劉桐　黃偉平

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；監(jiān)控；溫度；DS18820

中圖法分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

隨著科技的發(fā)展，信息技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)也在不斷提升，智能冷庫已應(yīng)用到各行各業(yè)中，醫(yī)藥行業(yè)也不例外。裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)冷庫全自動(dòng)控制，既可以滿足藥品保存的不同需求，又能對(duì)進(jìn)出冷庫的藥品設(shè)備及人員進(jìn)行錄像監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)“人機(jī)合一”的理念?，F(xiàn)在藥品越來越多，對(duì)于存儲(chǔ)醫(yī)療藥品的需求也各不相同，所以按照不同的需求進(jìn)行多組溫度的管理和控制。單一的藥品儲(chǔ)藏已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在藥品多樣化的需求.并且對(duì)于珍貴的藥品要實(shí)時(shí)監(jiān)控其儲(chǔ)藏，避免因?yàn)闇囟鹊淖兓鴮?dǎo)致藥品藥性的改變或喪失，從而提前規(guī)避其問題。隨著信息技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，可以通過使用單片機(jī)及其他周邊芯片，實(shí)現(xiàn)即使沒有人也能自主報(bào)警，并形成一種發(fā)展的趨勢(shì)，進(jìn)而滿足人們的需求。通過將單片機(jī)和其他模塊或電路進(jìn)行整合以發(fā)揮更多的功能來實(shí)現(xiàn)冷庫的智能監(jiān)控。

2方案功能要求

（1）裝置設(shè)計(jì)有溫度控制管理，滿足不同藥品對(duì)溫度存儲(chǔ)的需求，以實(shí)現(xiàn)構(gòu)建不同藥品存儲(chǔ)所需的不同環(huán)境。

（2）裝置設(shè)計(jì)液晶顯示當(dāng)前各區(qū)域醫(yī)療藥品的存儲(chǔ)溫度，讓工作人員第一時(shí)間掌握和了解庫內(nèi)溫度。

（3）對(duì)醫(yī)療冷庫出入通行進(jìn)行CCD攝像監(jiān)控、采集存儲(chǔ)，需要時(shí)可進(jìn)行調(diào)取。

（4）對(duì)于某些區(qū)域即將達(dá)到預(yù)警溫度，進(jìn)行遠(yuǎn)程短信報(bào)警提醒和冷庫實(shí)時(shí)報(bào)警等，做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確保醫(yī)療器具和冷庫的安全。

3基本方案選擇和論證

3.1單片機(jī)芯片的選擇方案論證和選擇

方案一：采用STC15W4K48S4作為單片機(jī)芯片。

STC15W4K48S4可直接經(jīng)過計(jì)算機(jī)的USB接口進(jìn)行軟件編程下載。其擁有大容量的可編程可擦寫的功能，擦寫可達(dá)10余萬，工作電壓為2.5～5.5 V，溫度范圍為－40C～85℃，具有增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度比之前的8051快7～12倍。

方案二：采用STM32F103C8T6作為單片機(jī)芯片。

STM32F103C8T6支持IAP，3.3 V穩(wěn)壓芯片，最大輸出300 mA，2個(gè)位數(shù)模轉(zhuǎn)化器，1μs轉(zhuǎn)換時(shí)間（最多有16個(gè)輸入通道），最多80個(gè)快速I/O端口，

STC15W4K48S4有更廣的電壓范圍，下載更高速，低功耗，較廣的溫度范圍，能夠滿足本研究的需求，而且其調(diào)試更簡單，價(jià)格低廉，所以采用方案一。

3.2溫度傳感器的研究方案論證和選擇

溫度傳感器是溫度測(cè)量儀器的核心，其有很多品種。所以本研究采用溫度傳感器來檢測(cè)冷庫環(huán)境溫度，以保證冷庫藥品所需的環(huán)境安全。

在本研究中，溫度傳感器的選擇有以下2種方案。

方案一：采用熱敏電阻作為檢測(cè)溫度的核心元件。

由于本研究是測(cè)溫電路，使用熱敏電阻作為探測(cè)溫度的主要核心器件，采集隨被測(cè)環(huán)境溫度改變的電壓或者電流，并通過放大器放大信號(hào)，然后輸出變化的輸出電壓，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理。

