基于数字型温湿度传感器的医药精密环境温度湿度测量

沈国平 沈星易

基于数字型温湿度传感器的医药精密环境温度湿度测量

沈国平①沈星易①

目的：设计一款数字化电子温湿度计，作为智能化控制的基础，为数据记录、分析、处理、传输以及远程监控提供方便。方法：应用单片机ATMEGA16编程驱动传感器AM2311等外围器件DIY一款数码显示的温湿度计。结果：参照江苏省质量技术监督局发布的数字温湿度计检定规程JJG(苏)99－2010“数字温湿度计检定规程”，采用精密露点仪YGM-2610检测达到要求，环境温度与湿度同时测出，并醒目地LED显示。结论：电子测量温湿度，带来数字化测量的优势，通过灵活的二次定标程序来提高准确度，且微处理器的编程相当灵活，具有可编程性和可扩充性，内部资源较丰富，且可降低成本和功耗均低。

微控制器；温湿度计；温湿度传感AM2311

温湿度计是应用非常广泛的一种计量器具，随着电子技术的进步，已发展到电子式的传感器[1]。随着信息技术的进步，数据可以有线传输或无线传输，还可以作为反馈的控制信息。目前市场上不乏数字式的电子温湿度计，但纯温湿度计均为液晶显示，且不醒目。基于此，本研究设计并成功测试了一款电子温湿度计，既可扩充自动控制，又可在温湿过高时报警。

1 材料与方法

1.1 AM2311传感器

本研究设计的数字化电子温湿度计，其精度高，可校正，所具有的优势是可以作为智能化控制的基础，为数据的记录、分析、处理、传输以及远程监控提供方便。目前医院科室，如放射治疗机房及药品库房需进行温湿度监控，在各检测点安置温湿度传感器，并制定温湿度报警阈值，根据实时温湿度与之进行判断，并确定相应控制方式，如相对湿度＞50%时可以自动打开除湿机，温度高于30 ℃时可以自动打开空调，以达到智能化管理[2]。

(1)AM2311湿敏电容数字模块是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合传感器，采用专用的数字采集技术和温湿度传感技术，因此，产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性[3]。传感器包括1个电容式感湿元件和1个高精度测温元件，并与1个高性能8位单片机相连接[4]。每个传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准，校准系数以程序的形式储存在单片机中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数，通信接口采用标准I2C接口模式，用户可直接挂在I2C通信总线上，无需额外布线，且使用简单。本产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。产品为4引线，通信接口连接方便。特殊封装形式可根据用户需求而提供，AM2311传感器的4根引脚接线排列形式如图1所示，引脚说明见表1。

图1 AM2311传感器接线图

(2)AM2311传感器可应用于暖通空调、除湿器、测试及检测设备、消费品、汽车、自动控制、数据记录器、家电、湿度调节器、医疗、气象站及其他相关湿度检测控制等，其亮点是超低能耗、传输距离远、全部自动化校准、采用电容式湿敏元件、完全互换、标准I2C接口输出、卓越的长期稳定性以及采用高精度的测温元件。

表1 AM2311传感器引脚说明

(3)AM2311传感器温度性能：分辨率0.1 ℃、精度±0.3 ℃、量程范围-40～80 ℃、漂移±0.3 ℃/yr。其相对湿度性能：典型的分辨率0.1%RH、25℃时精度±3%RH、漂移典型值＜0.5%RH/yr，AM2311传感器的建议供电电压为5 V。

(4)数据线(SDA SCL)。SCL信号线为I2C通信时的时钟线，SCL用于微处理器与AM2311传感器之间的通讯同步，SDA引脚为三态结构，用于读、写传感器数据。

(5)I2C通信协议[5]。AM2311传感器与微控处理器的接口形式是I2C串行总线，飞利浦公司于20多年前发明了这种简单的双向二线制串行通信总线，总线被称为Inter-I2C总线。目前，I2C总线已经成为业界嵌入式应用的标准解决方案。见表2。

