對制藥工作環境的溫濕度檢測研究

梁世林 馬一鳴 孫彥萍

（山東理工大學電氣與電子工程學院，山東淄博255049）

0 引言

在現代制藥生產中，環境因素是影響產品質量的主要因素之一，其中的溫度、濕度是環境的兩項主要指標。當前，一些高精度溫度傳感器的精度可達到±0.01℃，然而價格非常昂貴，一般只作為高分辨力的精度測量或用作測溫儀器的標準。而對于生產應用中的較低精度溫濕度測量系統，現有的系統多采用與計算機直接結合的工作模式，增加了系統的成本。

鑒于目前的情況，提出以價格低廉的單片機作為控制核心，以多個溫度、濕度傳感器作為測量元件，構成了低成本的智能溫濕度測量系統。在該系統中，根據測量空間或設備的實際需要，由多路溫度、濕度傳感器對關鍵溫濕度點進行測量，由安裝于儀器內的單片機對各路數據進行循環檢測、存儲，實現溫、濕度的智能測量。

其特點：

（1）系統的成本低；

（2）系統具有與計算機的通訊功能，在長時間數據采集完成后，可以將數據傳送到計算機進行相關的研究分析，既具有智能測量功能，又節省硬件成本；

（3）智能溫濕度測量系統外形尺寸小，既可用于實驗室環境溫度的測量，又可用于儀器、大型設備等的內部環境測量。

1 溫濕度的監測系統設計過程及工藝要求

1.1 基本功能

溫濕度檢測系統的基本功能有溫度檢測、濕度檢測、溫度顯示、濕度顯示、過限報警。

1.2 主要技術參數

溫濕度檢測系統的主要技術參數有：（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）報警方式：三極管驅動的蜂鳴音報警。

2 硬件選取及其實現功能

2.1 MCS-51單片機

MCS-51單片機把微型計算機的基本部件，如將中央處理器、隨機存儲器、程序存儲器、并行I/O接口、串行I/O接口、定時器/計數器、中斷系統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；全量程標定，兩線數字輸出；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℃；響應時間：＜8 s；低功耗（typ.30μW）；可完全浸沒。

應用領域：數據采集器、變送器、自動化過程控制、汽車行業、樓宇控制與暖通空調、電力、計量測試、醫藥業。

2.3 測量數據處理

2.3.1 轉換系數

相對濕度為了補償濕度傳感器的非線性以獲取準確數據，建議使用如下公式修正讀數RHlinear。

式中RHlinear——相對濕度；

C1，C2，C3——轉換系數，按濕度轉換系數（表1）選取；

SORH——傳感器相對濕度的讀出數。

表1 濕度轉換系數

2.3.2 溫度

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

式中Temperature——溫度；

d1，d2——溫度轉換系數，按溫度轉換系數（表2）選取；

SOT——傳感器的溫度數字輸出。

2.4 ISD4002系列單片語音錄放電路

ISD4002系列工作電壓為3 V，單片錄放時間2～4 min，音質好，適用于移動電話及其他便攜式電子產品。芯片采用CMOS技術，內含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。

表2 溫度轉換系數

芯片設計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技術，每個采樣值直接存貯在片內閃爍存貯器中，因此能夠非常真實、自然地再現語音、音樂、音調和效果聲。

3 硬件設計

該系統電路由單片機、電源電路、數碼管顯示電路、溫濕度采集電路、報警電路、按鍵電路構成，其系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

3.1 溫濕度采集模塊

溫濕度傳感器STHT10是含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。為避免信號沖突，微處理器應驅動DATA在低電平，所以還必須在I/O電路中，DATA引腳上加上一個上拉電阻將信號提拉至高電平，用一個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 語音播報模塊

該系統另一個重要組成部分是語音播報模塊，外部時鐘XCLK在外接地時鐘時，此端必須接地，其主電路圖如圖3所示。

圖3 語音播報主電路

ISD4002在音頻輸出端（AUDOUT）由于輸出信號功率小，不能完全驅動負載，因此在負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，其設計電路如圖4所示。

3.3 按鍵模塊

此電路設計比較簡單，采用6個鍵來設定溫度和濕度的報警值。

3.4 數碼管顯示模塊

數碼管顯示電路采用ZLG7290（LED）驅動器，在每個顯示刷新周期ZLG7290按照掃描位數寄存器ScanNum指定顯示位數N，把顯示緩存DpRam0～DpRam N的內容按先后循序送入LED驅動器實現動態顯示，減少N值可提高每位顯示掃描時間的占空比，以提高LED亮度，顯示緩存中的內容不受影響，修改閃爍控制寄存器Flash On Off可改變閃爍頻率和占空比（亮和滅的時間）。

圖4 音頻功率放大電路

4 軟件設計

該系統軟件主程序圖如圖5所示。作區的溫濕度信息，溫濕度信息通過數碼管直觀地顯示給用戶，用戶可以根據對溫濕度的使用要求，通過鍵盤自行設置溫度及濕度的報警值，當溫度或

圖5 系統軟件主程序圖

5 結語

環境條件特別是制藥工作環境的溫度、濕度的要求，對藥品的性能影響很大，環境自動監測報警系統可以實時監測溫度、濕度等指標，非正常情況下可以報警。

該溫濕度監測系統能夠及時反映當前系統工濕度超出用戶設定的范圍時，該系統可以自動執行語音報警，此時數碼管閃爍發出視覺告警。