方案二：采用DS18820作為溫度檢測(cè)的核心元件。

采用DS18820溫度傳感器作為溫度檢測(cè)的主要核心器件的好處是可以直接將檢測(cè)的溫度以數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理。這樣能夠很簡單地讀取到被測(cè)溫度值，然后將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以滿足研究要求。

在方案一中，選擇熱敏電阻作為溫度傳感器，其具有元件容易購買和元件價(jià)格實(shí)惠的優(yōu)點(diǎn)。但是，熱敏電阻對(duì)溫度變化的微小改變不是很敏感，在信號(hào)收集然后經(jīng)過放大器放大以及后面的轉(zhuǎn)換的過程中會(huì)出現(xiàn)失真和有較大的數(shù)據(jù)誤差。本研究設(shè)置的環(huán)境溫度變化較小，而熱敏電阻難以檢測(cè)到溫度的變化，所以這個(gè)方案不適合。

對(duì)于方案二，DS18820檢測(cè)溫度的原理與熱敏電阻不同，它對(duì)溫度檢測(cè)更敏感，分辨能力更強(qiáng)。而且DS18820可以直接輸出數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)進(jìn)行處理，簡化了軟件程序的編寫和硬件電路的設(shè)計(jì)，而DS18820單總線技術(shù)的特點(diǎn)，使得單片機(jī)的接口使用非常便捷，抗干擾能力也很強(qiáng)，所以方案二適用于本研究。

3.3 GSM模塊的研究方案論證和選擇

GSM模塊有最便捷的數(shù)據(jù)通信方式，其數(shù)據(jù)量小，其中的短信息服務(wù)非常適合用于實(shí)時(shí)的信息采集傳輸，而且不用加上其他復(fù)雜大型和價(jià)格高的數(shù)據(jù)端設(shè)備。只要使用GSM模塊就可以實(shí)現(xiàn)相互通信的功能。

方案一：采用SIM800A作為GSM模塊。

方案二：采用Goouuu-A6作為GSM模塊。

本研究選擇方案二.GA6小尺寸，具有低功耗和廣工作溫度范圍，能滿足本研究所需功能，編程調(diào)試簡單，而且價(jià)格實(shí)惠，與SIM800A模塊相比只有它的一半價(jià)格。啟動(dòng)GPRS功能后，始終保持在線狀態(tài)，按發(fā)送的數(shù)量并在產(chǎn)生通信流量時(shí)計(jì)費(fèi)。

3.4液晶顯示模塊的研究方案論證和選擇

液晶顯示屏有著體積小、低功耗、使用簡單方便等很多優(yōu)點(diǎn)。在本研究中，液晶顯示模塊的選擇有以下3種方案：

方案一：采用LCD1602作為液晶顯示屏。

液晶屏選用LCD1602，可以用來顯示字母、數(shù)字或符號(hào)等需要輸出顯示的字符，而每個(gè)字符位都能夠顯示1個(gè)字符，所以顯示32個(gè)字符也就是16列2行。因?yàn)槊總€(gè)字符位之間都有間隔和行距，所以不能夠顯示圖形。而LCD1602顯示屏加上背光，總共需要連接16個(gè)引腳。

方案二：采用12864作為液晶顯示屏。

12864屏幕比較大，能夠輸出字符和圖形，能滿足本研究的需要。

方案三：采用Nokia5110作為液晶顯示屏。

Nokia5110液晶顯示屏是諾基亞公司生產(chǎn)的一款很經(jīng)典的液晶顯示屏。Nokia5110和其他2個(gè)方案相比有著非常突出優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格實(shí)惠，既可顯示字符又可顯示圖形，完全可以滿足本研究需求。但是LCD1602的售價(jià)大約為20元，而12864價(jià)格更貴（50～70元）遠(yuǎn)遠(yuǎn)貴于Nokia5110。Kokia5110所需要連接的引腳只有8個(gè)，相比LCD1602和12864少許多，降低了研究的難度，大幅降低了出錯(cuò)的可能性。

綜上所述，可以看出，Nokia5110在價(jià)格和功能以及使用性能上更有優(yōu)勢(shì)。所以本研究采用Nokia5110。

4方案選擇

在基本方案中，單片機(jī)芯片選擇STC15W4K48S4，溫度傳感器選擇DS18820傳感器，GSM模塊采用Goouuu -A6模塊以及選擇Nokia5110作為液晶顯示模塊。

