數(shù)字化無線溫度傳感器與無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊 建，陳志高，呂 瀚

（中國(guó)地震局地震研究所，湖北 武漢 430061）

目前，我國(guó)在美術(shù)館、博物館、智能化寫字樓、藥品冷庫(kù)等場(chǎng)所中的環(huán)境溫度檢測(cè)需求越來越大，而這些場(chǎng)所通常需要測(cè)量的空間都較大，市場(chǎng)中的有線測(cè)量系統(tǒng)顯然不能滿足檢測(cè)需求。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的溫度數(shù)據(jù)控制和采集，設(shè)計(jì)一種數(shù)字化無線溫度傳感器有著積極的意義，為大型場(chǎng)所的計(jì)量檢測(cè)提供了更加科學(xué)、有效的選擇。

1 組成和工作原理

計(jì)算機(jī)、無線接收、無線采集和前端的處理模塊四部分共同組成了系統(tǒng)的主要部分。計(jì)算機(jī)運(yùn)行的控制平臺(tái)選用VB所編寫的，對(duì)采集次數(shù)和采集點(diǎn)進(jìn)行有效設(shè)置，最后將已經(jīng)設(shè)置完成的參數(shù)經(jīng)由串口通信傳至前端的處理單片機(jī)（AT89C52），通過對(duì)接收模塊中的地址碼進(jìn)行控制，接受采集點(diǎn)數(shù)據(jù)并且采集相對(duì)應(yīng)的次數(shù)。單片機(jī)把采集所得的數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)，進(jìn)而將采集所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示。解碼芯片（PT2272）和外圍的電路共同組成了無線接收模塊，將無線發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。無線采集模塊最主要的任務(wù)是完成采集數(shù)據(jù)和無線發(fā)送，模擬信號(hào)通過單機(jī)片（AT89C51）控制轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過解碼芯片（PT2262）組合而成的無線電路發(fā)送，每一次發(fā)送的數(shù)據(jù)為四位。前端的處理模塊由串行通信電路與單片機(jī)（ATB89C52）共同組成，工作的主要內(nèi)容是完成數(shù)據(jù)處理與讀入、通過接收模塊地址碼從而實(shí)現(xiàn)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行的通信。

2 軟件和硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

溫度測(cè)量電路采用由Dallsa所生產(chǎn)的總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。該傳感器采用了3引腳小體積封裝，可進(jìn)行測(cè)量的溫度范圍是－55～125 ℃，編程控制器的轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度可達(dá)9～12位，分辨力為0.0623 ℃，測(cè)得的溫度帶符號(hào)拓展16位數(shù)字量方式串行輸出。該系統(tǒng)由端腳引入電源。該傳感器的內(nèi)部主要構(gòu)成部分包括了溫度傳感器、溫度報(bào)警觸發(fā)器（非揮發(fā)）、配置寄存器以及64位的ROM。該傳感器的完成對(duì)于溫度的測(cè)量之后以16位符號(hào)的二進(jìn)制補(bǔ)碼提供。

2.2 采集部分的設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)所采用的四位半雙積分A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7135，擁有的最小分辨率是100 μV，最大采集值是19 999，準(zhǔn)確度為±1。輸出為BCD碼掃描，供電為±5 V，所需的工作電流是3 mA，并且僅需要單一的外接基準(zhǔn)電壓，能夠自校零，當(dāng)Vin為0 V時(shí)可以保證讀數(shù)是 0，可以提供欠量程信號(hào)和超量程信號(hào)。在時(shí)鐘的頻率達(dá)到200 kHz時(shí)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換速度是每秒3次。信號(hào)在單片機(jī)端通過D觸發(fā)器在8分頻之后獲得頻率是250 kHz的信號(hào)，與CLK端進(jìn)行連接。軟件所采用的查詢方式讀取數(shù)據(jù)。

2.3 無線發(fā)送部分的設(shè)計(jì)

