境监测仪，其特征在于所述的数据存储模块采用便携的SD卡形式。
7.根据权利要求I所述的石窟凝结水环境监测仪，其特征在于所述的时钟模块采用时钟芯片DS1302。
8.根据权利要求I所述的石窟凝结水环境监测仪，其特征在于所述的数据通信模块采用SP202集成芯片。
全文摘要
本发明涉及一种石窟凝结水环境监测仪，包括监测仪和上位机系统，监测仪由机箱盒、箱盒盖、铰链、机箱提手和电路组成；机箱盒内电源，温、湿度、称重传感器，数据采样，中央处理，时钟，液晶显示，数据存储，用户控制接口及数据通信接口等模块均集成在一块电路板上；机箱盒的操作面板上设有电源接口与开关，液晶显示，SD卡插孔、控制按键和传感器接口，真空泵接口，串口，其中传感器接口和真空泵接口均采用航空插头；上位机系统由通信接口模块和计算机组成，监测仪和上位机系统间由串口连接。本监测仪能准确测定石窟凝结水量，掌握凝结水产生的规律与形成条件，为石窟文物保护制定相关的治理方法与措施提供依据，对保护石窟文物具有重要的意义。
文档编号G01N5/02GK102590009SQ20121000933
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月13日 优先权日2012年1月13日
发明者叶敦范, 方云, 王西锋, 胡学军, 陈润明, 韩超 申请人:中国地质大学(武汉)