疫苗冷藏温度监测系统的设计

2011届毕业生毕业论文题 目: 疫苗冷藏温度监测系统的设计 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 教师职称： 讲师 2011 年 05 月 20 日摘 要疫苗是指为了预防、控制传染病的发生、流行，用于人体预防接种的疫苗类预防性生物制品。实践表明，生物类制品的质量与其储存的温度密切相关，当储存温度超过相应温度范围一定时间，生物类制品就会失效。为了满足疫苗在储存、运输及使用前的环境温度保持在一定范围。应该要配备相应的储藏设备和监测系统。本设计采用多个温度传感器进行多点测量，以便对疫苗温度进行整体监视，所测疫苗温度信号经过A/D转换后进行存储，送到液晶显示器显示出来。通过串口通讯将所测温度信号传输到上位机存储并显示，上位机可实时监控疫苗温度，并能显示出疫苗温度历史曲线。通过按键可以设置预设温度值的上下限和复位，微控制器对测量到的温度值和预设温度值上下限进行比较，当所测温度值超过预设温度值的上下限时，由蜂鸣报警器发出警报。关键词：疫苗温度；微控制器；温度传感器；上位机Title the Bacterin Temperature control SystemAbstract The vaccine is to point to to the prevention and control of infectious diseases and popular, the occurrence of the vaccine for human inoculation of preventive bioproducts. Practice shows that the quality of products, biological closely related to its storage temperature, when storage temperatures exceed the corresponding temperature range for certain time, biological kind goods be useless. In order to satisfy the vaccine in storage, transportation and use the environmental temperature remains before in certain scope. Should be equipped with appropriate storage equipment and monitoring system. This design USES the multiple temperature sensor for multi-point measurement temperature of vaccine, so that the whole surveillance, testing the vaccine temperature signal after A/D conversion store, after to LCD display. Through serial communication will measure temperature signal transmission to PC storage and display, PC can real-time monitoring vaccine temperature and can show the vaccine temperature history curve. Through the buttons can set the upper and lower limit preset temperature of micro-controller is reset, temperature and presupposition to measure temperature upper measured comparison, when the temperature exceeds the preset limit, temperature and bees alarm by an alarm.Keywords:Bacterin temperature; Microcontroller; Temperature sensor ;PC目录1 绪论11.1 疫苗温度监测研究背景和研究意义11.2疫苗温度监测研究意义11.3 疫苗温度检测的发展现状22 总体设计方案32.1 疫苗温度监测系统总框图32.2 疫苗温度监测系统各部分的功能33 疫苗温度监测系统硬件设计43.1 MC9S08AW60微控制器简介43.2 疫苗温度测量电路53.3 疫苗温度液晶显示电路63.4 键盘83.5 疫苗温度超限蜂鸣报警电路83.6 疫苗温度传送上位机串口通讯电路84 系统软件设计104.1 程序流程图104.2 上位机界面12结论14致谢15参考文献16附录 总硬件电路图17171 绪论1.1 疫苗温度监测研究背景疫苗是指为了预防、控制传染病的发生、流行，用于人体预防接种的疫苗类预防性生物制品。