基于单片机的医疗冷库智能监控装置研究

刘桐　黄伟平

关键词：单片机；监控；温度；DS18820

中图法分类号：TP368 文献标识码：A

1引言

随着科技的发展，信息技术和自动化控制技术也在不断提升，智能冷库已应用到各行各业中，医药行业也不例外。装置设计实现冷库全自动控制，既可以满足药品保存的不同需求，又能对进出冷库的药品设备及人员进行录像监控，实现“人机合一”的理念。现在药品越来越多，对于存储医疗药品的需求也各不相同，所以按照不同的需求进行多组温度的管理和控制。单一的药品储藏已经无法满足现在药品多样化的需求.并且对于珍贵的药品要实时监控其储藏，避免因为温度的变化而导致药品药性的改变或丧失，从而提前规避其问题。随着信息技术和单片机技术的快速发展，可以通过使用单片机及其他周边芯片，实现即使没有人也能自主报警，并形成一种发展的趋势，进而满足人们的需求。通过将单片机和其他模块或电路进行整合以发挥更多的功能来实现冷库的智能监控。

2方案功能要求

（1）装置设计有温度控制管理，满足不同药品对温度存储的需求，以实现构建不同药品存储所需的不同环境。

（2）装置设计液晶显示当前各区域医疗药品的存储温度，让工作人员第一时间掌握和了解库内温度。

（3）对医疗冷库出入通行进行CCD摄像监控、采集存储，需要时可进行调取。

（4）对于某些区域即将达到预警温度，进行远程短信报警提醒和冷库实时报警等，做到实时监控，以确保医疗器具和冷库的安全。

3基本方案选择和论证

3.1单片机芯片的选择方案论证和选择

方案一：采用STC15W4K48S4作为单片机芯片。

STC15W4K48S4可直接经过计算机的USB接口进行软件编程下载。其拥有大容量的可编程可擦写的功能，擦写可达10余万，工作电压为2.5～5.5 V，温度范围为－40C～85℃，具有增强型8051内核，速度比之前的8051快7～12倍。

方案二：采用STM32F103C8T6作为单片机芯片。

STM32F103C8T6支持IAP，3.3 V稳压芯片，最大输出300 mA，2个位数模转化器，1μs转换时间（最多有16个输入通道），最多80个快速I/O端口，

STC15W4K48S4有更广的电压范围，下载更高速，低功耗，较广的温度范围，能够满足本研究的需求，而且其调试更简单，价格低廉，所以采用方案一。

3.2温度传感器的研究方案论证和选择

温度传感器是温度测量仪器的核心，其有很多品种。所以本研究采用温度传感器来检测冷库环境温度，以保证冷库药品所需的环境安全。

在本研究中，温度传感器的选择有以下2种方案。

方案一：采用热敏电阻作为检测温度的核心元件。

由于本研究是测温电路，使用热敏电阻作为探测温度的主要核心器件，采集随被测环境温度改变的电压或者电流，并通过放大器放大信号，然后输出变化的输出电压，再通过模数转换芯片转化成数字信号传输给单片机进行处理。

方案二：采用DS18820作为温度检测的核心元件。

采用DS18820温度传感器作为温度检测的主要核心器件的好处是可以直接将检测的温度以数字信号传输给单片机进行处理。这样能够很简单地讀取到被测温度值，然后将其进行转换，以满足研究要求。

在方案一中，选择热敏电阻作为温度传感器，其具有元件容易购买和元件价格实惠的优点。但是，热敏电阻对温度变化的微小改变不是很敏感，在信号收集然后经过放大器放大以及后面的转换的过程中会出现失真和有较大的数据误差。本研究设置的环境温度变化较小，而热敏电阻难以检测到温度的变化，所以这个方案不适合。

对于方案二，DS18820检测温度的原理与热敏电阻不同，它对温度检测更敏感，分辨能力更强。而且DS18820可以直接输出数字信号给单片机进行处理，简化了软件程序的编写和硬件电路的设计，而DS18820单总线技术的特点，使得单片机的接口使用非常便捷，抗干扰能力也很强，所以方案二适用于本研究。

3.3 GSM模块的研究方案论证和选择

GSM模块有最便捷的数据通信方式，其数据量小，其中的短信息服务非常适合用于实时的信息采集传输，而且不用加上其他复杂大型和价格高的数据端设备。只要使用GSM模块就可以实现相互通信的功能。

方案一：采用SIM800A作为GSM模块。

方案二：采用Goouuu-A6作为GSM模块。

本研究选择方案二.GA6小尺寸，具有低功耗和广工作温度范围，能满足本研究所需功能，编程调试简单，而且价格实惠，与SIM800A模块相比只有它的一半价格。启动GPRS功能后，始终保持在线状态，按发送的数量并在产生通信流量时计费。

