無線溫度傳感器設計

張玲玲，王建中，石 磊

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 前言

隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的日漸普及，傳感器市場再次迎來快速發(fā)展的機遇。傳感器主要包括壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器、無線傳感器和生物傳感器等等。傳感器是信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，可以應用于航天、軍工、醫(yī)療和汽車電子等方面。目前國際上集成化智能傳感器技術發(fā)展迅速，然而由于我國技術和資金等方面的不足，導致在傳感器的研究上落后于國外。

溫度是和人類生活環(huán)境密切相關的物理量，是工業(yè)過程三大參量（流量、壓力、溫度）之一，溫度測量是一個經(jīng)典的話題，長久以來，在這方面已有多種測溫元件和傳感器得到普及，但是對于一些特殊行業(yè)或特定環(huán)境應用，傳統(tǒng)的測量方式已不能滿足其需求。

因此，我們針對電力部門配電柜測溫監(jiān)控系統(tǒng)，從傳統(tǒng)的溫度傳感器入手，通過結合無線收發(fā)技術，研制開發(fā)了無線溫度傳感器。本文主要講述該無線溫度傳感器硬件結構及軟件處理過程。

2 無線溫度傳感器整體方案

2.1 整體方案框架

高精度無線數(shù)字化溫度傳感器應該包含兩個主要部分：一部分是高精度的溫度測量（含發(fā)射）電路，另一部分是溫度信息處理（含接收）電路。溫度測量部分主要由高精度傳感器、MCU、電源控制電路和無線發(fā)射模塊構成，見圖1。溫度處理部分主要由無線接收模塊、MCU、通訊接口電路和顯示模塊構成，見圖2。

圖1 溫度測量電路框圖

圖2 溫度處理電路框圖

2.2 高精度傳感器的選擇

溫度傳感器的種類非常多，選擇的空間也很廣闊。傳統(tǒng)傳感元件可以使用熱電偶、熱電阻等測溫元件，也可以選用集成溫度傳感器。

對于傳統(tǒng)的傳感元件，由于測量精度比較低，因此只能使用在一些要求不高的場合。另外在使用時，傳統(tǒng)傳感元件還需要搭建額外的電路，需要進行A/D轉換才能與控制器連接，因此不便于集成和小型化。在此，本文不對傳統(tǒng)傳感元件進行深入探討。

本設計選擇的溫度傳感器是集成溫度傳感器，以下給出了兩種選擇：DS18B20和Tic。

表1 兩種溫度傳感器參數(shù)比較

從表1中可以看出，與DS18B20相比，Tic具有精度高、測量范圍寬、同等分辨率下轉換速度快、操作簡單、支持模擬輸出等優(yōu)點。因此，本文選用Tic作為了高精度溫度傳感器。

2.3 MCU的選擇

目前，工程應用比較主流的單片機是89C51系列。但是由于受到單片機指令運行速度的影響，89C51單片機不能滿足數(shù)據(jù)高速采集的要求，同時它也不具備低功耗的要求，所以舍棄不用；此外可供選擇的還有高速數(shù)字信號處理器（DSP），它的特點是速度快、硬件結構簡單、I/O端口豐富、軟件編程靈活，但是由于其價格昂貴，對于批量生產(chǎn)的產(chǎn)品來說沒有價格優(yōu)勢。

基于低功耗的設計要求以及價格方面的考慮，本設計中采用了PIC系列單片機作為微處理器單元，PIC系列擁有各種型號，選型靈活，其指令非常精簡，執(zhí)行效率高，而且還具有低功耗睡眠模式。通訊的I/O端口也非常豐富，在大多數(shù)場合下基本可以滿足要求。

2.4 無線收發(fā)模塊

2.4.1 無線發(fā)射模塊

無線發(fā)射采用ASK調(diào)制方式，另外，由于目前系統(tǒng)都要求小型化，因此發(fā)射模塊不能采用市場上傳統(tǒng)的發(fā)射電路，需要應用微帶天線技術將發(fā)射部分整合從而減小系統(tǒng)體積。詳細電路圖見圖3。

振蕩源采用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻技術，頻率穩(wěn)定度極高。所謂SAW（Surface Acoustic Wave）器件是指利用壓電材料將高頻信號轉換為表面彈性波，再用壓電材料反轉為高頻信號的器件。高頻三極管T1的基極通過SAW諧振器接地并通過R1接控制信號；高頻三極管T1的集電極連接阻抗匹配電路并通過電感L1接電源正極Vcc，電感L1和電源正極Vcc之間通過電容C1、C2接地，分別用于低頻（控制信號）和高頻（載波）去耦；高頻三極管T1的發(fā)射極通過電阻R2和電容C4接地。振蕩源的頻率輸出由SAW決定，常用的是315MHz或433.92MHz。

