基于數字型溫濕度傳感器的醫藥精密環境溫度濕度測量

沈國平 沈星易

基于數字型溫濕度傳感器的醫藥精密環境溫度濕度測量

沈國平①沈星易①

目的：設計一款數字化電子溫濕度計，作為智能化控制的基礎，為數據記錄、分析、處理、傳輸以及遠程監控提供方便。方法：應用單片機ATMEGA16編程驅動傳感器AM2311等外圍器件DIY一款數碼顯示的溫濕度計。結果：參照江蘇省質量技術監督局發布的數字溫濕度計檢定規程JJG(蘇)99－2010“數字溫濕度計檢定規程”，采用精密露點儀YGM-2610檢測達到要求，環境溫度與濕度同時測出，并醒目地LED顯示。結論：電子測量溫濕度，帶來數字化測量的優勢，通過靈活的二次定標程序來提高準確度，且微處理器的編程相當靈活，具有可編程性和可擴充性，內部資源較豐富，且可降低成本和功耗均低。

微控制器；溫濕度計；溫濕度傳感AM2311

溫濕度計是應用非常廣泛的一種計量器具，隨著電子技術的進步，已發展到電子式的傳感器[1]。隨著信息技術的進步，數據可以有線傳輸或無線傳輸，還可以作為反饋的控制信息。目前市場上不乏數字式的電子溫濕度計，但純溫濕度計均為液晶顯示，且不醒目。基于此，本研究設計并成功測試了一款電子溫濕度計，既可擴充自動控制，又可在溫濕過高時報警。

1 材料與方法

1.1 AM2311傳感器

本研究設計的數字化電子溫濕度計，其精度高，可校正，所具有的優勢是可以作為智能化控制的基礎，為數據的記錄、分析、處理、傳輸以及遠程監控提供方便。目前醫院科室，如放射治療機房及藥品庫房需進行溫濕度監控，在各檢測點安置溫濕度傳感器，并制定溫濕度報警閾值，根據實時溫濕度與之進行判斷，并確定相應控制方式，如相對濕度＞50%時可以自動打開除濕機，溫度高于30 ℃時可以自動打開空調，以達到智能化管理[2]。

(1)AM2311濕敏電容數字模塊是一款含有己校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，采用專用的數字采集技術和溫濕度傳感技術，因此，產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性[3]。傳感器包括1個電容式感濕元件和1個高精度測溫元件，并與1個高性能8位單片機相連接[4]。每個傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準，校準系數以程序的形式儲存在單片機中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數，通信接口采用標準I2C接口模式，用戶可直接掛在I2C通信總線上，無需額外布線，且使用簡單。本產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。產品為4引線，通信接口連接方便。特殊封裝形式可根據用戶需求而提供，AM2311傳感器的4根引腳接線排列形式如圖1所示，引腳說明見表1。

圖1 AM2311傳感器接線圖

(2)AM2311傳感器可應用于暖通空調、除濕器、測試及檢測設備、消費品、汽車、自動控制、數據記錄器、家電、濕度調節器、醫療、氣象站及其他相關濕度檢測控制等，其亮點是超低能耗、傳輸距離遠、全部自動化校準、采用電容式濕敏元件、完全互換、標準I2C接口輸出、卓越的長期穩定性以及采用高精度的測溫元件。

表1 AM2311傳感器引腳說明

(3)AM2311傳感器溫度性能：分辨率0.1 ℃、精度±0.3 ℃、量程范圍-40～80 ℃、漂移±0.3 ℃/yr。其相對濕度性能：典型的分辨率0.1%RH、25℃時精度±3%RH、漂移典型值＜0.5%RH/yr，AM2311傳感器的建議供電電壓為5 V。

(4)數據線(SDA SCL)。SCL信號線為I2C通信時的時鐘線，SCL用于微處理器與AM2311傳感器之間的通訊同步，SDA引腳為三態結構，用于讀、寫傳感器數據。

(5)I2C通信協議[5]。AM2311傳感器與微控處理器的接口形式是I2C串行總線，飛利浦公司于20多年前發明了這種簡單的雙向二線制串行通信總線，總線被稱為Inter-I2C總線。目前，I2C總線已經成為業界嵌入式應用的標準解決方案。見表2。

1.2 儀器與方法

先采用GCC編寫AVR單片機的源程序，通過編譯后再由其編程器寫入AVR單片機，單片機讀取溫濕度復合傳感器的數據，然后顯示[6-7]。

(1)單片機的選型。為了留有nRF905無線模塊擴充的余地，選有SPI接口的低電壓版的AVR單片機ATMEGA16，端口數量多。溫濕度復合傳感器選奧松的AM2311數字模塊是I2C接口，只需用2個端口去相連。nRF905無線模塊性能卓越，具備SPI接口，包括外圍控制電路，用單片機10個端口即可以驅動(如圖2所示)[8-9]。

