摘要：文章介紹了制藥車間溫濕度檢測的工作原理，分別介紹了四旋翼飛行器系統(tǒng)及SHT11溫濕度傳感器；研制了制藥車間溫濕度監(jiān)測裝置，并說明了裝置的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明，該測量裝置測量準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、性價(jià)比高，可以廣泛應(yīng)用于制藥生產(chǎn)中。

關(guān)鍵詞：溫濕度監(jiān)測；四旋翼飛行器；制藥車間；SHT11溫濕度傳感器；制藥生產(chǎn) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2015）25-0021-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.25.010

藥品是關(guān)乎人類疾病治療的重要商品，制藥環(huán)境與儲(chǔ)存環(huán)境的好壞會(huì)嚴(yán)重影響藥品的質(zhì)量，并直接影響到對疾病的治療效果，甚至決定病人的生命。尤其在制藥過程中，溫度與濕度的控制對藥品的質(zhì)量起著重要作用。在此背景下，我們研究設(shè)計(jì)了基于四旋翼飛行器的制藥車間溫濕度監(jiān)測裝置。此裝置主要包括四旋翼飛行器系統(tǒng)和溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。

1 四旋翼飛行器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)方案論證

1.1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)應(yīng)用瑞薩R5F100LEA單片機(jī)為主控芯片，采集加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)來解算當(dāng)前的飛行器姿態(tài)，然后控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)平衡。用紅外檢測模塊循跡，引導(dǎo)飛機(jī)從A區(qū)飛向B區(qū)。發(fā)揮部分中要過4m（一般制藥車間高度）的障礙，可以用超聲波模塊實(shí)現(xiàn)定高，用電磁鐵吸引小鐵片。

1.1.2 電機(jī)的選擇。電機(jī)采用無刷直流電機(jī)無刷電調(diào)驅(qū)動(dòng)，無刷電機(jī)有低干擾、噪音低、運(yùn)轉(zhuǎn)順暢、壽命長、低維護(hù)成本、負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，考慮到飛行器需要有一定的負(fù)載能力，我們采用新西達(dá)無刷電機(jī)A2212 KV1400，根據(jù)尺寸要求，配合8045漿。根據(jù)該電機(jī)的資料顯示，滿載時(shí)電流能達(dá)到16A，加上余量，我們選擇30A中特威電調(diào)。

1.1.3 飛行器防護(hù)圈的選擇。選用塑料泡沫，自重輕，造價(jià)低，具有優(yōu)良的抗沖擊性、抗壓性能，可以有效地保護(hù)旋翼。綜合以上分析，我們選用塑料泡沫為機(jī)翼的防護(hù)圈。

1.1.4 陀螺儀和加速度傳感器。我們選用MPU-6050，該模塊整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，MPU-6050的角速度范圍為±250°/sec、±500°/sec、±1000°/sec、±2000°/sec，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，并且用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g、±8g、±16g。

1.1.5 紅外循跡模塊。本產(chǎn)品使用的是一體反射式紅外對管，紅外檢測輸出如圖1所示，所以使用紅外對管進(jìn)行循跡時(shí)必須是白色軌道加黑色引導(dǎo)條。電路分別由電阻、電位器、紅外對管和運(yùn)算放大器組成。A1與電阻組成一個(gè)比較器。紅外信號的強(qiáng)弱是由R1來控制的，R1起到限流的作用。當(dāng)紅外信號發(fā)出時(shí)，OUT端輸出低電平，相反則輸出高電平。紅外檢測到黑線時(shí)輸出低電平為0V，檢測到白線時(shí)輸出高電平為3.75～5V。

1.2 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

1.2.1 加速度傳感器和陀螺儀數(shù)據(jù)。引入了重力并旋轉(zhuǎn)了盒子，每個(gè)軸都分別垂直于模型中各自的墻面。矢量R是加速度計(jì)檢測的矢量。RX、RY、RZ是矢量R在X、Y、Z上的投影。靜止情況下可以得到：R^2=RX^2+R^2+R^2；R=SQRT（RX^2+RY^2+RZ^2）。

陀螺儀的每個(gè)通道檢測一個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)。例如，一個(gè)2軸陀螺儀檢測繞X和Y軸的旋轉(zhuǎn)。為了用數(shù)字來表達(dá)這些旋轉(zhuǎn)，我們先引進(jìn)一些符號。首先定義RateAxz（Axz1–Axz0）/（t1–t0），單位為度/秒。這就是陀螺儀檢測的東西。

RateAxz=（AdcGyroXZ*Vref/1023–VzeroRate）/Sensitivity

RateAyz=（AdcGyroYZ*Vref/1023–VzeroRate）/Sensitivity

式中：

Vref——ADC的參考電壓

VzeroRate——零變化率電壓

Sensitivity——陀螺儀的靈敏度

如果值大于零速率電壓值，則說明這個(gè)旋轉(zhuǎn)方向是正向。如果為負(fù)則為反方向，停止旋轉(zhuǎn)，電壓就會(huì)回到零速率水平。

1.2.2 基于四元數(shù)的姿態(tài)解算。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航原理是假定捷聯(lián)系統(tǒng)“數(shù)學(xué)平臺(tái)”模擬地理坐標(biāo)系，即導(dǎo)航坐標(biāo)系；載體的姿態(tài)矩陣為載體坐標(biāo)系和導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的空間轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，用俯仰角（pitch）、偏航角（yaw）和滾轉(zhuǎn)角（pitch）來確定，分別用θ、ψ和γ表示。目前主要的研究方法為三種：歐拉法、方向余弦法與四元數(shù)法。

