沈國平 沈星易

基于數(shù)字型溫濕度傳感器的醫(yī)藥精密環(huán)境溫度濕度測(cè)量

沈國平①沈星易①

目的：設(shè)計(jì)一款數(shù)字化電子溫濕度計(jì)，作為智能化控制的基礎(chǔ)，為數(shù)據(jù)記錄、分析、處理、傳輸以及遠(yuǎn)程監(jiān)控提供方便。方法：應(yīng)用單片機(jī)ATMEGA16編程驅(qū)動(dòng)傳感器AM2311等外圍器件DIY一款數(shù)碼顯示的溫濕度計(jì)。結(jié)果：參照江蘇省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的數(shù)字溫濕度計(jì)檢定規(guī)程JJG(蘇)99－2010“數(shù)字溫濕度計(jì)檢定規(guī)程”，采用精密露點(diǎn)儀YGM-2610檢測(cè)達(dá)到要求，環(huán)境溫度與濕度同時(shí)測(cè)出，并醒目地LED顯示。結(jié)論：電子測(cè)量溫濕度，帶來數(shù)字化測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，通過靈活的二次定標(biāo)程序來提高準(zhǔn)確度，且微處理器的編程相當(dāng)靈活，具有可編程性和可擴(kuò)充性，內(nèi)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(jì)；溫濕度傳感AM2311

溫濕度計(jì)是應(yīng)用非常廣泛的一種計(jì)量器具，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，已發(fā)展到電子式的傳感器[1]。隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)據(jù)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(chǎng)上不乏數(shù)字式的電子溫濕度計(jì)，但純溫濕度計(jì)均為液晶顯示，且不醒目。基于此，本研究設(shè)計(jì)并成功測(cè)試了一款電子溫濕度計(jì)，既可擴(kuò)充自動(dòng)控制，又可在溫濕過高時(shí)報(bào)警。

1 材料與方法

1.1 AM2311傳感器

本研究設(shè)計(jì)的數(shù)字化電子溫濕度計(jì)，其精度高，可校正，所具有的優(yōu)勢(shì)是可以作為智能化控制的基礎(chǔ)，為數(shù)據(jù)的記錄、分析、處理、傳輸以及遠(yuǎn)程監(jiān)控提供方便。目前醫(yī)院科室，如放射治療機(jī)房及藥品庫房需進(jìn)行溫濕度監(jiān)控，在各檢測(cè)點(diǎn)安置溫濕度傳感器，并制定溫濕度報(bào)警閾值，根據(jù)實(shí)時(shí)溫濕度與之進(jìn)行判斷，并確定相應(yīng)控制方式，如相對(duì)濕度＞50%時(shí)可以自動(dòng)打開除濕機(jī)，溫度高于30 ℃時(shí)可以自動(dòng)打開空調(diào)，以達(dá)到智能化管理[2]。

(1)AM2311濕敏電容數(shù)字模塊是一款含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，采用專用的數(shù)字采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，因此，產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性[3]。傳感器包括1個(gè)電容式感濕元件和1個(gè)高精度測(cè)溫元件，并與1個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接[4]。每個(gè)傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在單片機(jī)中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)，通信接口采用標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)單。本產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)品為4引線，通信接口連接方便。特殊封裝形式可根據(jù)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(yīng)用于暖通空調(diào)、除濕器、測(cè)試及檢測(cè)設(shè)備、消費(fèi)品、汽車、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)記錄器、家電、濕度調(diào)節(jié)器、醫(yī)療、氣象站及其他相關(guān)濕度檢測(cè)控制等，其亮點(diǎn)是超低能耗、傳輸距離遠(yuǎn)、全部自動(dòng)化校準(zhǔn)、采用電容式濕敏元件、完全互換、標(biāo)準(zhǔn)I2C接口輸出、卓越的長期穩(wěn)定性以及采用高精度的測(cè)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(duì)濕度性能：典型的分辨率0.1%RH、25℃時(shí)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(shù)據(jù)線(SDA SCL)。SCL信號(hào)線為I2C通信時(shí)的時(shí)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(tài)結(jié)構(gòu)，用于讀、寫傳感器數(shù)據(jù)。

(5)I2C通信協(xié)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(fā)明了這種簡(jiǎn)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(jīng)成為業(yè)界嵌入式應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。見表2。