5硬件電路構(gòu)成

裝置研究的硬件電路主要由以下幾個(gè)部分組成：STC15w4k48s4單片機(jī)、電源電路、多組溫度采集電路、GSM通信模塊、CCD攝像電路、液晶顯示電路、報(bào)警電路和制冷設(shè)備電路。

裝置的許多模塊都需要適宜的主控芯片電路。本裝置是外接“+5V”電源供電運(yùn)行。單片機(jī)是整個(gè)裝置的中心器件，對(duì)整個(gè)裝置的操作和穩(wěn)定起到舉足輕重的作用。本裝置選用STC15w4k48s4單片機(jī)，其具有優(yōu)良的功用且適用于低電壓的特點(diǎn)，契合本裝置的功能要求。

主控模塊采用STCI5W4K48S4單片機(jī)為控制核心，其工作原理為采集分區(qū)溫度數(shù)據(jù)，并控制溫度，通過輸出液晶顯示反映實(shí)時(shí)溫度，對(duì)出入口進(jìn)行錄像監(jiān)控采集，對(duì)于不符合溫度條件的通過GSM模塊的短信息傳輸出去并及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，對(duì)溫度過高的區(qū)域進(jìn)行制冷。通過多組溫度傳感器分區(qū)探測(cè)溫度，并把信號(hào)傳入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。溫度傳感器能很好地檢測(cè)冷庫的實(shí)時(shí)溫度，從而達(dá)到監(jiān)控的目的。溫度傳感器采用DS18820溫度傳感器，其具有接口簡單、直接輸出數(shù)字量等優(yōu)點(diǎn)。GSM模塊有最便捷的數(shù)據(jù)通信方式，其數(shù)據(jù)量小，其中的短信息服務(wù)非常適用于實(shí)時(shí)的信息采集傳輸，而且不用加上其他復(fù)雜大型和價(jià)格高的數(shù)據(jù)端設(shè)備，只要使用GSM模塊就可以實(shí)現(xiàn)相互通信的功能。利用GSM網(wǎng)絡(luò)短消息業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)了冷庫監(jiān)控與手機(jī)之間的通信，及時(shí)地將冷庫的情況進(jìn)行匯報(bào)，冷庫超出設(shè)定的溫度通過發(fā)短信報(bào)警，從而對(duì)冷庫進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

5.1液晶顯示模塊

Nokia5110液晶屏是一款性價(jià)比較高的液晶產(chǎn)品。Nokia5110共有8個(gè)連接信號(hào)端口。其中，5個(gè)功能端與芯片Pl端口相連，運(yùn)行速度快。其應(yīng)用低電壓的供電模式，一般工作顯示的電流低于200μA，并且具有掉電模式，其價(jià)格比一般市面上常用的液晶顯示屏要便宜很多，性價(jià)比高。

5.2 CCD攝像模塊

CCD攝像有光點(diǎn)轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存和傳輸?shù)刃阅埽€有集成度高、工作電壓低、功耗小等優(yōu)勢(shì)，是其他攝像器件無法相比的。因?yàn)镃CD模塊有很好的性能優(yōu)點(diǎn)，所以本研究采用TSL1401CL模塊作為CCD攝像模塊，對(duì)冷庫出入口進(jìn)行攝像監(jiān)控。

本研究是對(duì)冷庫中的溫度智能監(jiān)控裝置展開分析與研究。在單片機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，通過溫度傳感器檢測(cè)溫度后，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，其變成數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并實(shí)現(xiàn)后續(xù)的功能。通過按鍵電路設(shè)置不同區(qū)域的預(yù)設(shè)溫度值，在即將達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，并且比設(shè)定溫度低3℃時(shí)，制冷設(shè)備啟動(dòng)，單片機(jī)控制繼電器驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行降溫處理。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，冷庫的報(bào)警電路啟動(dòng)，通過蜂鳴器實(shí)時(shí)報(bào)警，同時(shí)GSM模塊發(fā)送短信進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警提醒，并對(duì)冷庫的出入口進(jìn)行CCD攝像監(jiān)控處理。

作者簡介：

劉桐（1996—），本科，助理講師，研究方向：中職教育。

黃偉平（1984—），碩士，講師，研究方向：工業(yè)機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)。