3.4液晶显示模块的研究方案论证和选择

液晶显示屏有着体积小、低功耗、使用简单方便等很多优点。在本研究中，液晶显示模块的选择有以下3种方案：

方案一：采用LCD1602作为液晶显示屏。

液晶屏选用LCD1602，可以用来显示字母、数字或符号等需要输出显示的字符，而每个字符位都能够显示1个字符，所以显示32个字符也就是16列2行。因为每个字符位之间都有间隔和行距，所以不能够显示图形。而LCD1602显示屏加上背光，总共需要连接16个引脚。

方案二：采用12864作为液晶显示屏。

12864屏幕比较大，能够输出字符和图形，能满足本研究的需要。

方案三：采用Nokia5110作为液晶显示屏。

Nokia5110液晶显示屏是诺基亚公司生产的一款很经典的液晶显示屏。Nokia5110和其他2个方案相比有着非常突出优点，且价格实惠，既可显示字符又可显示图形，完全可以满足本研究需求。但是LCD1602的售价大约为20元，而12864价格更贵（50～70元）远远贵于Nokia5110。Kokia5110所需要连接的引脚只有8个，相比LCD1602和12864少许多，降低了研究的难度，大幅降低了出错的可能性。

综上所述，可以看出，Nokia5110在价格和功能以及使用性能上更有优势。所以本研究采用Nokia5110。

4方案选择

在基本方案中，单片机芯片选择STC15W4K48S4，温度传感器选择DS18820传感器，GSM模块采用Goouuu -A6模块以及选择Nokia5110作为液晶显示模块。

5硬件电路构成

装置研究的硬件电路主要由以下几个部分组成：STC15w4k48s4单片机、电源电路、多组温度采集电路、GSM通信模块、CCD摄像电路、液晶显示电路、报警电路和制冷设备电路。

装置的许多模块都需要适宜的主控芯片电路。本装置是外接“+5V”电源供电运行。单片机是整个装置的中心器件，对整个装置的操作和稳定起到举足轻重的作用。本装置选用STC15w4k48s4单片机，其具有优良的功用且适用于低电压的特点，契合本装置的功能要求。

主控模块采用STCI5W4K48S4单片机为控制核心，其工作原理为采集分区温度数据，并控制温度，通过输出液晶显示反映实时温度，对出入口进行录像监控采集，对于不符合温度条件的通过GSM模块的短信息传输出去并及时进行报警，对温度过高的区域进行制冷。通过多组温度传感器分区探测温度，并把信号传入单片机进行数据处理。温度传感器能很好地检测冷库的实时温度，从而达到监控的目的。温度传感器采用DS18820温度传感器，其具有接口简单、直接输出数字量等优点。GSM模块有最便捷的数据通信方式，其数据量小，其中的短信息服务非常适用于实时的信息采集传输，而且不用加上其他复杂大型和价格高的数据端设备，只要使用GSM模块就可以实现相互通信的功能。利用GSM网络短消息业务实现了冷库监控与手机之间的通信，及时地将冷库的情况进行汇报，冷库超出设定的温度通过发短信报警，从而对冷库进行远程监控。

5.1液晶显示模块

Nokia5110液晶屏是一款性价比较高的液晶产品。Nokia5110共有8个连接信号端口。其中，5个功能端与芯片Pl端口相连，运行速度快。其应用低电压的供电模式，一般工作显示的电流低于200μA，并且具有掉电模式，其价格比一般市面上常用的液晶显示屏要便宜很多，性价比高。

5.2 CCD摄像模块

CCD摄像有光点转化、储存和传输等性能，还有集成度高、工作电压低、功耗小等优势，是其他摄像器件无法相比的。因为CCD模块有很好的性能优点，所以本研究采用TSL1401CL模块作为CCD摄像模块，对冷库出入口进行摄像监控。

本研究是对冷库中的温度智能监控装置展开分析与研究。在单片机应用的基础上，通过温度传感器检测温度后，将温度信号转化成电信号，再经过A/D转换后，其变成数字信号，由单片机進行数据处理，并实现后续的功能。通过按键电路设置不同区域的预设温度值，在即将达到预设温度，并且比设定温度低3℃时，制冷设备启动，单片机控制继电器驱动风扇转动进行降温处理。当温度达到设定温度时，冷库的报警电路启动，通过蜂鸣器实时报警，同时GSM模块发送短信进行远程报警提醒，并对冷库的出入口进行CCD摄像监控处理。

作者简介：

刘桐（1996—），本科，助理讲师，研究方向：中职教育。

黄伟平（1984—），硕士，讲师，研究方向：工业机器人、物联网。