1、無線數(shù)顯溫度計設(shè)計方案的概述摘 要生病了人們要測量體溫，天氣狀況變化了人們就要測量氣溫，在工業(yè)中也需要控制溫度，對各種溫度進行測量。溫度測量儀表應(yīng)用范圍也越來越廣泛，是測量物體冷熱程度的工業(yè)自動化儀表。隨著科技的迅速發(fā)展，高溫、超高溫、低溫、超低溫等非常態(tài)實驗及工程應(yīng)用越來越多，越來越復(fù)雜；另一方面：武器型號、重大裝備及精密制造技術(shù)的發(fā)展也對溫度測量的要求越來越高。技術(shù)發(fā)展日新月異，行業(yè)需求不斷提高，對從事溫度測量操作和溫度測量研究的人員素質(zhì)要求也越來越高。傳統(tǒng)直接布線測量不滿足要求，特別是在某些環(huán)境惡劣的工業(yè)環(huán)境和戶外環(huán)境，通過直接布線測量不現(xiàn)實。因此采用無線傳輸溫度檢測尤為必要。關(guān)鍵詞：溫

2、度檢測，技術(shù)發(fā)展，測溫方法引言溫度是實際應(yīng)用中使用最多的參數(shù)，溫度檢測被廣泛應(yīng)用與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，科學(xué)研究和人們的。日常生活等領(lǐng)域。但是隨著社會經(jīng)濟科學(xué)的迅速發(fā)展，一些常規(guī)的測量方法在特殊環(huán)境和檢測精度要求較高時成本過高，并且很難普及。我們從溫度測量的發(fā)展跟不同的分類研究溫度作為一個參數(shù)對人類社會的重要性。1.溫度測量的發(fā)展歷程自1592伽利略發(fā)明了第一個沒有刻度的溫度指示器，溫度測量儀表到現(xiàn)在已經(jīng)歷經(jīng)數(shù)代發(fā)展，無論是技術(shù)還是性能都得到了大幅發(fā)展。常見的溫度儀表有溫度計，溫度記錄儀，溫度送變器等1。最早的溫度計是水銀溫度計（華氏溫度計），之后又發(fā)展為攝氏水銀溫度計。之后雙金屬溫度計、熱電偶溫度計等相

3、繼出現(xiàn)。在現(xiàn)代科技社會，溫度計又有了長足發(fā)展，類型也逐漸豐富起來。氣體溫度計、電阻溫度計、溫差電偶溫度計、高溫溫度計（500以上）、指針式溫度計、半導(dǎo)體溫度計、熱電偶溫度計、光測高溫計、比色溫度計、輻射溫度計、液晶溫度計等。1.1歷史上溫度測量的發(fā)展溫度測量儀表是測量物體冷熱程度的工業(yè)自動化儀表。最早的溫度測量儀表是意大利人伽利略于1592年創(chuàng)造的。它是一個帶細(xì)長頸的大玻璃泡，倒置在一個盛有葡萄酒的容器中，從其中抽出一部分空氣，酒面就上升到細(xì)頸內(nèi)。當(dāng)外界溫度改變時，細(xì)頸內(nèi)的酒面因玻璃泡內(nèi)的空氣熱脹冷縮而隨之升降，因而酒面的高低就可以表示溫度的高低，實際上這是一個沒有刻度的指示器。1709年，德

4、國的華倫海特于荷蘭首次創(chuàng)立溫標(biāo)，隨后他又經(jīng)過多年的分度研究，到1714年制成了以水的冰點為32度、沸點為212度、中間分為180度的水銀溫度計，即至今仍沿用的華氏溫度計。1742年，瑞典的攝爾西烏斯制成另一種水銀溫度計，它以水的沸點為100度、冰點作為 0度。到1745年，瑞典的林奈將這兩個固定點顛倒過來，這種溫度計就是至今仍沿用的攝氏溫度計。早在1735年，就有人嘗試?yán)媒饘侔羰軣崤蛎浀脑?，制造溫度計，?8世紀(jì)末，出現(xiàn)了雙金屬溫度計；1802年，查理斯定律確立之后，氣體溫度計也隨之得到改進和發(fā)展，其精確度和測溫范圍都超過了水銀溫度。1821年，德國的塞貝克發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)；同年，英國的戴維發(fā)

5、現(xiàn)金屬電阻隨溫度變化的規(guī)律，這以后就出現(xiàn)了熱電偶溫度計和熱電阻溫度計。1876年，德國的西門子制造出第一支鉑電阻溫度計。很早以前，人們在燒窯和冶鍛時，通常是憑借火焰和被加熱物體的顏色來判斷溫度的高低。據(jù)記載，1780年韋奇伍德根據(jù)瓷珠在高溫下顏色的變化，來識別燒制陶瓷的溫度，后來又有人根據(jù)陶土制的熔錐在高溫下彎曲變形的程度，來識別溫度。1.2現(xiàn)代意義上的溫度測量在現(xiàn)代科技社會，溫度計又有了長足發(fā)展，類型也逐漸豐富起來。氣體溫度計、電阻溫度計、溫差電偶溫度計、高溫溫度計（500以上）、指針式溫度計、半導(dǎo)體溫度計、熱電偶溫度計、光測高溫計、比色溫度計、輻射溫度計、液晶溫度計等。輻射溫度計和光學(xué)高溫

