一種高精度溫度傳感器的方案設(shè)計(jì)研究

區(qū)兆敏

【摘 要】本文主要圍繞設(shè)計(jì)一款高精度無(wú)線溫度傳感器的系統(tǒng)方案，結(jié)合了無(wú)線溫度傳感器的基本組成與工作原理，對(duì)無(wú)線溫度傳感器的整體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了簡(jiǎn)要的探討，希望為同行提綱一定的幫助。

【關(guān)鍵詞】高精度；溫度傳感器；設(shè)計(jì)

0.引言

隨著科技的發(fā)展，在不遠(yuǎn)的將來(lái)可能每個(gè)人的電子產(chǎn)品都可以看成一個(gè)大型無(wú)線傳感網(wǎng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。從天氣預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō)，如果每個(gè)都能將本地溫度傳輸?shù)皆贫?，利用這些數(shù)據(jù)對(duì)天氣的預(yù)測(cè)也不失為一種補(bǔ)償。那么，設(shè)計(jì)一款成本較低，測(cè)量精度相對(duì)較高的集成溫度傳感器實(shí)際使用意義巨大。

1.無(wú)線溫度傳感器的整體設(shè)計(jì)方案

1.1整體方案框架

高精度無(wú)線溫度傳感器應(yīng)該包含2 大部分：一部分是具有高精度的溫度測(cè)量?jī)x器，另一部分是具備溫度信息處理功能的電路。溫度測(cè)量?jī)x器主要是由高精度傳感器、單片機(jī)以及電源控制電路和無(wú)線發(fā)射模塊等構(gòu)成，溫度信息處理電路則由無(wú)線接收模塊、單片機(jī)、通訊接口電路和顯示模塊等構(gòu)成。

1.2單片機(jī)的選擇

到目前為止，不少工程依然在沿用C51式單片機(jī)。但現(xiàn)在對(duì)單片機(jī)的要求越來(lái)越高，其必須能達(dá)到指令所要求的速度，因此，不能滿足數(shù)據(jù)高速采集要求且不具備低功耗應(yīng)用性能的C51式單片機(jī)正逐漸被舍棄。與之相比，數(shù)字信號(hào)處理器可供選擇和參考，其具有速度快，硬盤構(gòu)造簡(jiǎn)單，I/O端口豐富，軟件編程應(yīng)用靈活等特點(diǎn)，但價(jià)格相應(yīng)也較昂貴，所以就大批量生產(chǎn)而言，數(shù)字信號(hào)處理器在價(jià)格上幾乎完全沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。選擇單片機(jī)主要需考慮的因素是使用時(shí)的低功耗和低價(jià)格，因此，當(dāng)今無(wú)線溫度傳感器設(shè)計(jì)中多采用PIC系列單片機(jī)作為微處理器。PIC系列單片機(jī)擁有多種型號(hào)，故在選型方面比較靈活；同時(shí)，精簡(jiǎn)的指令使其執(zhí)行效率較高；另外，它還具備低功耗的睡眠模式，通訊的I/O端口也非常豐富。所以，在絕大多數(shù)情況下，PIC系列單片機(jī)都能滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3無(wú)線發(fā)射模塊

無(wú)線溫度傳感器中的無(wú)線發(fā)射應(yīng)采用ASK調(diào)制的模式。由于目前系統(tǒng)都在朝小型化方向發(fā)展，因此發(fā)射模塊就不能選擇市場(chǎng)上的普通發(fā)射電路，而應(yīng)利用微波天線技術(shù)將發(fā)射部分整合以減小系統(tǒng)的體積。無(wú)線溫度傳感器的振蕩源應(yīng)當(dāng)采用聲表諧振器的SAW穩(wěn)頻技術(shù)，其頻率穩(wěn)定度極高。所謂SAW器件，就是利用壓電材料把高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成表面具有彈性的波段，再用壓電材料反轉(zhuǎn)化成高頻信號(hào)的器件。無(wú)線溫度傳感器的無(wú)線發(fā)射模塊應(yīng)選用LC振蕩器應(yīng)用電路，其高頻三極管的基極通過(guò) SAW諧振器接地，且通過(guò)相應(yīng)的電阻接入控制信號(hào)；高頻三極管的集電極應(yīng)當(dāng)與阻抗匹配的電路相連，并通過(guò)對(duì)應(yīng)的電感接入電源的正極，電感與電源正極之間要通過(guò)2個(gè)電容接地，2個(gè)電容分別用于低頻和高頻去耦；高頻三極管的發(fā)射極要通過(guò)相應(yīng)的電阻與電容進(jìn)行接地處理，振蕩源的輸出頻率完全由SAW決定。

2.無(wú)線溫度傳感器系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)

2.1溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

溫度測(cè)量電路采用的是新型總線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20。該傳感器使用的是3引腳的小體積封裝，可測(cè)量的溫度范圍是-55～125℃，其可編程控制器的轉(zhuǎn)換精度可達(dá)9～12位，溫度分辨率為0.062 3℃。DS18B20所測(cè)得的溫度帶符號(hào)拓展后，以16位數(shù)字的模式串行輸出。該系統(tǒng)由端腳引入電源，傳感器的內(nèi)部構(gòu)成主要包括溫度傳感器、溫度報(bào)警觸發(fā)器、配置寄存器以及64位的ROM。