圖2 電子溫濕度計原理圖

表2 常用功能命令示例

(2)顯示方案。首先用足ATMEGA16剩余的端口，在不需要任何外圍器件配合的情況下以動靜結合掃描的方式點亮兩組數碼管顯示數碼，一組顯示溫度，另一組顯示相對濕度。使用四位一體的LED的好處是其只有12個管腳，管腳比4個獨立數碼管少許多，而單片機還要用4個PB口作為位選，8位PC口與8位PD送出段選值。

1.3 參考標準及溫濕度測試方法

溫度的測量可以用水銀溫度計做對比，相對比較方便，但濕度高精度測量器具不容易找，故委托當地的計量檢定測試所做了一次檢定，為單獨將傳感器內置到儀器內，刻意加長了傳感器的信號線長度。參照江蘇省質量技術監督局發布的數字溫濕度計檢定規程JJG(蘇)99－2010“數字溫濕度計檢定規程”，采用精密露點儀YGM-2610檢測。

2 結果

當監測點帶有AM2311傳感器的電路板(測量、顯示)上電后就地讀出溫濕度值，且重復性好，不會頻繁地跳變，每2 s刷新一次，計量檢定測試結果達到了規程要求，見表3。

表3 電子溫濕度計計量檢定測試結果

3 結論

本研究設計的電子溫濕度計，帶來了數字化測量的優勢，尤其是溫度的測量精度比濕度的精度高，兩者均可以通過靈活的二次定標程序來提高準確度。定時對AM2311傳感器做一次計量鑒定，其最方便的做法是在程序中保留系統誤差的補償量，可以啟用定標程序，采用多點定標是最佳的方法[10]。

本研究采用ATmega48設計了一款功能相同的電路板，由于端口少而采用74HC595來擴充，解決顯示方案，如需鍵盤再加一枚74HC165即可解決[11]。如此，MCU還能多出備用的十余個端口，顯示的醒目與后續的控制處理都很方便。如無線模塊nRF905在收發程序里是帶有地址的，所以可以組網，即分布測量，集中顯示。還可以用GSM/GPRS外置式MODEM配合定時發送測量數據的短信或接受短信的詢問，且參與除濕機空調之類的控制也很方便。

[1]曹會國，吳順偉.基于SHT71傳感器的溫濕度測量[J].安徽農業科學，2011，39(19)：11902-11903，11949.

[2]蔡東江，吳平鳳，吳響軍，等.基于ZigBee技術的溫濕度傳輸監測系統的研發[J].中國醫學裝備，2016，13(3)：13-17.

[3]陳釗，郭永彩，高潮，等.微環境溫濕度智能化測量儀研究[J].儀器儀表學報，2004，25(5)：620-623.

[4]朱濱峰，徐桂云，李俊敏.單片機在溫濕度測量系統中的應用[J].儀器儀表標準化與計量，2006(5)：44-46.

[5]周立功.單片機實驗與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[6]佟長福.AVR單片機GCC程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[7]杭和平.AVR單片機原理與GCC編程實踐-智能小車的系統開發[M].北京：中國電力出版社，2012.

[8]劉海成.AVR單片機原理及測控工程應用-基于ATmega48/ATmega16[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[9]王彥平.Protel 99電路設計指南[M].北京：清華大學出版社，2000.

[10]馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計[M].3版.北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[11]胡健.單片機原理及接口技術實踐教程[M].北京：機械工業出版社，2004.

Temperature and humidity measurement of medical precision environment based on AM2311

SHEN Guo-ping, SHEN Xing-yi

Objective:To design a digital electronic temperature and humidity meter, which can be applied as the basis of intelligent control to provide convenience for recording, analysis,processing, transmitting and remote monitoring of data.Methods:Single chip microcomputer(ATMEGA16) was used to programme for driving sensor (AM2311) and other periphery components so as to make a temperature and humidity meter of digital display.Results:As"verification regulation of digital temperature JJG(Su)99-2010" that was issued by Jiangsu quality and technical supervision bureau, the precision dew-point instrument YGM-2610 was adopted to test the temperature and humidity meter. The result indicated that it can achieve practical requirement,and its temperature and humidity data can output at the same time and they can be clearly display by using LED.Conclusion:The electric measurement of temperature and humidity obtains the advantages of digitization measurement. And it can enhance the accuracy through flexible twice calibrate procedure. Besides, the programming of microprocessor has good flexibility and programmability. It has abundant internal resources, while its cost and power consumption were low. And its expandability was well, and it can be repeatedly programmed.

Micro control unit; Thermometer-hygrometer; Temperature and humidity sensor AM2311

Equipment Division, Yixing Tumor Hospital, Yixing 214206, China.

1672-8270(2017)11-0005-04

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.11.002

沈國平,男,(1962- ),本科學歷，高級工程師。宜興市腫瘤醫院設備科，研究方向：單片機在醫療設備中的應用。

①宜興市腫瘤醫院設備科 江蘇 宜興 214206

China Medical Equipment,2017,14(11):5-8.

2017-05-10