无线温度传感器设计*

孙稳稳，宋德杰

(山东理工大学 电气与电子工程，山东 淄博255049)

0 引 言

在碲锌镉单晶体的生长过程中，为了生长出高质量的单晶体，生长参数优化是非常必要的［1］。由于碲锌镉晶体结晶界面温度与碲锌镉的配比有关，实时检测控制生长炉内晶体结晶界面的温度就是其中的一个优化参数［2～4］，但由于在晶体生长过程中，要求籽晶在其生长炉内要按照一定的旋转规律不停的旋转。给结晶界面的温度测量和控制布线带来诸多不便。对于旋转系统，现在常用的温度测量控制方法有二种:一种是利用电刷把温度信号引出，然后用测量控制设备进行测量和控制;这种方法的缺点是有滑动触点，易磨损，可靠性差，干扰大，需要经常更换维修;另一种是通过非接触传感器测温(如红外、比色等)，但这种方法不适应于封闭系统内的温度测量，而且精度比较低，抗干扰能力差，成本高等，应用受到限制。

为了克服上述缺点，针对晶体结晶界面温度为1 080 ℃左右，生长周期为21 天的要求［5］，本文设计了一个热电偶测温无线传输装置，将它和热电偶一同安装在旋转籽晶杆上，通过无线发射接收方式向显示仪表和控制装置传输测量数据，实现了无限测量和控制。为了解决无限测温装置中蓄电池长期供电，电量不足的问题，设计了一个微型发电装置，利用籽晶杆的旋转，带动微型发电机发电，并给无线发射装置的蓄电池充电，较好地解决了无线测量发射装置的长期供电和无线传输的抗干扰问题。

1 无线温度传感器的硬件设计

无线温度传感器的结构框图如图1 所示，主要由热电偶、无线温度发射装置和无线温度接收装置三大部分组成。其中，无线温度发射装置安装在旋转籽晶杆的底部，随籽晶杆一起旋转;无线温度接收装置安装在晶体生长炉旁边的控制柜里面，实时接收发射装置发出的数据，并进行数据处理和显示。也可通过RS—485 串行口输出给主机，进行保存，以便事后分析。

图1 无线测温传感器结构框图Fig 1 Structure block diagram of wireless temperature measuring sensor

1.1 无线温度传感器发射装置设计

无线温度传感器发射装置结构如图2 所示。它由单片机、无线发射电路、热电偶、放大器、A/D 转换器及外围电源电路组成。单片机选用低功耗的AT89S52 芯片，无线发射采用PT2262 芯片。

图2 无线温度传感器发射装置结构Fig 2 Structure of wireless temperature sensor transmitting device

由于籽晶杆在高温炉内处于不断旋转状态，且晶体生长过程长达21 天。为解决无线测温装置电路电池供电不能持久的问题，借用手摇发电原理，设计了一种微型发电装置，也安装在旋转籽晶杆上，利用籽晶杆的旋转带动发电机发电给仪表上的蓄电池充电，以保证一次测量仪表的长期用电需求［6］。

因温度信号变化比较缓慢，测温停顿时间间隔比较长。为了节约电源能量，设计无线测量电路时，让单片机在睡眠和工作二种方式间交替运作，两种工作方式的时间间隔可以通过DIP 开关进行设置。单片机在进入睡眠方式前，关掉除自身外的所有外部电路的电源，以节约供电系统的能量。在睡眠方式时可通过单片机定时中断激活进入工作方式，开启所有外部电路电源开关，对发射测量电路软件进行初始化，完成对温度测量数值的采样，并向无线接收显示记录电路发送测量数据。为了保证测温精度，晶体生长炉内的籽晶温度是通过S 型热电偶把它转换成模拟电信号。把该热电偶输出信号经放大器放大送至ICL7135 进行A/D转换。ICL7135 是积分式4 位半A/D 转换器，具有精度高、价格低、抗干扰能力强、速度适中等优点。数据采集处理过程如下:CPU 首先发送命令让ICL7135 将模拟信号转换成数字信号，并读取它的A/D 转换值，然后将它返回到热电偶的mV 值，利用S 分度号的20 段折线线性化处理，得到当前时刻热电偶对温度测量的采样值CT(n)。为了消除干扰，采用移动平均滤波技术，即通过CT=［CT(n)+CT(n－1)+CT(n－2)］/3 进行一阶数字滤波得到的CT值作为该时刻的采样真值。为了测量的准确，还要进行冷端温度补偿。假设当前冷端温度值为CL，则实际的温度值应为Cn=CT+CL，最后通过PT2262 无线发射芯片，送入315 MHz 无线发射天线向接收显示电路发射Cn 值，发射完成后，关断除CPU 外的其他设备电源，完成一次温度的采样发射过程，进入休眠状态。当设定休眠时间到后，CPU 又被唤醒，接通外设电源开关，重复以上过程。

