一種用于電子產(chǎn)品的溫濕度記錄裝置

北京航天試驗技術(shù)研究所，北京 100074

一、引言

對于高可靠的電子產(chǎn)品，因其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境特殊，以及維修困難性，對可靠性有著很高的要求。環(huán)境因素造成的電子產(chǎn)品故障是嚴(yán)重的，國外曾對機(jī)載電子產(chǎn)品進(jìn)行故障剖析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，50%以上的故障是由環(huán)境因素所致。大部分電子產(chǎn)品都要求在干燥條件下作業(yè)和存放。據(jù)統(tǒng)計，全球每年有1/4以上的工業(yè)制造不良品和溫度與濕度的危害有關(guān)。對于電子工業(yè)，溫度與濕度的危害已經(jīng)成為影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素[1-3]。對于原料倉庫、生產(chǎn)車間、成品倉庫和運輸車輛的溫濕度，傳統(tǒng)的方法是用與濕度表、毛發(fā)濕度表、雙金屬式測量計和濕度試紙等測試器材，通過人工進(jìn)行檢測。這種人工測試方法費時費力、效率低，且測試的溫度及濕度誤差大，隨機(jī)性大。而在物流方面，企業(yè)基本沒有辦法管理運輸車輛上的溫濕度變化[4-5]。

隨著市場對體積小、密度高且輕便的便攜式電子產(chǎn)品的需求增加，幾乎所有的廠商都對其配件供應(yīng)商要求供應(yīng)的零配件是滿足某些特定環(huán)境條件的合格產(chǎn)品。本文介紹一種用于電子產(chǎn)品的溫濕度記錄裝置，它不僅可以用在倉庫等場所，也可以用在物流等方面，在進(jìn)行溫度實時監(jiān)控的同時，還可以進(jìn)行USB數(shù)據(jù)輸出。

二、溫濕度記錄裝置系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1為系統(tǒng)的原理框圖，溫度傳感器和濕度傳感器把數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集裝置，然后通過系統(tǒng)進(jìn)行溫度記錄，記錄的同時可對溫度進(jìn)行實時顯示，然后可通過USB數(shù)據(jù)口把數(shù)據(jù)傳送到電腦上進(jìn)行顯示處理。這樣的系統(tǒng)比較簡單，對于環(huán)境的溫度可以進(jìn)行長時間的記錄。

1、溫濕度傳感器

溫度傳感器熱電偶是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定，是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。

溫度傳感器采用SM6610BH-G-EL，它的測溫范圍在-55℃～+150℃之間，而且精度高。M檔在測溫范圍內(nèi)非線性誤差為±0.3℃。SM6610BH-G-EL無需進(jìn)行線性校正，所以使用也非常方便，接口也很簡單。作為電流輸出型傳感器的一個特點是，和電壓輸出型相比，它有很強(qiáng)的抗外界干擾能力。

測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。

濕度傳感器采用HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時間，專利設(shè)計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。 相對濕度在10%-100%RH范圍內(nèi)；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應(yīng)時間小于5S；溫度系數(shù)為0.04 pF/℃。

2、微控制器模塊

微控制器是整個主控電路的關(guān)鍵，要求既能完成對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，又能完成對整個外部接口芯片進(jìn)行控制，所以本系統(tǒng)要選擇一款速度高、低功耗的微控制器。本系統(tǒng)就選擇了意法半導(dǎo)體公司的STM32F101C8作為主控芯片。

根據(jù)系統(tǒng)要求選用意法半導(dǎo)體公司的芯片STM32F101C8作為主控芯片，此芯片是32位的Cortex-M3內(nèi)核的控制的芯片。此款芯片嵌入了哈佛結(jié)構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核，利用它獨立的數(shù)據(jù)總線和指令總線，就可以使微控制器并行訪問數(shù)據(jù)，這樣就有利于系統(tǒng)的運行。

STM32F101C8作為系統(tǒng)的主控芯片，其封裝形式為LQFP48，其大小為7mm×7mm，工業(yè)溫度范圍-40°～85°，最高時鐘頻率可以達(dá)到72MHz，而且當(dāng)達(dá)到1.25DMips/MHz時，能夠做到對存儲器的等待周期為0。