本設(shè)計(jì)中采用的是四元數(shù)法進(jìn)行飛行器的姿態(tài)解算，而且用四元數(shù)來表示旋轉(zhuǎn)，組合旋轉(zhuǎn)時(shí)比用其他方法運(yùn)算量更少。

1.3 PID控制

PID調(diào)節(jié)器的輸出是輸入的比例、積分、微分的函數(shù)。PID調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)：根據(jù)系統(tǒng)輸入的偏差，由PID函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)果用以控制輸出，最大限度地減小系統(tǒng)慣性帶來的誤差，使系統(tǒng)以最快速度達(dá)到預(yù)想的結(jié)果。PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將設(shè)定值w與實(shí)際值y的偏差：

按其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量：

比例調(diào)節(jié)器的微分方程為：

積分調(diào)節(jié)方程為：

微分調(diào)節(jié)方程為：

模擬系統(tǒng)中，PID的表達(dá)式為：

對上式離散化，即為數(shù)字式的差分方程：

為了減少需要整定的參數(shù)，我們首先采用PI控制器，在開始調(diào)試前設(shè)置一組保守的參數(shù)，再依據(jù)PID參數(shù)與系統(tǒng)性能的關(guān)系，來反復(fù)調(diào)節(jié)PID的參數(shù)。

1.4 電機(jī)的控制

姿態(tài)角計(jì)算完成后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)處理后，再利用PWM信號控制電調(diào)。電機(jī)調(diào)速器接收的標(biāo)準(zhǔn)信號為50Hz方波，正脈沖寬度為1～2ms，在此范圍內(nèi)正脈沖的寬度與所輸出的電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。經(jīng)測試，電調(diào)可以接受的PWM頻率可達(dá)到400Hz。

1.5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示：

程序流程：先啟動(dòng)按鍵，再姿態(tài)解算、高度檢測同時(shí)PID平衡檢測，判斷高度是否符合要求，符合要求就停止起飛，尋著軌跡繼續(xù)向前，直到到達(dá)目的地停止。

2 溫濕度傳感器監(jiān)測系統(tǒng)

對于裝置的溫濕度傳感器，我們選擇SHT11芯片。SHT11是數(shù)字溫濕度傳感器芯片，具有分辨率高、準(zhǔn)確率高、穩(wěn)定性好、耗能低等特點(diǎn)。

2.1 SHT11的引腳功能

SHT11采用的是SMD（LCC）表面貼片封裝。各引腳的功能如下：（1）腳1和腳4——信號地和電源，其工作電壓范圍是2.4～5.5V；（2）腳2——DATA為數(shù)據(jù)線；（3）腳3——SCK為時(shí)鐘線；（4）腳5～8——未連接。

2.2 SHT11的應(yīng)用設(shè)計(jì)

當(dāng)工作電壓高于4.5V時(shí)，SCK最高頻率為10MHz；而當(dāng)工作電壓低于4.5V時(shí)，SCK最高頻率則為1MHz。DATA數(shù)據(jù)線需要外接上拉電阻。

在程序開始時(shí)，微處理器需要用一組啟動(dòng)傳輸時(shí)序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?dòng)。當(dāng)SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA轉(zhuǎn)為低電平；緊接著SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后又變?yōu)楦唠娖?；在SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA又轉(zhuǎn)為高電平。

3 溫度和濕度值的計(jì)算

3.1 濕度線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償

SHT11直接輸出的濕度值為“相對濕度”，為得到較為準(zhǔn)確的濕度值，相對濕度需要進(jìn)行線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償。由于相對濕度值得到的曲線特性為非線性，因此為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性，按下列公式修正濕度值：

式中：

——經(jīng)過線性補(bǔ)償后濕度值

——相對濕度測量值

——線性補(bǔ)償系數(shù)

以下為補(bǔ)償公式：

式中：

RHtrue——經(jīng)過線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償后的濕度值

T——測試濕度值時(shí)的溫度

t1、t2——溫度補(bǔ)償系數(shù)

3.2 溫度值輸出

由于SHT11是溫度敏感元件，因而具有很好的線性輸出。實(shí)際溫度值可由下式算得：

式中：

、——特定系數(shù)（與SHT11工作電壓有關(guān)；與SHT11內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器采用的分辨率有關(guān)）

4 結(jié)語

四旋翼飛行器的紅外循跡系統(tǒng)能夠在一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測，并可以自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。因此，在此基礎(chǔ)上，將溫濕度傳感器安裝在四旋翼飛行器進(jìn)行制藥廠房的溫濕度監(jiān)測可大大減少人力。同時(shí)，四旋翼飛行器價(jià)格廉價(jià)、占地小，與大型監(jiān)測系統(tǒng)相比可以減少生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：趙文琦（1994-），女，山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：周 瓊）