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
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）。
图4 音频功率放大电路
4 软件设计
该系统软件主程序图如图5所示。作区的温湿度信息，温湿度信息通过数码管直观地显示给用户，用户可以根据对温湿度的使用要求，通过键盘自行设置温度及湿度的报警值，当温度或
图5 系统软件主程序图
5 结语
环境条件特别是制药工作环境的温度、湿度的要求，对药品的性能影响很大，环境自动监测报警系统可以实时监测温度、湿度等指标，非正常情况下可以报警。
该温湿度监测系统能够及时反映当前系统工湿度超出用户设定的范围时，该系统可以自动执行语音报警，此时数码管闪烁发出视觉告警。
