對制藥工作環(huán)境的溫濕度檢測研究

梁世林 馬一鳴 孫彥萍

（山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東淄博255049）

0 引言

在現(xiàn)代制藥生產(chǎn)中，環(huán)境因素是影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素之一，其中的溫度、濕度是環(huán)境的兩項(xiàng)主要指標(biāo)。當(dāng)前，一些高精度溫度傳感器的精度可達(dá)到±0.01℃，然而價(jià)格非常昂貴，一般只作為高分辨力的精度測量或用作測溫儀器的標(biāo)準(zhǔn)。而對于生產(chǎn)應(yīng)用中的較低精度溫濕度測量系統(tǒng)，現(xiàn)有的系統(tǒng)多采用與計(jì)算機(jī)直接結(jié)合的工作模式，增加了系統(tǒng)的成本。

鑒于目前的情況，提出以價(jià)格低廉的單片機(jī)作為控制核心，以多個(gè)溫度、濕度傳感器作為測量元件，構(gòu)成了低成本的智能溫濕度測量系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，根據(jù)測量空間或設(shè)備的實(shí)際需要，由多路溫度、濕度傳感器對關(guān)鍵溫濕度點(diǎn)進(jìn)行測量，由安裝于儀器內(nèi)的單片機(jī)對各路數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)檢測、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)溫、濕度的智能測量。

其特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)的成本低；

（2）系統(tǒng)具有與計(jì)算機(jī)的通訊功能，在長時(shí)間數(shù)據(jù)采集完成后，可以將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)的研究分析，既具有智能測量功能，又節(jié)省硬件成本；

（3）智能溫濕度測量系統(tǒng)外形尺寸小，既可用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度的測量，又可用于儀器、大型設(shè)備等的內(nèi)部環(huán)境測量。

1 溫濕度的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程及工藝要求

1.1 基本功能

溫濕度檢測系統(tǒng)的基本功能有溫度檢測、濕度檢測、溫度顯示、濕度顯示、過限報(bào)警。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

溫濕度檢測系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)有：（1）溫度檢測范圍：-30～+50℃；（2）測量精度：±0.5℃；（3）濕度檢測范圍：RH10%～100%；（4）檢測精度：RH1%；（5）顯示方式：溫度四位顯示，濕度四位顯示；（6）報(bào)警方式：三極管驅(qū)動(dòng)的蜂鳴音報(bào)警。

2 硬件選取及其實(shí)現(xiàn)功能

2.1 MCS-51單片機(jī)

MCS-51單片機(jī)把微型計(jì)算機(jī)的基本部件，如將中央處理器、隨機(jī)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、并行I/O接口、串行I/O接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)以及特殊功能寄存器等集成在一塊芯片上，并通過單一的內(nèi)部總線連接起來。

2.2 溫濕度傳感器

SHT10系列為貼片型溫濕度傳感器芯片；全量程標(biāo)定，兩線數(shù)字輸出；濕度測量范圍：RH0～100%；溫度測量范圍：-40～+123.8℃；濕度測量精度：±RH4.5%；溫度測量精度：±0.5℃；響應(yīng)時(shí)間：＜8 s；低功耗（typ.30μW）；可完全浸沒。

應(yīng)用領(lǐng)域：數(shù)據(jù)采集器、變送器、自動(dòng)化過程控制、汽車行業(yè)、樓宇控制與暖通空調(diào)、電力、計(jì)量測試、醫(yī)藥業(yè)。

2.3 測量數(shù)據(jù)處理

2.3.1 轉(zhuǎn)換系數(shù)

相對濕度為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，建議使用如下公式修正讀數(shù)RHlinear。

式中RHlinear——相對濕度；

C1，C2，C3——轉(zhuǎn)換系數(shù)，按濕度轉(zhuǎn)換系數(shù)（表1）選取；

SORH——傳感器相對濕度的讀出數(shù)。

表1 濕度轉(zhuǎn)換系數(shù)

2.3.2 溫度

由能隙材料PTAT（正比于絕對溫度）研發(fā)的溫度傳感器具有極好的線性，可用如下公式將數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)字輸出Temperature。

式中Temperature——溫度；

d1，d2——溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)，按溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)（表2）選取；

SOT——傳感器的溫度數(shù)字輸出。

2.4 ISD4002系列單片語音錄放電路

ISD4002系列工作電壓為3 V，單片錄放時(shí)間2～4 min，音質(zhì)好，適用于移動(dòng)電話及其他便攜式電子產(chǎn)品。芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。

表2 溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)

芯片設(shè)計(jì)基于所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過串行通信接口（SPI或Microwire）送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲。

3 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)電路由單片機(jī)、電源電路、數(shù)碼管顯示電路、溫濕度采集電路、報(bào)警電路、按鍵電路構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1 溫濕度采集模塊

溫濕度傳感器STHT10是含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。為避免信號沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA在低電平，所以還必須在I/O電路中，DATA引腳上加上一個(gè)上拉電阻將信號提拉至高電平，用一個(gè)10 kΩ的電阻接至電壓源。圖2為溫濕度采集部分電路。

圖2 濕度采集部分電路

3.2 語音播報(bào)模塊

該系統(tǒng)另一個(gè)重要組成部分是語音播報(bào)模塊，外部時(shí)鐘XCLK在外接地時(shí)鐘時(shí)，此端必須接地，其主電路圖如圖3所示。

圖3 語音播報(bào)主電路

ISD4002在音頻輸出端（AUDOUT）由于輸出信號功率小，不能完全驅(qū)動(dòng)負(fù)載，因此在負(fù)載前需加音頻功率放大器，ISD4002輸出的電壓偏低，LM386是低電壓音頻功率放大器，其設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

3.3 按鍵模塊

此電路設(shè)計(jì)比較簡單，采用6個(gè)鍵來設(shè)定溫度和濕度的報(bào)警值。

3.4 數(shù)碼管顯示模塊

數(shù)碼管顯示電路采用ZLG7290（LED）驅(qū)動(dòng)器，在每個(gè)顯示刷新周期ZLG7290按照掃描位數(shù)寄存器ScanNum指定顯示位數(shù)N，把顯示緩存DpRam0～DpRam N的內(nèi)容按先后循序送入LED驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，減少N值可提高每位顯示掃描時(shí)間的占空比，以提高LED亮度，顯示緩存中的內(nèi)容不受影響，修改閃爍控制寄存器Flash On Off可改變閃爍頻率和占空比（亮和滅的時(shí)間）。

圖4 音頻功率放大電路

4 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件主程序圖如圖5所示。作區(qū)的溫濕度信息，溫濕度信息通過數(shù)碼管直觀地顯示給用戶，用戶可以根據(jù)對溫濕度的使用要求，通過鍵盤自行設(shè)置溫度及濕度的報(bào)警值，當(dāng)溫度或

圖5 系統(tǒng)軟件主程序圖

5 結(jié)語

環(huán)境條件特別是制藥工作環(huán)境的溫度、濕度的要求，對藥品的性能影響很大，環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度、濕度等指標(biāo)，非正常情況下可以報(bào)警。

該溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時(shí)反映當(dāng)前系統(tǒng)工濕度超出用戶設(shè)定的范圍時(shí)，該系統(tǒng)可以自動(dòng)執(zhí)行語音報(bào)警，此時(shí)數(shù)碼管閃爍發(fā)出視覺告警。