无线数显温度计设计方案的概述讲课稿.doc

无线数显温度计设计方案的概述

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无线数显温度计设计方案的概述
摘 要
生病了人们要测量体温，天气状况变化了人们就要测量气温，在工业中也需要控制温度，对各种温度进行测量。温度测量仪表应用范围也越来越广泛，是测量物体冷热程度的工业自动化仪表。随着科技的迅速发展，高温、超高温、低温、超低温等非常态实验及工程应用越来越多，越来越复杂；另一方面：武器型号、重大装备及精密制造技术的发展也对温度测量的要求越来越高。技术发展日新月异，行业需求不断提高，对从事温度测量操作和温度测量研究的人员素质要求也越来越高。传统直接布线测量不满足要求，特别是在某些环境恶劣的工业环境和户外环境，通过直接布线测量不现实。因此采用无线传输温度检测尤为必要。

关键词：温度检测，技术发展，测温方法
引言
温度是实际应用中使用最多的参数，温度检测被广泛应用与农业生产，科学研究和人们的。日常生活等领域。但是随着社会经济科学的迅速发展，一些常规的测量方法在特殊环境和检测精度要求较高时成本过高，并且很难普及。我们从温度测量的发展跟不同的分类研究温度作为一个参数对人类社会的重要性。
1.温度测量的发展历程
自1592伽利略发明了第一个没有刻度的温度指示器，温度测量仪表到现在已经历经数代发展，无论是技术还是性能都得到了大幅发展。常见的温度仪表有温度计，温度记录仪，温度送变器等[1]。最早的温度计是水银温度计（华氏温度计），之后又发展为摄氏水银温度计。之后双金属温度计、热电偶温度计等相继出现。在现代科技社会，温度计又有了长足发展，类型也逐渐丰富起来。气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、高温温度计（500℃以上）、指针式温度计、半导体温度计、热电偶温度计、光测高温计、比色温度计、辐射温度计、液晶温度计等。
1.1历史上温度测量的发展
温度测量仪表是测量物体冷热程度的工业自动化仪表。最早的温度测量仪表是意大利人伽利略于1592年创造的。它是一个带细长颈的大玻璃泡，倒置在一个盛有葡萄酒的容器中，从其中抽出一部分空气，酒面就上升到细颈内。当外界温度改变时，细颈内的酒面因玻璃泡内的空气热胀冷缩而随之升降，因而酒面的高低就可以表示温度的高低，实际上这是一个没有刻度的指示器。1709年，德国的华伦海特于荷兰首次创立温标，随后他又经过多年的分度研究，到1714年制成了以水的冰点为32度、沸点为212度、中间分为180度的水银温度计，即至今仍沿用的华氏温度计。1742年，瑞典的摄尔西乌斯制成另一种水银温度计，它以水的沸点为100度、冰点作为 0度。到1745年，瑞典的林奈将这两个固定点颠倒过来，这种温度计就是至今仍沿用的摄氏温度计。早在1735年，就有人尝试利用金属棒受热膨胀的原理，制造温度计，到18世纪末，出现了双金属温度计；1802年，查理斯定律确立之后，气体温度计也随之得到改进和发展，其精确度和测温范围都超过了水银温度。1821年，德国的塞贝克发现热电效应；同年，英国的戴维发现金属电阻随温度变化的规律，这以后就出现了热电偶温度计和热电阻温度计。1876年，德国的西门子制造出第一支铂电阻温度计。很早以前，人们在烧窑和冶锻时，通常是凭借火焰和被加热物体的颜色来判断温度的高低。据记载，1780年韦奇伍德根据瓷珠在高温下颜色的变化，来识别烧制陶瓷的温度，后来又有人根据陶土制的熔锥在高温下弯曲变形的程度，来识别温度。
1.2现代意义上的温度测量
在现代科技社会，温度计又有了长足发展，类型也逐渐丰富起来。气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、高温温度计（500℃以上）、指针式温度计、半导体温度计、热电偶温度计、光测高温计、比色温度计、辐射温度计、液晶温度计等。辐射温度计和光学高温计是20世纪初，维思定律和普朗克定律出现以后，才真正得到实用。从60年代开始，由于红外技术和电子技术的发展，出现了利用各种新型光敏或热敏检测元件的辐射温度计(包括红外辐射温度计)，从而扩大了它的应用领域[2]。
2.无线数显温度计的设计方案比较
2.1温度传感器的比较及选择
（1）热电偶：
两种不同成分的导体（称为热电偶丝或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电动势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表连接，显示出热电偶所产生的热电动势，通过查询热电偶分度表，即可得到被测介质温度[3]。常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。
（2）热电阻：
热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即： Rt=Rt0[1+α（t-t0）]式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。半导体热敏电阻的阻值和温度关系为： Rt =AeB/t 式中Rt为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。金属热电阻一般适用于-200~500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠[6]。半导体热敏电阻测温范围只有-50~300℃左右, 且互换性较差，非线性严重，但温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上）。
（3）集成温度传感器：
将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，具有实际尺寸小、使用方便、灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点。常见模拟式温度传感器：电压输出型：LM3911、LM335、LM45、AD22103。电流输出型：AD590。
（4）数字式温度传感器：
将敏感元件、A/D转换单元、存储器等集成在一个芯片上，直接输出反应被测温度的数字信号，使用方便，但响应速度较慢（100ms数量级）。实例： DS18B20是美国Dallas半导体公司生产的世界上第一片支持“一线总线”接口的数字式温度传感器，供电电压范围为3～5.5V，测温范围为-55℃～+125℃，可编程的9～12位分辨率，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，出厂设置默认为12位，在12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字[4]。
DS18B20作为常用的温度传感器，灵敏度跟数字性都符合设计需求，经过研究比较，从经济快捷等方面考虑，最终决定采用的是DS18B20作为系统的测温传感器。点。其引脚结构图如下：

