摘 要

原子钟是衡量时间的重要仪器，然而其精度和稳定性极大地受外界环境影响，因此需要为原子钟提供一个稳定性极高的工作环境。温度和湿度是原子钟房的两个非常重要的监测指标，对其实行准确的测量和控制是保证原子钟可靠工作的重要前提。

本文设计了一款适用于原子钟房或相似应用需求的多通道超高精密温湿度智能监测仪。主要完成了如下几个方面的工作：

1. 首先针对原子钟房温湿度精度需求设计并论证了监测系统的整体方案；
2. 随后完成了对温湿度采集模块器件的筛选、设计了相应的硬件电路并对PCB板打样、封装与调试；
3. 完成了下位机底层代码设计，其中包括温湿度芯片的驱动程序、ModBus通讯协议、数字滤波方法等；
4. 进行整体系统指标测试实验结果表明：设计的温湿度监测仪实现了0.1℃(235℃)和％2RH(50%RH)的温湿度测量精度，完全达到了设计要求。

本次设计的这款温湿度监测仪具有精度高、可靠性好、体积小、易分布、环境适应能力强的优点，可用于对原子钟房的测量。

关键词：超高精度；数字传感器；温湿度；MODBUS

Abstract

The atomic clock is an important instrument for measuring time. However, its accuracy and stability are greatly affected by the external environment, so it is necessary to provide an extremely stable working environment for the atomic clock. Temperature and humidity are two very important monitoring indicators for the atomic clock room. Accurate measurement and control is an important prerequisite for ensuring reliable operation of the atomic clock.

This paper designs a multi-channel ultra-high precision temperature and humidity intelligent monitor suitable for atomic clock room or similar applications^[1]. Mainly completed the following aspects of work:

1. Completed the overall scheme design and demonstration of the temperature and humidity monitoring system according to the application requirements;
2. Completed the selection of temperature and humidity sensor and related hardware circuit design, PCB board production, packaging and debugging;
3. Completed the software design of the lower computer, including temperature and humidity sensor driver, ModBus communication protocol, digital filter, etc.
4. The performance test of the multi-channel temperature and humidity monitor was completed. The experimental results show that the designed temperature and humidity monitor achieves the temperature and humidity measurement accuracy of 0.1 °C (235℃) and %2RH (50% 10% RH), which fully meets the design requirements.

The temperature and humidity monitor designed this time has the advantages of high precision, good reliability, small size, easy distribution, and strong environmental adaptability. It can be used in multi-point, high-precision temperature and humidity monitoring applications.

Keywords: temperature and humidity acquisition; RS485; MODBUS; digital output; high precision

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究历程与现状 2

1.3研究内容与章节安排 4

第2章 系统总体方案设计 5

2.1 系统设计目标 5

2.2 系统基本构成 6

2.3系统设计方案选择 6

第3章 系统硬件电路设计 9

3.1 单片机模块 9

3.1.1单片机的选型 9

3.1.2 单片机电路 10

3.1.3 复位电路 11

3.1.4 SWD调试接口电路 12

3.2 电源模块 13

3.2.1 选型和电路设计 13

3.2.2 电源仿真 14

3.3通信模块 15

3.3.1 方案选择 15

3.3.2 RS-485电路设计 16

3.3.3 拨码开关电路 18

3.4 温度采集模块 19

3.4.1 方案选择 19

3.4.2 TMP117电路设计 25

3.5湿度采集模块 26

3.5.1 SHT31简介 26

3.5.2 SHT31电路 27

3.6 PCB设计 28

3.6.1 外形定义与基本配置 29

3.6.2 PCB设计注意事项 30

第4章 系统软件设计 32

4.1 通讯 32

4.1.1 总线介绍 32

4.1.2 TMP117驱动 33

4.1.3 SHT31驱动 36

4.2 通讯程序 37

4.2.1 RS-485通讯程序 37

4.2.2 ModBus协议 38

4.2.3 地址分配程序 40

4.3 数字滤波算法 41

第5章 系统性能测试与结果分析 42

5.1 系统运行测试 42

5.1.1 硬件电路测试 42

5.1.2 温湿度多通道测量 42

5.2 温湿度数据分析 44

5.2.1 温度数据测试 44

5.2.2 湿度数据测试 45

第6章 总结和展望 47

6.1总结 47

6.2 后续工作展望 47

参考文献 48

附录 49

致谢 56

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

原子钟，专业名称为原子时间频率标准，简称原子频标。它是时间的重要载体，是一种高精度的频率标准，其基本功能为守时和授时并且已经被广泛应用于计量、导航定位、通信等多个领域。然而由于原子钟，尤其是氢原子钟的工作原理，原子钟的精度和稳定性极大地受到外界环境温湿度变化的影响，一般来说1℃的温度变化就会使原子钟的稳定性降低一个数量级^[2]。为了保证温度系数确定的原子钟能够连续、稳定运行并达到理想的稳定性和精度指标，需要为原子钟设备提供温湿度稳定性极高的工作环境。在由多台原子钟构成钟组的使用情况下，一般采取建超高精密原子钟房（如图1.1）的方式给原子钟提供稳定工作环境。若想实现对原子钟房的超高精度控制，首先需要实现准确的环境参数测量。由于原子钟房的空间较大，只使用一个温湿度探头肯定不能完整地表现整个环境的状态，需要按照一定的规律在房间安插多个温湿度探头，使之同时读取数据传输给监测设备，综合分析后可建出一个三维立体的温湿度场，这样才能更加清晰准确地反映整个原子钟房的内部环境^[3]。为此，研究对原子钟房的多通道超高精密温湿度测量显得尤为重要。