圖3 無線發(fā)射模塊

匹配網(wǎng)絡起到振蕩源與發(fā)射部分的橋梁作用。從振蕩源輸出的功率通過匹配網(wǎng)絡輸入到天線部分發(fā)射，但如何進行有效的功率傳輸是硬件設計的關鍵，因為高頻三極管有效T1的S參數(shù)是隨頻率變化而改變的，即振蕩源輸出阻抗是隨頻率變化而變化的，對于不同的頻率（315 MHz、433.92 MHz、868 MHz等），其匹配電路是不同的。失配的電路工作電流大且輸出功率小，而匹配的電路在合理的電流下能輸出最大的功率。

2.4.2 無線接受模塊

本設計中無線模塊采用超外差接收模式，接收芯片是Infineon公司的TDA5201，通過選頻接收、混頻、比較實現(xiàn)有效數(shù)字信號的輸出。由于該芯片的應用技術已較為成熟，在這里不再贅述，外圍配置電路見圖4。

圖4 無線接收模塊

2.5 數(shù)據(jù)編碼方式

數(shù)據(jù)的輸出一共有三個字節(jié)。第一個字節(jié)的8位和第二個字節(jié)的高4位是地址碼。第二個字節(jié)的低4位和第三個字節(jié)組成了溫度數(shù)據(jù)位。在每個數(shù)據(jù)包發(fā)送之前都有一個同步碼。當檢查到正確溫度后，MCU將控制發(fā)射模塊連續(xù)發(fā)送3幀。圖5給出了同步碼、邏輯1和邏輯0的電平占空比。

3 軟件設計

3.1 解碼原理

從數(shù)據(jù)編碼方式可以看出，每一幀之間都有同步碼隔開，所以如果使用單片機軟件解碼，那么程序只要判斷出同步碼，然后對后面的字碼進行脈沖寬度識別即可。以下給出了兩種解碼方法，并且假設已經(jīng)檢測出了同步碼。

（1）方法一：從第一個上升沿開始延時450μs左右，檢測電平高低，高即為邏輯1，低即為邏輯0。重復上述方法，連續(xù)檢測，直到檢出所有碼位。

（2）方法二：從第一個上升沿開始記時，并不斷檢測電平變化，一旦發(fā)現(xiàn)電平改變，立即記錄電平寬度，再繼續(xù)記時直到出現(xiàn)第二個上升沿，此時記錄下了兩次電平變化的脈沖寬度。重復以上步驟，判斷脈沖寬度是否符合邏輯1和邏輯0的占空比要求，正確則繼續(xù)譯碼，否則認為誤碼，應丟棄。連續(xù)正確檢測，直到譯碼結束。

圖5 數(shù)據(jù)編碼的占空比

兩種解碼方式的優(yōu)缺點如下：

方法一程序體結構簡單，MCU的開銷小，但是精度差，當MCU的時鐘頻率發(fā)生變化時容易產(chǎn)生誤操作；方法二程序解碼精度高，誤操作少，但是程序體結構復雜，對MCU 的程序空間和內(nèi)存空間要求比較高，MCU的開銷也比較大。

不過，為了滿足高精度解碼的需要，本文還是采用了方法二，以避免無線頻段中大量干擾信號以及毛刺引起的誤解碼。

3.2 可供參考的C語言代碼

以下給出了C語言解碼代碼，包括了同步碼和邏輯0（邏輯1識別類似于邏輯0）的識別。此外，需要注意的是，實際接收到的信號往往第一幀都是不完整的，所以在編寫解碼代碼時需要考慮進去。

MCU配置在4MHz的時鐘頻率上，High_line()，low_line()為高低電平計時函數(shù)。

（1）同步碼的識別：

4 板級調(diào)試

板級調(diào)試時，我們參照前期EDA工具的仿真結果，PIC單片機選擇了dsPIC30F4011和PIC12F629，顯示模塊選擇了MAX7219。

圖6是實驗時使用的在線調(diào)試平臺，即Microchip MPLAB IDE。

圖6 Microchip調(diào)試平臺

圖7給出了實際在線調(diào)試的結果，并且在調(diào)試時已經(jīng)加入了無線發(fā)射模塊，以驗證在無線發(fā)射的情況下，整個系統(tǒng)的正確性和可靠性。

由圖7中可以看出，調(diào)試時得到的地址是56，溫度是26.5999℃。因此，設計方案的性能達到了設計要求。并且通過測試，發(fā)射和接受能夠在15米以上，由于在解碼時已經(jīng)考慮了軟件容錯功能，所以后期只要稍微修改發(fā)射模塊，就可以實現(xiàn)更遠距離的傳輸。

圖7 在線調(diào)試結果

5 結論

本文探討了采用價格低廉的PIC系列單片機、高精度溫度傳感器和無線收發(fā)模塊實現(xiàn)了無線溫度傳感器的功能。在設計過程中，通過前期論證、仿真和后期的板級調(diào)試，該款無線溫度傳感器具有較高的測量精度，無線傳輸?shù)墓β始熬嚯x也完全滿足設計要求。因此，該無線溫度傳感器具有一定的實用價值。通過后續(xù)的完善和擴展，其以較低的成本和高精度將開拓出更廣闊的應用空間。

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