1.2 无线温度传感器接收电路设计

无线温度传感器接收电路硬件结构如图3 所示。它由电源电路、单片机、无线接收芯片PT2272，RS－485 接口、按键及显示电路等几部分组成［6］。温度接收电路的功能主要是完成接收发射电路送来的温度信号，并把正确接收的温度值保存在存储器中，再通过显示、记录仪把数据显示记录下来，同时接收温度电路还可以完成温度上下限报警。具体结构包括四位数码管显示器、微型记录仪、四个设定按键，PT2272 及无线接收模块。通过按键可设定上限和下限报警温度。通过RS—485 接口可以把接收的温度数值上传到上位机，通过上位机对温度测量值进行进一步的分析处理，为炉温控制系统进行有效的炉温控制提供检测信号。

图3 无线温度传感器接收装置结构Fig 3 Structure of wireless temperature sensor receiving device

1.3 无线温度通信原理

该设计采用了无线收发编码/解码芯片组PT2262/2272，它是台湾普城公司生产的低功耗、宽电压(2.6 ～15 V)通用编解码芯片。其与315 MHz 无线发射/接收模块组成无线收发电路，采用18 引脚封装，主要有地址编码引脚、收发控制引脚和数据输入/输出引脚等。由于只进行一个温度测量，故采用无线单工通信方式，即发射电路发送数据，接收电路接收数据［4］。

PT2262 和315 MHz 无线发射模块构成数据发射电路，PT2262 编码芯片发出的编码信号码段由地址码、数据码、同步码组成。引脚14(TE)是编码启动引脚，用于多数据的编码发射控制，低电平有效，接单片机的P1.1 引脚。引脚17(Dout)是编码输出端，输出串行数据信号，它把单片机送到PT2262 的四位数据串行送到无线发射模块。在引脚17为高电平期间，315 MHz 的高频发射电路起振工作，并发射高频等幅信号;在引脚17 为低平期间，315 MHz 的高频发射电路停振，不工作，所以，高频发射电路是否工作完全受控于PT2262 的17 引脚输出的数字信号是0 还是1，从而可以对高频电路实现幅度键控(ASK)调制，等同于100%的幅度调制。当14(TE)引脚编码启动端为高电平时，停止编码输出，17 引脚也为低电平，这时3I5 MHz 的高频发射电路不工作。

PT2272 和315 MHz 无线接收模块组成数据接收电路，PT2272 的引脚14(DIN)是串行信号输入端，接收来自无线接收模块的输出信号。PT2272 的引脚17(VT)为解码是否有效输出端，高电平有效。当PT2272 解码芯片接收到信号后，其地址码经过两次比较核对正确无误后，17(VT)引脚输出为高电平，同时相应的四位数据引脚也输出有效数据。当单片机查询到17(VT)引脚为高电平时，就从PT2272 读取数据，并将此数据进行处理后保存、显示或纪录。

2 无线温度软件设计

为保证无线通信的可靠性，使无线发射电路和无线接收电路间的通信具有超强纠错能力，本文采用模64 超强纠错编码，并设计发射电路每个温度数据都要连续发射两次。当接收电路接收到两次的温度测量值时进行校验，只有模64 纠错编码完全正确，且两次温度值也相同时，才认为通信成功;否则，通信失败，并要求发射电路重新发送数据。PT2262/2272 编码通信方式是以1/2 个字节为基本单位方式进行的，数据包格式由字母E 开始，然后由8 个BCD 码温度值和校验码组成。通信数据包格式如下:

E BCD0 BCD1 BCD2 BCD3 BCD4 BCD5 BCD6 BCD7 CRC

其中，BCD0=BCD4 为个位，BCD1=BCD5 为十位，BCD2=BCD6 为百位，BCD3=BCD7 为千位，CRC 为校验码。

2.1 无线温度发射电路的程序设计

程序流程图如图4 所示。温度发射电路主程序在初始化后，打开外部电路电源，进入温度数据测量处理过程，并把温度测量结果连续发射两次，然后进入定时睡眠状态。睡眠方式可由定时中断唤醒，中断一次，主程序中定时中断次数加1，并重新进人睡眠方式。当定时次数达到设定值后，程序跳转到主程序起始位置，打开CPU 外部设备电源，重新进入温度测量及发送过程，如此反复。

图4 无线发射中断服务程序流程图Fig 4 Flow chart of interrupt service program of wireless transmission

2.2 无线温度接收电路的程序设计

接收电路的程序包括主程序和中断服务子程序两部分。中断服务程序框图如图5 所示。采用中断方式进行数据接收，当PT2272 收到数据时，向单片机发出中断请求，单片机响应中断，接收数据，并对接收的温度数据进行纠错处理，上下限比较判断等。当采集的温度值Cn 大于上限温度TH 或小于下限温度TL 时，则发出上限报警或下限报警指示。当温度值在设定范围之内(即TL ＜Cn ＜TH)时，把收到的温度值存储、显示和记录。

图5 无线接收中断服务程序流程图Fig 5 Flow chart of interrupt service program of wireless receiving

3 实验分析

由于使用温度在1 200 ℃左右，为了保证测量精度，减少测量次数，实验测试温度数据取900 ～1 500 ℃之间。为了真实地模拟实际测量情况，假定环境温度为30 ℃，采用精密电位差计模拟S 分度号热电偶的输出电压，实验测试结果如表1 所示。

表1 无线温度传感器测试表Tab 1 Measuring sheet of wireless temperature sensor

表1 中输入电压是电位差计的输出电压信号，它的数值与铂铑—铂热电偶在该温度上的输出电压信号完全一样，即电位差计输出的电压是铂铑—铂热电偶热端温度与冷端温度对应的电压之差值。对测试结果进行计算分析证明:该设备测量精度高，绝对误差±2 ℃，相对误差不大于0.2%，满足温度测量误差小于0.3%的精度要求。

4 结 论

经使用证明:该无线温度传感器工作可靠，性能稳定。完全达到设计要求。因温度变化比较缓慢，采样间隔取20 s，即20 s 测量发送一次温度数据。大大节约了电池的能量。经测试，发射与接收电路间通信距离在50 m 内通信可靠，满足实际的工程需要，稍加改进可以应用于不便布线的其他场合进行温度测量和控制，也可用于其他生产设备的技术改造中，具有比较广的应用价值。

［1］ Liu Juncheng，Song Dejie.Optimization of control parameters of cadmium zinc telluride Bridgman single crystal growth［J］.Crystal Research and Technology，2007，42(8):741－750.

［2］ 宋德杰，谭博学，韩 涛，等.碲锌镉单晶体生长参数的实时监控［J］.测控技术，2013，32(10):21－24.

［3］ 宋德杰.晶体生长参数的检测与优化［J］.山东大学学报:工学版，2009，39(6):154－158.

［4］ 宋德杰，刘俊成.大直径单晶体生长控制系统研究［J］.微计算机信息，2008，24(22):58－59.

［5］ 刘俊成，王友林，宋德杰，等.ACRT－Bridgman 法制备组份均匀的碲锌镉单晶体［J］.人工晶体学报，2008，37(6):1462－1467.

［6］ 李旺彦.燃气采暖无线分布式智能测控系统的设计［J］.计算机测量与控制，2013，21(3):608－610.