疫苗的发现可谓是人类发展史上一件具有里程碑意义的事件。因为从某种意义上来说人类繁衍生息的历史就是人类不断同疾病和自然灾害斗争的历史，控制传染性疾病最主要的手段就是预防，而接种疫苗被认为是最行之有效的措施。而事实证明也是如此，威胁人类几百年的天花病毒在牛痘疫苗出现后便被彻底消灭了，迎来了人类用疫苗迎战病毒的第一个胜利，也更加坚信疫苗对控制和消灭传染性疾病的作用。此后200年间疫苗家族不断扩大发展，目前用于人类疾病防治的疫苗有20多种，根据技术特点分为传统疫苗和新型疫苗。传统疫苗主要包括减毒活疫苗和灭活疫苗，新型疫苗则以基因疫苗为主。随着时代的发展，人们对疫苗温度监测的要求不断提高，要求更加准确、可靠，要求对疫苗效价的分析更加迅速、方便。然而实践表明：生物类制品的质量与其储存的温度密切相关，不同生物类制品对储存温度范围有不同的要求，如果储存温度保持在这个范围内，就可保证该生物类制品在保持有效，当储存温度超过相应温度范围一定时间，生物类制品就会失效。为了满足生物类制品在储存、运输及使用前的环境温度保持在一定范围，应该要配备相应的储藏设备和监测系统。1.2疫苗温度监测研究意义温度的采集监测对保证疫苗的质量有着决定性的作用, 此次的温度监测器基于此而设计, 它的最大的优点在于可以测量显示当前温度，并将当前温度与预置温度进行比较，当当前温度超过预置温度时发出报警, 实现对历史数据进行监测、整理和分析的目的。该温度监测报警器功耗低, 能利用最少的资源对不同温度进行高精度的测量,信息性能可靠、操作便利, 复杂的工作通过软件编程来完成, 可以方便的获取结果,在实际的使用中获得了理想的效果。该设计实现了对疫苗所处环境温度的实时控制，控制灵活、可靠、精度高，可满足产品测试的各项要求。在温度加热恒温的处理上，形成了一套完整的控制方案，可以移植应用于设备恒温、屋内暖气等许多方面。因此，该设计的研究成果及设计理念能够很好的在别的设计中移植，做到了与实际的较好结合，具有较强的现实意义。通过该课题的研究和制作，应综合应用自动化本科四年所学的专业知识，例如传感器、微控制器、电子线路、计算机软件等，得到一个冷库温度检测系统的综合训练。1.3 疫苗温度监测的国内外发展现状目前，我国在疫苗研发和生产环节上已经具有较高的水平，有些甚至达到或超过国际水平，但是储藏环节仍得不到保证，特别是需冷藏药品，经常发生断链的情况，影响最终的使用，而疫苗需要以低温方式保存和运输，因此疫苗温度的已成为保证冷藏药品品质的关键环节。2010年1月，我国最大的甲型H1N1流感疫苗储存冷库在河南新乡司建成并投入使用，这是我国目前最大的疫苗储存冷库，能够储存1亿1千多万支甲型H1N1流感疫苗，为人民群众用药安全提供了重要保障。国外疫苗冷藏技术较为先进，自动化程度高，疫苗温度的控制装置运行能达到24小时无人看守进行自控运行。对疫苗冷藏温度的要求严格，由于采用先进的冷藏技术和温度监测技术，疫苗冷藏温度波动很小，严格确保疫苗温度处在最适范围内。疫苗冷藏所用降温蒸发起均为冷风机，系统运行平稳。疫苗冷库的设计和操作非常重视节电节能和能量的循环利用。2 总体设计方案2.1 疫苗温度监测系统总框图本设计采用数字温度传感器测量疫苗冷藏温度，将所测温度由液晶显示器显示出来并通过串口通讯传送到上位机以便实时监控。当所测温度值超过预设温度值的上下限时，由蜂鸣报警器发出警报。图2.1 疫苗温度监测系统总框图2.2 疫苗温度监测系统各部分的功能 由于疫苗冷藏时，各个不同位置的环境温度可能有所差异，为了能够全面监测疫苗冷藏的温度，设计使用多个温度传感器测量多个不同位置的疫苗温度，以便对疫苗温度的情况有总体的了解。 数字温度传感器所测温度信号经过微控制器转换为数字信号送到液晶显示器进行显示，液晶显示器依次显示每个温度传感器测得的疫苗温度，依次循环。 微控制器将所测疫苗温度值与预设温度比较，当所测温度值超过预设温度值的上下限时，驱动蜂鸣报警器发出警报。 选用44键盘，通过按键可以设置预设温度值的上下限，并能设置复位。 微控制器通过串口通讯，将所测疫苗温度值送入上位机。上位机实时显示所测得的疫苗温度，并自动绘制疫苗温度历史曲线以便查阅。当蜂鸣器发出警报时，上位机自动记录警报信息。3 疫苗温度监测系统硬件设计3.1 MC9S08AW60微控制器简介主要性能：MC9S08AW60是首个能支持5V而基于高性能HCS08核系列成员。它包含众多有价值的特性-60Kflash存储器、2KRAM、灵活而无需外部元件的内部时钟发生器、低压检测、高性能、模数转换器、串行通信模块等。