1.2 儀器與方法

先采用GCC編寫AVR單片機(jī)的源程序，通過編譯后再由其編程器寫入AVR單片機(jī)，單片機(jī)讀取溫濕度復(fù)合傳感器的數(shù)據(jù)，然后顯示[6-7]。

(1)單片機(jī)的選型。為了留有nRF905無線模塊擴(kuò)充的余地，選有SPI接口的低電壓版的AVR單片機(jī)ATMEGA16，端口數(shù)量多。溫濕度復(fù)合傳感器選奧松的AM2311數(shù)字模塊是I2C接口，只需用2個(gè)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(jī)10個(gè)端口即可以驅(qū)動(dòng)(如圖2所示)[8-9]。

圖2 電子溫濕度計(jì)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(dòng)靜結(jié)合掃描的方式點(diǎn)亮兩組數(shù)碼管顯示數(shù)碼，一組顯示溫度，另一組顯示相對(duì)濕度。使用四位一體的LED的好處是其只有12個(gè)管腳，管腳比4個(gè)獨(dú)立數(shù)碼管少許多，而單片機(jī)還要用4個(gè)PB口作為位選，8位PC口與8位PD送出段選值。

1.3 參考標(biāo)準(zhǔn)及溫濕度測(cè)試方法

溫度的測(cè)量可以用水銀溫度計(jì)做對(duì)比，相對(duì)比較方便，但濕度高精度測(cè)量器具不容易找，故委托當(dāng)?shù)氐挠?jì)量檢定測(cè)試所做了一次檢定，為單獨(dú)將傳感器內(nèi)置到儀器內(nèi)，刻意加長了傳感器的信號(hào)線長度。參照江蘇省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的數(shù)字溫濕度計(jì)檢定規(guī)程JJG(蘇)99－2010“數(shù)字溫濕度計(jì)檢定規(guī)程”，采用精密露點(diǎn)儀YGM-2610檢測(cè)。

2 結(jié)果

當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)帶有AM2311傳感器的電路板(測(cè)量、顯示)上電后就地讀出溫濕度值，且重復(fù)性好，不會(huì)頻繁地跳變，每2 s刷新一次，計(jì)量檢定測(cè)試結(jié)果達(dá)到了規(guī)程要求，見表3。

表3 電子溫濕度計(jì)計(jì)量檢定測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的電子溫濕度計(jì)，帶來了數(shù)字化測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，尤其是溫度的測(cè)量精度比濕度的精度高，兩者均可以通過靈活的二次定標(biāo)程序來提高準(zhǔn)確度。定時(shí)對(duì)AM2311傳感器做一次計(jì)量鑒定，其最方便的做法是在程序中保留系統(tǒng)誤差的補(bǔ)償量，可以啟用定標(biāo)程序，采用多點(diǎn)定標(biāo)是最佳的方法[10]。

本研究采用ATmega48設(shè)計(jì)了一款功能相同的電路板，由于端口少而采用74HC595來擴(kuò)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(gè)端口，顯示的醒目與后續(xù)的控制處理都很方便。如無線模塊nRF905在收發(fā)程序里是帶有地址的，所以可以組網(wǎng)，即分布測(cè)量，集中顯示。還可以用GSM/GPRS外置式MODEM配合定時(shí)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)的短信或接受短信的詢問，且參與除濕機(jī)空調(diào)之類的控制也很方便。

[1]曹會(huì)國，吳順偉.基于SHT71傳感器的溫濕度測(cè)量[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39(19)：11902-11903，11949.

[2]蔡?hào)|江，吳平鳳，吳響軍，等.基于ZigBee技術(shù)的溫濕度傳輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2016，13(3)：13-17.

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

[4]朱濱峰，徐桂云，李俊敏.單片機(jī)在溫濕度測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2006(5)：44-46.

[5]周立功.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[6]佟長福.AVR單片機(jī)GCC程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[7]杭和平.AVR單片機(jī)原理與GCC編程實(shí)踐-智能小車的系統(tǒng)開發(fā)[M].北京：中國電力出版社，2012.

[8]劉海成.AVR單片機(jī)原理及測(cè)控工程應(yīng)用-基于ATmega48/ATmega16[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[9]王彥平.Protel 99電路設(shè)計(jì)指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[10]馬忠梅.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].3版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[11]胡健.單片機(jī)原理及接口技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)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(xué)歷，高級(jí)工程師。宜興市腫瘤醫(yī)院設(shè)備科，研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用。

①宜興市腫瘤醫(yī)院設(shè)備科 江蘇 宜興 214206

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

2017-05-10