6、計是20世紀(jì)初，維思定律和普朗克定律出現(xiàn)以后，才真正得到實用。從60年代開始，由于紅外技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了利用各種新型光敏或熱敏檢測元件的輻射溫度計(包括紅外輻射溫度計)，從而擴大了它的應(yīng)用領(lǐng)域2。2.無線數(shù)顯溫度計的設(shè)計方案比較2.1溫度傳感器的比較及選擇（1）熱電偶：兩種不同成分的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動勢稱為熱電動勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表連接，顯示出熱電偶所產(chǎn)生

7、的熱電動勢，通過查詢熱電偶分度表，即可得到被測介質(zhì)溫度3。常用的熱電偶從-50+1600均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800（如鎢-錸）。（2）熱電阻：熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?，就可以測量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即： Rt=Rt01+（t-t0）式中，Rt為溫度t時的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0）時對應(yīng)電阻值；為溫度系數(shù)。半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為： Rt =AeB

8、/t 式中Rt為溫度為t時的阻值；A、B取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。金屬熱電阻一般適用于-200500范圍內(nèi)的溫度測量，其特點是測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠6。半導(dǎo)體熱敏電阻測溫范圍只有-50300左右, 且互換性較差，非線性嚴(yán)重，但溫度系數(shù)更大，常溫下的電阻值更高（通常在數(shù)千歐以上）。（3）集成溫度傳感器：將驅(qū)動電路、信號處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片IC上，具有實際尺寸小、使用方便、靈敏度高、線性度好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。常見模擬式溫度傳感器：電壓輸出型：LM3911、LM335、LM45、AD22103。電流輸出型：AD590。（4）數(shù)字式溫度傳感器：將敏感元件、A/D轉(zhuǎn)換單元

9、、存儲器等集成在一個芯片上，直接輸出反應(yīng)被測溫度的數(shù)字信號，使用方便，但響應(yīng)速度較慢（100ms數(shù)量級）。實例： DS18B20是美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的世界上第一片支持“一線總線”接口的數(shù)字式溫度傳感器，供電電壓范圍為35.5V，測溫范圍為-55+125，可編程的912位分辨率，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，出廠設(shè)置默認(rèn)為12位，在12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字4。DS18B20作為常用的溫度傳感器，靈敏度跟數(shù)字性都符合設(shè)計需求，經(jīng)過研究比較，從經(jīng)濟快捷等方面考慮，最終決定采用的是DS18B20作為系統(tǒng)的測溫傳感器。點。其引腳結(jié)

10、構(gòu)圖如下： 圖1 DS18B20引腳圖DS18B20作為系統(tǒng)的測溫傳感器。其測溫范圍-55125，分辨率最大可達(dá)0.0625 。DS18B20可以直接讀出被測溫度值。而且采用3 線制與單片機相連，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特點。 DS18B20 是Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器，它是一種支持 “一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。一線總線將獨特的電源和信號復(fù)合在一起，并僅使用一條線，每個芯片都有唯一的編碼，支持聯(lián)網(wǎng)尋址，簡單的網(wǎng)絡(luò)化的溫度感知，零功耗等待等特點5。2.2無線傳輸模塊的比較及

11、選擇由于無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，通常從以下幾個方面考慮無線芯片的選擇6。1、收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)傳輸是否需要進行曼徹斯特編碼。采用曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會需要較高的技巧和經(jīng)驗，需要更多的內(nèi)存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，一般僅能達(dá)到標(biāo)稱速率的1/3。而采用串口傳輸?shù)男酒ㄈ鏽RF401），應(yīng)用及編程非常簡單，傳送的效率很高，標(biāo)稱速率就是實際速率，因為串口對大家來說是再熟悉不過的了，編程也很方便。2、收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量芯片外圍元件的數(shù)量的直接決定你的產(chǎn)品的成本，因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。有些芯片似乎比較便宜，可是外圍元件使用很多昂貴的元件如變?nèi)莨芤约?/p>

12、聲表濾波器等；有些芯片收發(fā)分別需要兩根天線，會大大加大成本。這方面nRF401做得很好，外圍元件僅10個左右，無需聲表濾波器、變?nèi)莨艿劝嘿F的元件，只需要便宜且易于獲得的4MHz晶體，收發(fā)天線合一。3、功耗大多數(shù)無線收發(fā)芯片是應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品上的，因此功耗也非常重要，應(yīng)該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)品。4、發(fā)射功率在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應(yīng)該選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。但是也應(yīng)該注意，有些產(chǎn)品號稱的發(fā)射功率雖然較高，但是由于其外圍元件多，調(diào)試復(fù)雜，往往實際的發(fā)射功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)稱值7。5、收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少PCB面積降低成本，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)