即使在各类恶劣环境下，9S08AW系列亦达到极佳的EMC性能。它提供了不同的引脚数(64,48或44)、封装选项(QFP,LQFP或QFN)及温度范围（-40至85和-40至125摄氏度）。图3.1 微控制器最小系统 MC9S08AW60特性：8位HCS08中央处理器(CPU)，20-MHz内部总线频率，具有模块保护与安全选项功能的60KB片上在线可编程FLASH存储器，2KB片上RAM，时钟源选项包括：晶体、谐振器、外部时钟或内部生成的具有高精度NVM调整的时钟。系统保护：可选的看门狗复位，具有复位或中断功能的低压检测，具有复位功能的非法opcode检测，具有复位功能的非法地址检测(部分器件没有非法地址)，功率节省模式等待及两种停止模式， 外设：ADC - 具有自动比较功能的16通道、10位模数转换器，SCI-两个具有可选的13位断点的串行通信接口模块，SPI-串行外设接口模块，IIC 内部集成电路总线模块，在最大总线负载情况下，其最高工作频率可达100 kbps，且负载越少，波特率越高，定时器-一个2通道和一个6通道、16位定时器/脉宽调制器，(TPM)模块：每个通道上都具有可选的输入采集、输出比较及边缘对齐PWM 功能。针对所有通道上的缓冲、居中PWM(CPWM)，可对各定时器模块进行配置，KBI-8引脚键盘中断模块。输入/输出：通用输入/输出引脚高达54个，用作输入端时，端口处可软件选择上拉，用作输出端时，端口处可软件选择斜率，用作输出端时，端口处可软件选择驱动力，主复位引脚与加电复位(POR)，RESET、IRQ与BKGD/MS引脚处的内部上拉可缩减系统成本。3.2 疫苗温度测量电路3.2.1 数字温度传感器DS18B20简介该产品采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。技术性描述：独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。测温范围55125，固有测温分辨率0.5。支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温。工作电源:35V/DC。在使用中不需要任何外围元件。测量结果以912位数字量方式串行传送。适用于DN1525，DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2任选。PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线，便于与其它电器设备连接。接线说明：独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用，无需外部元件，可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源。测量温度范围为-55至+125，-10至+85范围内精度为0.5温度传感器可编程的分辨率为912位，温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒用户可定义的非易失性温度报警设置应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计或任何热敏感系统。描述该DS18B20的数字温度计提供9至12位，信息被发送到/从DS18B20通过1线接口，所以中央处理器与DS18B20只有一个一条口线连接。为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个ds18b20s可以同时存在于一条总线。这使得温度传感器放置在许多不同的地方。它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。斜率累加器预置减法计数器减至0减法计数器高温度系数振荡器低温度系数振荡器温度寄存器减至0预置计数比较器图3.2 DS18B20内部结构图DS18B20主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器5。DS18B20的封装形式及引脚排列如图2-3所示：3.2.2 疫苗温度测量电路设计采用多个数字温度传感器，测量不同位置的疫苗冷藏温度。所测温度信号送入微控制器进行数模转换和存储。图3.2 温度测量电路3.3 疫苗温度液晶显示电路显示电路采用带中文汉字字库的RT-T12864E液晶显示器，显示温度传感器所测得的温度值，以便工作人员进行监测与记录。图3.3 RT-T12864E液晶显示器RT-T12864E液晶显示模块是12864点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。