一种高精度温度传感器的方案设计研究

区兆敏

【摘 要】本文主要围绕设计一款高精度无线温度传感器的系统方案，结合了无线温度传感器的基本组成与工作原理，对无线温度传感器的整体设计方案进行了简要的探讨，希望为同行提纲一定的帮助。

【关键词】高精度；温度传感器；设计

0.引言

随着科技的发展，在不远的将来可能每个人的电子产品都可以看成一个大型无线传感网中的一个节点。从天气预报来说，如果每个都能将本地温度传输到云端，利用这些数据对天气的预测也不失为一种补偿。那么，设计一款成本较低，测量精度相对较高的集成温度传感器实际使用意义巨大。

1.无线温度传感器的整体设计方案

1.1整体方案框架

高精度无线温度传感器应该包含2 大部分：一部分是具有高精度的温度测量仪器，另一部分是具备温度信息处理功能的电路。温度测量仪器主要是由高精度传感器、单片机以及电源控制电路和无线发射模块等构成，温度信息处理电路则由无线接收模块、单片机、通讯接口电路和显示模块等构成。

1.2单片机的选择

到目前为止，不少工程依然在沿用C51式单片机。但现在对单片机的要求越来越高，其必须能达到指令所要求的速度，因此，不能满足数据高速采集要求且不具备低功耗应用性能的C51式单片机正逐渐被舍弃。与之相比，数字信号处理器可供选择和参考，其具有速度快，硬盘构造简单，I/O端口丰富，软件编程应用灵活等特点，但价格相应也较昂贵，所以就大批量生产而言，数字信号处理器在价格上几乎完全没有优势。选择单片机主要需考虑的因素是使用时的低功耗和低价格，因此，当今无线温度传感器设计中多采用PIC系列单片机作为微处理器。PIC系列单片机拥有多种型号，故在选型方面比较灵活；同时，精简的指令使其执行效率较高；另外，它还具备低功耗的睡眠模式，通讯的I/O端口也非常丰富。所以，在绝大多数情况下，PIC系列单片机都能满足设计要求。

1.3无线发射模块

无线温度传感器中的无线发射应采用ASK调制的模式。由于目前系统都在朝小型化方向发展，因此发射模块就不能选择市场上的普通发射电路，而应利用微波天线技术将发射部分整合以减小系统的体积。无线温度传感器的振荡源应当采用声表谐振器的SAW稳频技术，其频率稳定度极高。所谓SAW器件，就是利用压电材料把高频信号转换成表面具有弹性的波段，再用压电材料反转化成高频信号的器件。无线温度传感器的无线发射模块应选用LC振荡器应用电路，其高频三极管的基极通过 SAW谐振器接地，且通过相应的电阻接入控制信号；高频三极管的集电极应当与阻抗匹配的电路相连，并通过对应的电感接入电源的正极，电感与电源正极之间要通过2个电容接地，2个电容分别用于低频和高频去耦；高频三极管的发射极要通过相应的电阻与电容进行接地处理，振荡源的输出频率完全由SAW决定。

2.无线温度传感器系统硬件与软件设计

2.1温度测量电路的设计

温度测量电路采用的是新型总线式数字温度传感器DS18B20。该传感器使用的是3引脚的小体积封装，可测量的温度范围是-55～125℃，其可编程控制器的转换精度可达9～12位，温度分辨率为0.062 3℃。DS18B20所测得的温度带符号拓展后，以16位数字的模式串行输出。该系统由端脚引入电源，传感器的内部构成主要包括温度传感器、温度报警触发器、配置寄存器以及64位的ROM。

2.2数据采集部分的设计

数据采集部分与无线发送部分共用1台PIC单片机。单片机在读取温度传感器采集的数据时采用的是低位字节、高位字节及CRC字节。其中，温度存储器的低位字节、高位字节以补码形式存放，2个字节所对应的16位二进制数中，最低4位是温度值的小数部分，最高5位是符号扩展0表示正数，1表示负数，其余为整数部分。CRC发生器的逻辑电路对应的生成多项式是X8+X5+X4+1，为避免直接算法在实际应用中计算时间长的缺点，无线温度传感器CRC校验设计时采用了查表算法，这不仅加快了处理速度，而且还降低了系统功耗。当检查到所接收的数据正确后，单片机将控制发射模块连续发送3帧数据。

2.3无线发送系统的设计

无线发送系统必须要给每一个采样点编设相对应的地址码，以便对每一个采集点所获取的数据进行分类处理。编、解码器选用PT2262与PT2272，对于PT2262的地址码A0～A7，应设为置0、置1或者是悬空3种状态。地址的编码在不重复的情况下是6 561组，也就是说，从理论上讲，无线温度传感器的无线发送系统可以安装的采集点总共为6 561个。但值得一提的是，本系统仅使用了2种状态：置0和置1。因此，无线温度传感器的无线发送系统在安装采集点数时最多不会超过256个。本系统在传送4 位二进制的数据时其编码信号是由 Dout 引脚输出的，经放大后由315MHz的高频无线调制发送。为了解决数据上的不同步及出错问题，并保证数据的完整性，特此引入了一个起始同步码1111，每个数据包在发送前都会有一个同步码。此系统发送的所有数据皆为BCD码，利用该码可对数据进行区分。

2.4无线接收电路的设计

无线接收电路的工作方式有超再生式与超外差式2种。此次无线温度传感器的设计采用的是超再生式接收模块，内部包含解码电路和放大、整形电路，使用起来较为方便。在无线接收电路中，PT2272的外接振荡电阻是200kΩ，它可与发射端PT2262外接的112MΩ电阻相匹配，将中心频率控制到315MHz。在单片机的一个端口设置PT2272的地址码，改变地址码就可以接收不同采集点的数据。PT2272数据解码端同单片机另一端口相连接，它可以判别数据的解码是否完毕。PT2272的17脚是有效解码的输出端，解码完毕之后中断连接。无线接收电路首先判断数据的开端，然后按照顺序接收本组数据，最后再通过累加来判断该组数据的接收正确与否，以保证数据传输的正确率。

2.5计算机同单片机之间的通信设计

计算机同单片机之间的通信可以由RS2232电平转换芯片来实现。计算机操作平台可进行数据采集点接收个数及采集次数的设置，在参数设置完毕后，串口通信应把采集点的采集次数同数字代码传送到接收模块进行识别，并处理成相应的控制接收模块循环接收次数与地址码。在完成了相应的数据采集工作之后，采集模块要把数据采集点的数字代码和数据一起传输到计算机中，然后进行下一轮的采集工作，并不断进行这样的循环，直到将所有任务完成为止。通过操作平台可以选择将相关的数据自动保存到文档中，再存放到设定的目录内。

3.结束语

本课题从实际出发，着眼于电子产品的研发，设计了一款测量温度范围精度相对较高，成本较低的集成温度传感器，达到了预期的目的。

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