一种用于电子产品的温湿度记录装置

北京航天试验技术研究所，北京 100074

一、引言

对于高可靠的电子产品，因其电路结构复杂，工作环境特殊，以及维修困难性，对可靠性有着很高的要求。环境因素造成的电子产品故障是严重的，国外曾对机载电子产品进行故障剖析。结果发现，50%以上的故障是由环境因素所致。大部分电子产品都要求在干燥条件下作业和存放。据统计，全球每年有1/4以上的工业制造不良品和温度与湿度的危害有关。对于电子工业，温度与湿度的危害已经成为影响产品质量的主要因素[1-3]。对于原料仓库、生产车间、成品仓库和运输车辆的温湿度，传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。而在物流方面，企业基本没有办法管理运输车辆上的温湿度变化[4-5]。

随着市场对体积小、密度高且轻便的便携式电子产品的需求增加，几乎所有的厂商都对其配件供应商要求供应的零配件是满足某些特定环境条件的合格产品。本文介绍一种用于电子产品的温湿度记录装置，它不仅可以用在仓库等场所，也可以用在物流等方面，在进行温度实时监控的同时，还可以进行USB数据输出。

二、温湿度记录装置系统总体设计

图1为系统的原理框图，温度传感器和湿度传感器把数据传送到数据采集装置，然后通过系统进行温度记录，记录的同时可对温度进行实时显示，然后可通过USB数据口把数据传送到电脑上进行显示处理。这样的系统比较简单，对于环境的温度可以进行长时间的记录。

1、温湿度传感器

温度传感器热电偶是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，是工业上最常用的温度检测元件之一。

温度传感器采用SM6610BH-G-EL，它的测温范围在-55℃～+150℃之间，而且精度高。M档在测温范围内非线性误差为±0.3℃。SM6610BH-G-EL无需进行线性校正，所以使用也非常方便，接口也很简单。作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。

测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。

湿度传感器采用HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。 相对湿度在10%-100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/℃。

2、微控制器模块

微控制器是整个主控电路的关键，要求既能完成对采集来的数据进行快速处理，又能完成对整个外部接口芯片进行控制，所以本系统要选择一款速度高、低功耗的微控制器。本系统就选择了意法半导体公司的STM32F101C8作为主控芯片。

根据系统要求选用意法半导体公司的芯片STM32F101C8作为主控芯片，此芯片是32位的Cortex-M3内核的控制的芯片。此款芯片嵌入了哈佛结构的Cortex-M3内核，利用它独立的数据总线和指令总线，就可以使微控制器并行访问数据，这样就有利于系统的运行。

STM32F101C8作为系统的主控芯片，其封装形式为LQFP48，其大小为7mm×7mm，工业温度范围-40°～85°，最高时钟频率可以达到72MHz，而且当达到1.25DMips/MHz时，能够做到对存储器的等待周期为0。

微控器的其他功能特点如下：内部带有256KB的FLASH和64KB的SRAM用来存储程序。其供电电压范围在2.0V～3.6V。系统采用电源芯片TLV1117供电，输出电压3V，同时系统也可用钮扣电池供电，还有微控器支持断电复位和上电复位，另外晶振时钟频率范围为3～25MHz，本系统采用8MHz晶振作为系统时钟源，同时系统内部自嵌8MHz时钟晶体振荡器，实时时钟RTC采用晶振32.768kHz。STM32F101C8芯片自带两个16通道的12位A/D转换器和两个12位D/A转换器，同时内部还有12通道的DMA控制器，可以支持外设A/D转换器、D/A转换器、I2S总线、SPI总线、I2C和UART等。微控制器的普通I/O口可达到40多个，更方便于对系统的开发，16个外部中断向量，有两种下载模式：一种JTAG下载模式，另一种是串行的SWD模式，本模块电路使用JTAG模块下载，所使用下载器有J-LINK、U-LINK、ST-LINK等。嵌入了USB-2.0高速接口设备，具有DMA控制器的介质访问控制MAC，达到10/100bit/s的传输速率。其微控制器原理图如图2所示。

3、电源模块

本系统的电源电压供电为3.3V，使用的是电源芯片LV1117作为微处理器的电源系统。另外系统使用J-LINK通过20针的JTAG接口下载程序到微处理器里。系统时钟使用的是外部8MHz的无源晶振作为系统的时钟。

4、存储系统的设计

本系统在程序运行设计中，需要对很多的数据处理，因此需要大量的程序存储空间，所以系统选择使用了EEPROM存储芯片。

系统选择存储芯片M24C64来存储数据，M24C64是一款通过I2C总线传输数据的串行CMOS器件，其容量为64KB，供电电压范围为1.8V-5.5V，工业工作温度范围-40℃～ +85℃。其中CE0、CE1、CE2为三个地址选择管脚，其中I2C_SCK为时钟信号，I2C_SDA为数据信号，此芯片供电电压为3V，其电路原理图如图4所示。

三、温湿度记录装置结构设计

便携式温度记录装置主要应用原料仓库、生产车间、成品仓库和运输车辆的温湿度。故应做成小型便携的形式，此便携式温度记录装置应有以下优点，体积小，便于挂放和粘贴，便于数据输出。

温湿度记录装置整体最大尺寸为54mm×23mm×8mm。主要包括数据口盖、USB接口、线路板、上盖、下盖、液晶屏、永久磁铁、纽扣电池与电池存放盖等。液晶屏可显示环境的温度与湿度，同时可以显示时间；磁铁固定在装置下盖；电池存放盖设计有可以顺利取出纽扣电池的卡槽；上盖与下盖的一侧设有凸起，并在凸起的部位有通槽，其各部分结构如图5所示。

这样设计的优势主要为：

1、带有液晶屏的实时显示，可以为随时查看数据，调整仓库的温湿度提供依据；

2、带有USB的数据输出口，可随时查看记录的数据，并可在电脑上进行数据处理，并可为仓库温湿度提供长时间的数据支持；

3、记录装置的小型化设计，极其有利于记录装置的携带；

4、创新的添加磁铁装置，可把记录装置吸附在任何有金属铁的地方，便于记录装置的放置，便于其在仓库与运输车辆的使用；

5、上盖与下盖的一侧设有凸起设计，便于温湿度记录设置从插入电脑拔出，通槽设计可对其悬挂标牌，便于不同位置温度的区分。

四、结论

这种温湿度记录装置微控制器既能完成对采集来的数据进行快速处理，又能完成对整个外部接口芯片进行控制，同时可以进行显示与数据输出。不仅可以用在电子产品仓库等场所，也可以用在电子产品物流等方面，对与电子产品的精度变差与失效有着极大的帮助。此外，这种便携式温湿度记录装置结构简单小巧，对于电子产品仓库、物流等方面有着极强的适应性。