無線發(fā)送系統(tǒng)必須為每一個(gè)采樣點(diǎn)編設(shè)相應(yīng)的地址碼，便于將每個(gè)采集點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)分類處理。對(duì)于PT2262的A0～A7是地址碼，設(shè)為置0、置1或者是懸空三種狀態(tài)。地址的編碼不重復(fù)度是 6561組，在理論上，本系統(tǒng)可以安裝的采集點(diǎn)總數(shù)為6561。但是要注意這里僅使用了兩種狀態(tài)，置0和置1，所以本系統(tǒng)可以安裝的采集點(diǎn)總數(shù)最多不超過256。D0～D3是數(shù)據(jù)碼，在傳送四位二進(jìn)制的數(shù)據(jù)時(shí)編碼的信號(hào)由Dout進(jìn)行輸出，在放大后由315 MHz的高頻調(diào)制無線發(fā)送。為解決數(shù)據(jù)的同步和出錯(cuò)的問題，并且要保證數(shù)據(jù)完整，特別引入一個(gè)起始同步碼1111，所有的發(fā)送數(shù)據(jù)皆為BCD碼，可將數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分。

2.4 無線接收電路的設(shè)計(jì)

無線接收電路的工作方式有超再生式和超外差式兩種。本設(shè)計(jì)中使用的接收模塊使用超再生式接收，內(nèi)含解碼電路與放大整形，使用起來非常方便。接受的模塊電路之中，PT2272的外接振蕩電阻是200 kΩ，與發(fā)射端的PT2262外接的112 MΩ匹配，將中心頻率控制至315 MHz。由單片機(jī)（AT89C52）P2端口設(shè)置PT2272的地址碼，這樣從改變P2端口輸出就能夠完成對(duì)于不同采集點(diǎn)數(shù)據(jù)的接收。PT2272數(shù)據(jù)解碼端和單片機(jī)P1端口連接。在本系統(tǒng)之中電路可以判斷數(shù)據(jù)的解碼是否完畢，PT2272的17腳是有效解碼的輸出端，解碼完畢之后中斷，開始由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。通過對(duì)一組數(shù)據(jù)開端進(jìn)行判斷，按照順序接受本組的數(shù)據(jù)，在最后通過累加來判斷該組數(shù)據(jù)的接收正確與否，這樣能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率。

2.5 計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的通信設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的通信可以由 RS2232電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)的操作平臺(tái)在運(yùn)行中可以接收的數(shù)據(jù)只能是多個(gè)采集點(diǎn)或者一個(gè)采集點(diǎn)，還可以通過設(shè)置循環(huán)的采集次數(shù)來完成。在參數(shù)設(shè)置完成之后，由串口通信把采集點(diǎn)的采集次數(shù)與數(shù)字代碼傳到接收模塊完成識(shí)別與處理，相應(yīng)的控制接收模塊（PT2272）循環(huán)接收次數(shù)與地址碼。完成了一定采集數(shù)據(jù)的接收之后，要將數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的采集點(diǎn)數(shù)字的代碼傳至計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行下一輪的采集工作。在這樣的循環(huán)中不斷進(jìn)行，直至所有的任務(wù)完成為止。如果選擇了將數(shù)據(jù)保存至文檔選項(xiàng)，在顯示區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)達(dá)到了該列表最大的容量或是點(diǎn)擊了結(jié)束采集的按鈕之后，這些數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)保存為記事本，存到設(shè)置的目錄中。

3 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)可以得知，本系統(tǒng)可以設(shè)置的采集點(diǎn)最多為256個(gè)，只需要配置一個(gè)完好的接收模塊就能夠通過計(jì)算機(jī)的控制界面進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)采集點(diǎn)控制與數(shù)據(jù)的收集保存。本系統(tǒng)的所有采集模塊皆可進(jìn)行無線安裝，完全避免了布線布局的復(fù)雜操作，能夠在保證準(zhǔn)確率、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)化和便于調(diào)試的前提下?lián)碛休^強(qiáng)的拓展性和靈活的配置，并且本系統(tǒng)使用方便、成本較低，能夠滿足大型場(chǎng)所對(duì)于溫度測(cè)量的需求，適宜廣泛推廣，以專業(yè)準(zhǔn)確的計(jì)量采集，完美實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的溫度數(shù)據(jù)的控制。

1 〔美〕creed huddleston.智能傳感器設(shè)計(jì)［M］.北京：人民郵電出版社，2009.06：121～123

2 趙天池.傳感器與探測(cè)器的物理原理和應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.02：345～348