微控器的其他功能特點如下：內(nèi)部帶有256KB的FLASH和64KB的SRAM用來存儲程序。其供電電壓范圍在2.0V～3.6V。系統(tǒng)采用電源芯片TLV1117供電，輸出電壓3V，同時系統(tǒng)也可用鈕扣電池供電，還有微控器支持?jǐn)嚯姀?fù)位和上電復(fù)位，另外晶振時鐘頻率范圍為3～25MHz，本系統(tǒng)采用8MHz晶振作為系統(tǒng)時鐘源，同時系統(tǒng)內(nèi)部自嵌8MHz時鐘晶體振蕩器，實時時鐘RTC采用晶振32.768kHz。STM32F101C8芯片自帶兩個16通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器和兩個12位D/A轉(zhuǎn)換器，同時內(nèi)部還有12通道的DMA控制器，可以支持外設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、I2S總線、SPI總線、I2C和UART等。微控制器的普通I/O口可達(dá)到40多個，更方便于對系統(tǒng)的開發(fā)，16個外部中斷向量，有兩種下載模式：一種JTAG下載模式，另一種是串行的SWD模式，本模塊電路使用JTAG模塊下載，所使用下載器有J-LINK、U-LINK、ST-LINK等。嵌入了USB-2.0高速接口設(shè)備，具有DMA控制器的介質(zhì)訪問控制MAC，達(dá)到10/100bit/s的傳輸速率。其微控制器原理圖如圖2所示。

3、電源模塊

本系統(tǒng)的電源電壓供電為3.3V，使用的是電源芯片LV1117作為微處理器的電源系統(tǒng)。另外系統(tǒng)使用J-LINK通過20針的JTAG接口下載程序到微處理器里。系統(tǒng)時鐘使用的是外部8MHz的無源晶振作為系統(tǒng)的時鐘。

4、存儲系統(tǒng)的設(shè)計

本系統(tǒng)在程序運行設(shè)計中，需要對很多的數(shù)據(jù)處理，因此需要大量的程序存儲空間，所以系統(tǒng)選擇使用了EEPROM存儲芯片。

系統(tǒng)選擇存儲芯片M24C64來存儲數(shù)據(jù)，M24C64是一款通過I2C總線傳輸數(shù)據(jù)的串行CMOS器件，其容量為64KB，供電電壓范圍為1.8V-5.5V，工業(yè)工作溫度范圍-40℃～ +85℃。其中CE0、CE1、CE2為三個地址選擇管腳，其中I2C_SCK為時鐘信號，I2C_SDA為數(shù)據(jù)信號，此芯片供電電壓為3V，其電路原理圖如圖4所示。

三、溫濕度記錄裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

便攜式溫度記錄裝置主要應(yīng)用原料倉庫、生產(chǎn)車間、成品倉庫和運輸車輛的溫濕度。故應(yīng)做成小型便攜的形式，此便攜式溫度記錄裝置應(yīng)有以下優(yōu)點，體積小，便于掛放和粘貼，便于數(shù)據(jù)輸出。

溫濕度記錄裝置整體最大尺寸為54mm×23mm×8mm。主要包括數(shù)據(jù)口蓋、USB接口、線路板、上蓋、下蓋、液晶屏、永久磁鐵、紐扣電池與電池存放蓋等。液晶屏可顯示環(huán)境的溫度與濕度，同時可以顯示時間；磁鐵固定在裝置下蓋；電池存放蓋設(shè)計有可以順利取出紐扣電池的卡槽；上蓋與下蓋的一側(cè)設(shè)有凸起，并在凸起的部位有通槽，其各部分結(jié)構(gòu)如圖5所示。

這樣設(shè)計的優(yōu)勢主要為：

1、帶有液晶屏的實時顯示，可以為隨時查看數(shù)據(jù)，調(diào)整倉庫的溫濕度提供依據(jù)；

2、帶有USB的數(shù)據(jù)輸出口，可隨時查看記錄的數(shù)據(jù)，并可在電腦上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并可為倉庫溫濕度提供長時間的數(shù)據(jù)支持；

3、記錄裝置的小型化設(shè)計，極其有利于記錄裝置的攜帶；

4、創(chuàng)新的添加磁鐵裝置，可把記錄裝置吸附在任何有金屬鐵的地方，便于記錄裝置的放置，便于其在倉庫與運輸車輛的使用；

5、上蓋與下蓋的一側(cè)設(shè)有凸起設(shè)計，便于溫濕度記錄設(shè)置從插入電腦拔出，通槽設(shè)計可對其懸掛標(biāo)牌，便于不同位置溫度的區(qū)分。

四、結(jié)論

這種溫濕度記錄裝置微控制器既能完成對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，又能完成對整個外部接口芯片進(jìn)行控制，同時可以進(jìn)行顯示與數(shù)據(jù)輸出。不僅可以用在電子產(chǎn)品倉庫等場所，也可以用在電子產(chǎn)品物流等方面，對與電子產(chǎn)品的精度變差與失效有著極大的幫助。此外，這種便攜式溫濕度記錄裝置結(jié)構(gòu)簡單小巧，對于電子產(chǎn)品倉庫、物流等方面有著極強(qiáng)的適應(yīng)性。