液晶显示模块有20个引脚，VSS接地，VDD接+5伏电源，V0悬空，RS、R/W和E为控制接口。DB0-DB7为数据接口。用微控制器的D0-D7接LCM的DB0-DB7口，微控制器的C4口接LCM的RS口，C5接R/W，C6接E。LCM的1口接地，2口加电源VDD。图3.3 数码显示电路3.4 键盘本设计采用44键盘，可以设置预设温度值的上下限，并能设置复位。先从P1口的高四位输出低电平，低四位输出高电平，从P1口的低四位读取键盘状态。再从P1口的低四位输出低电平，高四位输出高电平，从P1口的高四位读取键盘状态。将两次读取结果组合起来就可以得到当前按键的特征编码。使用上述方法我们得到16个键的特征编码。图3.4 键盘3.5 疫苗温度超限蜂鸣报警电路当所测量温度值超过预设温度值上下限时，微控制器控制蜂鸣报警器发出警报，以提醒工作人员采取急救措施，控制疫苗温度在合适范围内。图3.5 蜂鸣报警电路3.6 疫苗温度传送上位机串口通讯电路 本设计采用RS232作为串口通讯。9个引脚分别为：1是DCD，2是RX,3是TX，4是DTR，5是GND，6是DSR，7是RTS，8是CTS，9是RI。串口针头分布2为接收数据，3为发送数据，5为信号地。4 系统软件设计4.1 程序流程图4.1.1 温度测量与报警流程图图4.1 温度测量与报警流程图4.1.2 温度显示流程图 图4.2 温度显示流程图4.2 上位机界面 图4.3 上位机主界面图4.4 疫苗实时温度界面图4.5 疫苗历史温度曲线界面结论本设计介绍了研究疫苗冷藏温度监测系统的背景和意义和测量疫苗冷藏环境温度的关键与相关注意事项，详细介绍了MC9S08AW60微控制器和DS18B20数字温度传感器，并完成了采用MC9S08AW60微控制器，通过数字温度传感器DS18B20检测疫苗冷藏环境温度的一种疫苗冷藏温度监测系统的设计方案。本课题所涉及的知识覆盖面较广，综合了我们专业的大部分专业基础课程和专业课程，能对我的知识综合运用能力的进行训练；本课题在传感器与检测技术、微控制器、计算机控制技术等方面有一定的深度和广度，能较好的训练我利用所学的基本理论进行分析实际问题与解决实际问题的能力。本课题是设计一个疫苗冷藏温度监测系统，主要涉及微控制器技术、电子线路技术、计算机控制技术等相关领域。课题工作量饱满，有电路原理设计、软件程序的编写与调试；能满足本科毕业设计论文的要求，本设计论文的成果是一篇详尽的设计论文。我通过本课题的设计与研究，达到了自动化专业本科生的软硬件设计、调试等综合能力的训练要求。致谢时间过的好快，转眼间几个月的毕业论文设计即将结束。在毕业论文结尾之际，借此机会，我向在我做毕业设计过程中给予我支持和帮助的老师和同学们表示衷心的感谢！经过这段时间的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及同学们的支持和帮助，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的导师马老师。马老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下自动化专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次毕业设计才会顺利完成。最后感谢我的母校河南工业大学四年来对我的大力栽培。参考文献1 刘君华. 智能传感器系统M. 西安：西安电子科技大学出版社，2007.2 余永权. 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Developers Serial Bootloader for M68HC08 and HCS08 MCUs.2006.8.14 Laville C,Pellet C.Interdigitated humidity sensors for a portable clinicalmicrosystem J .IEEE Transactions on Biomedical Engi2 neering, 2002, 49,(10):1162-1167.15 Jakobson C G,Dinnar U,Feinsod M,et al.Ion-sensitive-field- effect transistors in standard CMOS fabricated by post p rocessingJ.IEEE Sensors Journal,2002,（2）:279-287.16 Chyu M K,Hsing Y C,Natarajan V.Convective Heat Transfer of Cubic Fin Arrays in a Narrow ChannelJ.ASME Journal of Turbo Machinery ,1998 ,（120）:362-367.附录 总硬件电路图