13、計，也有利于開發(fā)和生產(chǎn)8。通過查閱資料，了解到以下幾種無線收發(fā)芯片的基本數(shù)據(jù)對比。NRF24L01 可以直接接單片機串口使用，數(shù)據(jù)無需曼徹斯特編碼9，可直接傳輸串口數(shù)據(jù)，效率高發(fā)射電流為9mA接收電流為11mA最大輸出功率+10dBm 速率為20Kbps約10個外圍元件 數(shù)量需要外接天線的數(shù)量（分別為收發(fā)用）是一個；RF2915不能直接接單片機串口使用，數(shù)據(jù)需要進行曼徹斯特編碼，效率低（實際速率為標(biāo)稱的1/3）發(fā)射電流17mA接收電流6.8mA+最大輸出功率+5dBm速率9.6Kbps需要外接天線的數(shù)量（分別為收發(fā)用）為一個，外圍元件數(shù)量約50個；BC418不能直接接單片機串口使用，數(shù)據(jù)需要進

14、行曼徹斯特編碼，效率低（實際速率為標(biāo)稱的1/3）發(fā)射電流45mA接收電流433MHzmaximum 8mA最大輸出功率+12dBm速率<128Kbps（外部調(diào)制） 2.4Kbps（內(nèi)部調(diào)制）外圍元件數(shù)量大于50個需要外接天線的數(shù)量（分別為收發(fā)用）是兩個；XC1201數(shù)據(jù)可否直接接單片機串口使用不能直接接單片機串口使用，數(shù)據(jù)需要進行曼徹斯特編碼，效率低（實際速率為標(biāo)稱的1/3）發(fā)射電流10mA接收電流433MHz7.5mA最大輸出功率-5dBm速率64Kbps需要外接天線的數(shù)量（分別為收發(fā)用）兩個外圍元件 數(shù)量兩根天線時約20個一根天線時約35個；CC400數(shù)據(jù)可否直接接單片機串口使用不能

15、直接接單片機串口使用10，數(shù)據(jù)需要進行曼徹斯特編碼，效率低（實際速率為標(biāo)稱的1/3）發(fā)射電流91mA0mA接收電流大輸出功率+14dBm速率Kbps 數(shù)量需要外接天線的數(shù)量（分別為收發(fā)用）為一個，外圍元件大于25個。通過上述資料可以看到NRF24L01本身有四個工作狀態(tài)，可以用兩片芯片同時實現(xiàn)無線信號的發(fā)射和接收11。對比其他的無線收發(fā)芯片其優(yōu)點是可以直接和單片機串口連接，工作電壓穩(wěn)定，發(fā)射電流跟接收電流都較適合。而且需要的外圍元件較少。最終我決定采用NRF24L01作為系統(tǒng)的無線收發(fā)芯片12。NRF24L01的引腳結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 NRF24L01引腳結(jié)構(gòu)圖結(jié)論人類對溫度的研究和測量由來

16、已久。發(fā)明出來的測量方式也是多種多樣，但是人們對它的研究卻不會因此而停止。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們也有理由相信，不遠(yuǎn)的未來將會有更多的更先進的溫度測量方式被發(fā)明出來?，F(xiàn)有的測溫方式也能得到改進，應(yīng)用于更廣闊的領(lǐng)域中。通過這次對文獻(xiàn)的整理和提取，了解溫度計的發(fā)展歷程以及各式溫度計的發(fā)展方向、前途作用。對我即將要開始的論文課題有很大的作用。我確定的基本的芯片選擇和初步方案。我也更有信心在以后的課題設(shè)計中設(shè)計出成功的無線數(shù)顯溫度計。參考文獻(xiàn)1 丁鎮(zhèn)生傳感器與傳感技術(shù)應(yīng)用M北京：科學(xué)出版社，2002：33 2 何希才傳感器及其應(yīng)用電路M北京：電子工業(yè)出版社，2001：60 3 沙占友智能化集成溫度傳感器原理M北京：機械工業(yè)出版社，2002：56 4 趙繼文傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計M北京：科學(xué)出版社，2002：485 趙繼文傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計M北京：科學(xué)出版社，2002：486鄭維智， 張海濱短距離無線通信在控制中的應(yīng)用J.數(shù)據(jù)通信，200242(12)：40-417 瞿貴榮家用八通道紅外遙控電路J.無線電，199267(10)：21-218 蔡凡弟微型四位紅外遙控電路J.電子世界，19975(8)：17-199 程海英,陳勇. 無線傳感器技術(shù)在智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用J.中國科技信息，200720(9)：56-5