图1 DS18B20引脚图
DS18B20作为系统的测温传感器。其测温范围-55℃~125℃，分辨率最大可达0.0625 ℃。DS18B20可以直接读出被测温度值。而且采用3 线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。 DS18B20 是Dallas 半导体公司的数字化温度传感器，它是一种支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。一线总线将独特的电源和信号复合在一起，并仅使用一条线，每个芯片都有唯一的编码，支持联网寻址，简单的网络化的温度感知，零功耗等待等特点[5]。
2.2无线传输模块的比较及选择
由于无线收发芯片的种类和数量比较多，通常从以下几个方面考虑无线芯片的选择[6]。1、收发芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码。采用曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速率的1/3。而采用串口传输的芯片（如nRF401），应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率，因为串口对大家来说是再熟悉不过的了，编程也很方便。2、收发芯片所需的外围元件数量芯片外围元件的数量的直接决定你的产品的成本，因此应该选择外围元件少的收发芯片。有些芯片似乎比较便宜，可是外围元件使用很多昂贵的元件如变容管以及声表滤波器等；有些芯片收发分别需要两根天线，会大大加大成本。这方面nRF401做得很好，外围元件仅10个左右，无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的4MHz晶体，收发天线合一。3、功耗大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要，应该根据需要选择综合功耗较小的产品。4、发射功率在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。但是也应该注意，有些产品号称的发射功率虽然较高，但是由于其外围元件多，调试复杂，往往实际的发射功率远远达不到标称值[7]。5、收发芯片的封装和管脚数较少的管脚以及较小的封装，有利于减少PCB面积降低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产[8]。通过查阅资料，了解到以下几种无线收发芯片的基本数据对比。
NRF24L01 可以直接接单片机串口使用，数据无需曼彻斯特编码[9]，可直接传输串口数据，效率高发射电流为9mA接收电流为11mA最大输出功率+10dBm 速率为20Kbps约10个外围元件 数量需要外接天线的数量（分别为收发用）是一个；RF2915不能直接接单片机串口使用，数据需要进行曼彻斯特编码，效率低（实际速率为标称的1/3）发射电流17mA接收电流6.8mA+最大输出功率+5dBm速率9.6Kbps需要外接天线的数量（分别为收发用）为一个，外围元件数量约50个；BC418不能直接接单片机串口使用，数据需要进行曼彻斯特编码，效率低（实际速率为标称的1/3）发射电流45mA接收电流433MHzmaximum 8mA最大输出功率+12dBm速率<128Kbps（外部调制） 2.4Kbps（内部调制）外围元件数量大于50个需要外接天线的数量（分别为收发用）是两个；XC1201数据可否直接接单片机串口使用不能直接接单片机串口使用，数据需要进行曼彻斯特编码，效率低（实际速率为标称的1/3）发射电流10mA接收电流433MHz7.5mA最大输出功率-5dBm速率64Kbps需要外接天线的数量（分别为收发用）两个外围元件 数量两根天线时约20个一根天线时约35个；CC400数据可否直接接单片机串口使用不能直接接单片机串口使用[10]，数据需要进行曼彻斯特编码，效率低（实际速率为标称的1/3）发射电流91mA0mA接收电流大输出功率+14dBm速率Kbps 数量需要外接天线的数量（分别为收发用）为一个，外围元件大于25个。
通过上述资料可以看到NRF24L01本身有四个工作状态，可以用两片芯片同时实现无线信号的发射和接收[11]。对比其他的无线收发芯片其优点是可以直接和单片机串口连接，工作电压稳定，发射电流跟接收电流都较适合。而且需要的外围元件较少。最终我决定采用NRF24L01作为系统的无线收发芯片[12]。NRF24L01的引脚结构如图2所示。

图2 NRF24L01引脚结构图
结论
人类对温度的研究和测量由来已久。发明出来的测量方式也是多种多样，但是人们对它的研究却不会因此而停止。随着科学技术的发展，我们也有理由相信，不远的未来将会有更多的更先进的温度测量方式被发明出来。现有的测温方式也能得到改进，应用于更广阔的领域中。通过这次对文献的整理和提取，了解温度计的发展历程以及各式温度计的发展方向、前途作用。对我即将要开始的论文课题有很大的作用。我确定的基本的芯片选择和初步方案。我也更有信心在以后的课题设计中设计出成功的无线数显温度计。参考文献
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[4] 赵继文．传感器与应用电路设计[M]．北京：科学出版社，2002：48．
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