对制药工作环境的温湿度检测研究

2015-03-14梁世林马一鸣孙彦萍

机电信息 2015年17期

梁世林马一鸣孙彦萍

（山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255049）

0 引言

在现代制药生产中，环境因素是影响产品质量的主要因素之一，其中的温度、湿度是环境的两项主要指标。当前，一些高精度温度传感器的精度可达到±0.01℃，然而价格非常昂贵，一般只作为高分辨力的精度测量或用作测温仪器的标准。而对于生产应用中的较低精度温湿度测量系统，现有的系统多采用与计算机直接结合的工作模式，增加了系统的成本。

鉴于目前的情况，提出以价格低廉的单片机作为控制核心，以多个温度、湿度传感器作为测量元件，构成了低成本的智能温湿度测量系统。在该系统中，根据测量空间或设备的实际需要，由多路温度、湿度传感器对关键温湿度点进行测量，由安装于仪器内的单片机对各路数据进行循环检测、存储，实现温、湿度的智能测量。

其特点：

（1）系统的成本低；

（2）系统具有与计算机的通讯功能，在长时间数据采集完成后，可以将数据传送到计算机进行相关的研究分析，既具有智能测量功能，又节省硬件成本；

（3）智能温湿度测量系统外形尺寸小，既可用于实验室环境温度的测量，又可用于仪器、大型设备等的内部环境测量。

1 温湿度的监测系统设计过程及工艺要求

1.1 基本功能

温湿度检测系统的基本功能有温度检测、湿度检测、温度显示、湿度显示、过限报警。

1.2 主要技术参数

温湿度检测系统的主要技术参数有：（1）温度检测范围：-30～+50℃；（2）测量精度：±0.5℃；（3）湿度检测范围：RH10%～100%；（4）检测精度：RH1%；（5）显示方式：温度四位显示，湿度四位显示；（6）报警方式：三极管驱动的蜂鸣音报警。

2 硬件选取及其实现功能

2.1 MCS-51单片机

MCS-51单片机把微型计算机的基本部件，如将中央处理器、随机存储器、程序存储器、并行I/O接口、串行I/O接口、定时器/计数器、中断系统以及特殊功能寄存器等集成在一块芯片上，并通过单一的内部总线连接起来。

2.2 温湿度传感器

SHT10系列为贴片型温湿度传感器芯片；全量程标定，两线数字输出；湿度测量范围：RH0～100%；温度测量范围：-40～+123.8℃；湿度测量精度：±RH4.5%；温度测量精度：±0.5℃；响应时间：＜8 s；低功耗（typ.30μW）；可完全浸没。

应用领域：数据采集器、变送器、自动化过程控制、汽车行业、楼宇控制与暖通空调、电力、计量测试、医药业。

2.3 测量数据处理

2.3.1 转换系数

相对湿度为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，建议使用如下公式修正读数RHlinear。

式中RHlinear——相对湿度；

C1，C2，C3——转换系数，按湿度转换系数（表1）选取；

SORH——传感器相对湿度的读出数。

表1 湿度转换系数

2.3.2 温度

由能隙材料PTAT（正比于绝对温度）研发的温度传感器具有极好的线性，可用如下公式将数字输出转换为温度数字输出Temperature。

式中Temperature——温度；

d1，d2——温度转换系数，按温度转换系数（表2）选取；

SOT——传感器的温度数字输出。

2.4 ISD4002系列单片语音录放电路

ISD4002系列工作电压为3 V，单片录放时间2～4 min，音质好，适用于移动电话及其他便携式电子产品。芯片采用CMOS技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。

表2 温度转换系数

芯片设计基于所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口（SPI或Microwire）送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声。

3 硬件设计

该系统电路由单片机、电源电路、数码管显示电路、温湿度采集电路、报警电路、按键电路构成，其系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

3.1 温湿度采集模块

温湿度传感器STHT10是含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平，所以还必须在I/O电路中，DATA引脚上加上一个上拉电阻将信号提拉至高电平，用一个10 kΩ的电阻接至电压源。图2为温湿度采集部分电路。

图2 湿度采集部分电路

3.2 语音播报模块

该系统另一个重要组成部分是语音播报模块，外部时钟XCLK在外接地时钟时，此端必须接地，其主电路图如图3所示。

图3 语音播报主电路

ISD4002在音频输出端（AUDOUT）由于输出信号功率小，不能完全驱动负载，因此在负载前需加音频功率放大器，ISD4002输出的电压偏低，LM386是低电压音频功率放大器，其设计电路如图4所示。

3.3 按键模块

此电路设计比较简单，采用6个键来设定温度和湿度的报警值。

3.4 数码管显示模块

数码管显示电路采用ZLG7290（LED）驱动器，在每个显示刷新周期ZLG7290按照扫描位数寄存器ScanNum指定显示位数N，把显示缓存DpRam0～DpRam N的内容按先后循序送入LED驱动器实现动态显示，减少N值可提高每位显示扫描时间的占空比，以提高LED亮度，显示缓存中的内容不受影响，修改闪烁控制寄存器Flash On Off可改变闪烁频率和占空比（亮和灭的时间）。