摘要：以制药环境温湿度的监测系统设计过程及工艺要求为切入点，从硬件选取及其实现功能、硬件设计、软件设计三方面利用单片机和传感器系统进行研究，可实现对温度和湿度的精确测量，可提高生产的自动化程度，成本低廉，应用十分广泛。
关键词：制药环境；单片机；传感器；温湿度检测
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。
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
2.1MCS-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：＜8s；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。
2.3ISD4002系列单片语音录放电路
ISD4002系列工作电压为3V，单片录放时间2～4min，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。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。
3.2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～DpRamN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FlashOnOff可改变闪烁频率和占空比（亮和灭的时间）。
3.3电源设计
本系统的电源电路如图2所示。该电路具备2种供电方式：其中POWER1为外接直流9V供电电源，POWER2为外接5V直流电源，POWER1与POWER2通过开关KP进行选择。POWER1为9V的直流电，通过ACadapter将输入的100～240V的交流电转为9V直流电输出。输出的9V电源不能直接给各芯片进行供电，采用三端集成稳压器LM7805将其转为稳定的5V电源。二极管用于整流，C1、C2为滤波电容，取100μF。C3主要用于滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应，取典型值0.1μF。LED1为电源指示灯，其连接LED1的限流电阻R31取200Ω。POWER2是通过USB接PC机获得的电压，其电压值为5V，可以直接供电。
3.4温湿度传感器电路
温湿度传感器模块的功能是在接收到单片机采集温湿度的指令后，开始采集当前的温湿度数据，并将采集到的数据返回给单片机。
3.5单片机电路
电路中的电容C5、C6起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容取30pF。系统中需要采用串口，选用晶振频率为11.0592MHz的晶体振荡器产生时钟脉冲。复位电路是单片机内电路的初始化操作，是单片机从一种确定的状态开始工作。只要给单片机的RESET引脚加上两个机器周期以上的高电平信号，就可以使单片机复位。当系统电源开始供电时，复位电路在上电自动复位状态上工作，通过外部复位电路的电容充电得以实现，系统死机时，按键复位。
3.6温湿度传感器SHT15的使用
DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号冲突，单片机应驱动DATA在低电平。需要一个外部的上拉电阻（例如：10kΩ）将信号提拉至高电平。
单片机发布一组测量命令（‘00000101’表示相对湿度RH，‘00000011’表示温度T）后，控制器要等待测量结束。这个过程大约需要320ms，14bit测量。确切的时间随内部晶振速度，可能有-30%的变化。SHT15通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式，表示测量的结束。控制器再次触发SCK时钟前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。检测数据可以先存储，这样控制器可以继续执行其他任务，在需要时再读出数据。
3.7数据记录单元电路设计
为方便数据的记录及查询，设计中采用24lc512作为存储单元。该芯片由美国微芯科技公司生产的电擦写式只读存储器容量范围为512K，最大频率为400kHz。支持I2C串行接口，以x8位存储器块进行组合。允许工作电压2.5-5.5V，待机电流和工作电流分别为1μA和1mA，具有页写入能力。功能性地址线允许连接到同一条总线上的器件数目最多可达8个，本设计中使用了4个24lc512。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。
结论
温湿度传感器SHT15集温度传感器和湿度传感器于一体，因此，采用SHT15进行温湿度实时监测的系统具有精度高、成本低、体积小、接口简单等优点。该芯片在温湿度监测、自动控制等领域均已得到广泛应用，在现代化温室控制系统中具有广阔的发展前景。另外24lc512芯片内部集成存储容量大，性能稳定便于操作。本文设计的便携式数显温湿度检测记录仪体积小，重量轻，性能稳定可靠，且便于携带；与传统的模拟式温湿度计相比具有明显的优势，即数字式显示，方便读出数值；保存温度湿度值，通过输出变化曲线，可以掌握环境温湿度的变化趋势，从而可以做出相对性的措施进行环境的改良。系统电路简单，留有扩展接口，便于系统的升级和改良
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论文作者:杨燕菲
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/17
标签：温湿度论文; 单片机论文; 湿度论文; 电路论文; 测量论文; 系统论文; 温度论文; 《建筑学研究前沿》2017年第34期论文;