1.2 仪器与方法

先采用GCC编写AVR单片机的源程序，通过编译后再由其编程器写入AVR单片机，单片机读取温湿度复合传感器的数据，然后显示[6-7]。

(1)单片机的选型。为了留有nRF905无线模块扩充的余地，选有SPI接口的低电压版的AVR单片机ATMEGA16，端口数量多。温湿度复合传感器选奥松的AM2311数字模块是I2C接口，只需用2个端口去相连。nRF905无线模块性能卓越，具备SPI接口，包括外围控制电路，用单片机10个端口即可以驱动(如图2所示)[8-9]。

图2 电子温湿度计原理图

表2 常用功能命令示例

(2)显示方案。首先用足ATMEGA16剩余的端口，在不需要任何外围器件配合的情况下以动静结合扫描的方式点亮两组数码管显示数码，一组显示温度，另一组显示相对湿度。使用四位一体的LED的好处是其只有12个管脚，管脚比4个独立数码管少许多，而单片机还要用4个PB口作为位选，8位PC口与8位PD送出段选值。

1.3 参考标准及温湿度测试方法

温度的测量可以用水银温度计做对比，相对比较方便，但湿度高精度测量器具不容易找，故委托当地的计量检定测试所做了一次检定，为单独将传感器内置到仪器内，刻意加长了传感器的信号线长度。参照江苏省质量技术监督局发布的数字温湿度计检定规程JJG(苏)99－2010“数字温湿度计检定规程”，采用精密露点仪YGM-2610检测。

2 结果

当监测点带有AM2311传感器的电路板(测量、显示)上电后就地读出温湿度值，且重复性好，不会频繁地跳变，每2 s刷新一次，计量检定测试结果达到了规程要求，见表3。

表3 电子温湿度计计量检定测试结果

3 结论

本研究设计的电子温湿度计，带来了数字化测量的优势，尤其是温度的测量精度比湿度的精度高，两者均可以通过灵活的二次定标程序来提高准确度。定时对AM2311传感器做一次计量鉴定，其最方便的做法是在程序中保留系统误差的补偿量，可以启用定标程序，采用多点定标是最佳的方法[10]。

本研究采用ATmega48设计了一款功能相同的电路板，由于端口少而采用74HC595来扩充，解决显示方案，如需键盘再加一枚74HC165即可解决[11]。如此，MCU还能多出备用的十余个端口，显示的醒目与后续的控制处理都很方便。如无线模块nRF905在收发程序里是带有地址的，所以可以组网，即分布测量，集中显示。还可以用GSM/GPRS外置式MODEM配合定时发送测量数据的短信或接受短信的询问，且参与除湿机空调之类的控制也很方便。

[1]曹会国，吴顺伟.基于SHT71传感器的温湿度测量[J].安徽农业科学，2011，39(19)：11902-11903，11949.

[2]蔡东江，吴平凤，吴响军，等.基于ZigBee技术的温湿度传输监测系统的研发[J].中国医学装备，2016，13(3)：13-17.

[3]陈钊，郭永彩，高潮，等.微环境温湿度智能化测量仪研究[J].仪器仪表学报，2004，25(5)：620-623.

[4]朱滨峰，徐桂云，李俊敏.单片机在温湿度测量系统中的应用[J].仪器仪表标准化与计量，2006(5)：44-46.

[5]周立功.单片机实验与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[6]佟长福.AVR单片机GCC程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[7]杭和平.AVR单片机原理与GCC编程实践-智能小车的系统开发[M].北京：中国电力出版社，2012.

[8]刘海成.AVR单片机原理及测控工程应用-基于ATmega48/ATmega16[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[9]王彦平.Protel 99电路设计指南[M].北京：清华大学出版社，2000.

[10]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].3版.北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[11]胡健.单片机原理及接口技术实践教程[M].北京：机械工业出版社，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

沈国平,男,(1962- ),本科学历，高级工程师。宜兴市肿瘤医院设备科，研究方向：单片机在医疗设备中的应用。

①宜兴市肿瘤医院设备科 江苏 宜兴 214206

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

2017-05-10