2.2數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集部分與無(wú)線發(fā)送部分共用1臺(tái)PIC單片機(jī)。單片機(jī)在讀取溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)時(shí)采用的是低位字節(jié)、高位字節(jié)及CRC字節(jié)。其中，溫度存儲(chǔ)器的低位字節(jié)、高位字節(jié)以補(bǔ)碼形式存放，2個(gè)字節(jié)所對(duì)應(yīng)的16位二進(jìn)制數(shù)中，最低4位是溫度值的小數(shù)部分，最高5位是符號(hào)擴(kuò)展0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)，其余為整數(shù)部分。CRC發(fā)生器的邏輯電路對(duì)應(yīng)的生成多項(xiàng)式是X8+X5+X4+1，為避免直接算法在實(shí)際應(yīng)用中計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，無(wú)線溫度傳感器CRC校驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)采用了查表算法，這不僅加快了處理速度，而且還降低了系統(tǒng)功耗。當(dāng)檢查到所接收的數(shù)據(jù)正確后，單片機(jī)將控制發(fā)射模塊連續(xù)發(fā)送3幀數(shù)據(jù)。

2.3無(wú)線發(fā)送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無(wú)線發(fā)送系統(tǒng)必須要給每一個(gè)采樣點(diǎn)編設(shè)相對(duì)應(yīng)的地址碼，以便對(duì)每一個(gè)采集點(diǎn)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理。編、解碼器選用PT2262與PT2272，對(duì)于PT2262的地址碼A0～A7，應(yīng)設(shè)為置0、置1或者是懸空3種狀態(tài)。地址的編碼在不重復(fù)的情況下是6 561組，也就是說(shuō)，從理論上講，無(wú)線溫度傳感器的無(wú)線發(fā)送系統(tǒng)可以安裝的采集點(diǎn)總共為6 561個(gè)。但值得一提的是，本系統(tǒng)僅使用了2種狀態(tài)：置0和置1。因此，無(wú)線溫度傳感器的無(wú)線發(fā)送系統(tǒng)在安裝采集點(diǎn)數(shù)時(shí)最多不會(huì)超過(guò)256個(gè)。本系統(tǒng)在傳送4 位二進(jìn)制的數(shù)據(jù)時(shí)其編碼信號(hào)是由 Dout 引腳輸出的，經(jīng)放大后由315MHz的高頻無(wú)線調(diào)制發(fā)送。為了解決數(shù)據(jù)上的不同步及出錯(cuò)問(wèn)題，并保證數(shù)據(jù)的完整性，特此引入了一個(gè)起始同步碼1111，每個(gè)數(shù)據(jù)包在發(fā)送前都會(huì)有一個(gè)同步碼。此系統(tǒng)發(fā)送的所有數(shù)據(jù)皆為BCD碼，利用該碼可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分。

2.4無(wú)線接收電路的設(shè)計(jì)

無(wú)線接收電路的工作方式有超再生式與超外差式2種。此次無(wú)線溫度傳感器的設(shè)計(jì)采用的是超再生式接收模塊，內(nèi)部包含解碼電路和放大、整形電路，使用起來(lái)較為方便。在無(wú)線接收電路中，PT2272的外接振蕩電阻是200kΩ，它可與發(fā)射端PT2262外接的112MΩ電阻相匹配，將中心頻率控制到315MHz。在單片機(jī)的一個(gè)端口設(shè)置PT2272的地址碼，改變地址碼就可以接收不同采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)。PT2272數(shù)據(jù)解碼端同單片機(jī)另一端口相連接，它可以判別數(shù)據(jù)的解碼是否完畢。PT2272的17腳是有效解碼的輸出端，解碼完畢之后中斷連接。無(wú)線接收電路首先判斷數(shù)據(jù)的開(kāi)端，然后按照順序接收本組數(shù)據(jù)，最后再通過(guò)累加來(lái)判斷該組數(shù)據(jù)的接收正確與否，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率。

2.5計(jì)算機(jī)同單片機(jī)之間的通信設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)同單片機(jī)之間的通信可以由RS2232電平轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)操作平臺(tái)可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集點(diǎn)接收個(gè)數(shù)及采集次數(shù)的設(shè)置，在參數(shù)設(shè)置完畢后，串口通信應(yīng)把采集點(diǎn)的采集次數(shù)同數(shù)字代碼傳送到接收模塊進(jìn)行識(shí)別，并處理成相應(yīng)的控制接收模塊循環(huán)接收次數(shù)與地址碼。在完成了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集工作之后，采集模塊要把數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)字代碼和數(shù)據(jù)一起傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，然后進(jìn)行下一輪的采集工作，并不斷進(jìn)行這樣的循環(huán)，直到將所有任務(wù)完成為止。通過(guò)操作平臺(tái)可以選擇將相關(guān)的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到文檔中，再存放到設(shè)定的目錄內(nèi)。

3.結(jié)束語(yǔ)

本課題從實(shí)際出發(fā)，著眼于電子產(chǎn)品的研發(fā)，設(shè)計(jì)了一款測(cè)量溫度范圍精度相對(duì)較高，成本較低的集成溫度傳感器，達(dá)到了預(yù)期的目的。

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