無線數(shù)顯溫度計(jì)設(shè)計(jì)方案的概述講課稿

1、無線數(shù)顯溫度計(jì)設(shè)計(jì)方案的概述無線數(shù)顯溫度計(jì)設(shè)計(jì)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(duì)各種溫度進(jìn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)及工程應(yīng)用越來越多，越來越復(fù)雜；另一方面：武器型號(hào)、重大裝備及精密 制造技術(shù)的發(fā)展也對(duì)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(duì)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(shí)。因此

2、采用無線傳輸溫度檢測尤為必要。關(guān)鍵詞：溫度檢測，技術(shù)發(fā)展，測溫方法引言溫度是實(shí)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)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(gè)參數(shù)對(duì)人類社會(huì)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(gè)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(jì)，溫 度記錄儀，溫度送變器等 。最早的溫度計(jì)是水銀溫度計(jì)（華氏溫度計(jì)），之后又發(fā)展 為攝

3、氏水銀溫度計(jì)。之后雙金屬溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)等相繼出現(xiàn)。在現(xiàn)代科技社 會(huì)，溫度計(jì)又有了長足發(fā)展，類型也逐漸豐富起來。氣體溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、溫差 電偶溫度計(jì)、高溫溫度計(jì)（500C以上）、指針式溫度計(jì)、半導(dǎo)體溫度計(jì)、熱電偶溫度 計(jì)、光測高溫計(jì)、比色溫度計(jì)、輻射溫度計(jì)、液晶溫度計(jì)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(dòng)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(gè)帶細(xì)長頸的大玻璃泡，倒置在一個(gè)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(shí)，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

4、示溫度 的高低，實(shí)際上這是一個(gè)沒有刻度的指示器。1709年，德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(diǎn)為32度、沸點(diǎn)為212度、中間分為180度的水銀溫度計(jì)，即至今仍沿用的華氏溫度計(jì)。1742年，瑞典的攝爾西烏斯制成另一種水銀溫度計(jì)，它以水的沸點(diǎn)為100度、冰點(diǎn)作為0度。到1745年，瑞典的林奈將這兩個(gè)固定點(diǎn)顛倒過來，這種溫度計(jì)就是至今仍沿用的攝氏溫 度計(jì)。早在1735年，就有人嘗試?yán)媒饘侔羰軣崤蛎浀脑?，制造溫度?jì)，到18世紀(jì)末，出現(xiàn)了雙金屬溫度計(jì)；1802年，查理斯定律確立之后，氣體溫度計(jì)也隨之得到 改進(jìn)和發(fā)展，其精確度和測溫范圍都超過

5、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)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(jì)和熱電阻溫度計(jì)。1876年，德國的西門子制造出第一支鉑電阻溫度計(jì)。很早以 前，人們?cè)跓G和冶鍛時(shí)，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(shí)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(shí)別溫度。1.2現(xiàn)代意義上的溫度測量在現(xiàn)代科技社會(huì)，溫度計(jì)又有了長足發(fā)展，類型也逐漸豐富起來。氣體溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、溫差電偶溫度計(jì)、高溫溫度計(jì)（500C以上）、指針式溫度計(jì)、半導(dǎo)體溫 度計(jì)、熱電偶

6、溫度計(jì)、光測高溫計(jì)、比色溫度計(jì)、輻射溫度計(jì)、液晶溫度計(jì)等。輻射 溫度計(jì)和光學(xué)高溫計(jì)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(shí) 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(jì)（包括紅外輻射溫度計(jì)），從而擴(kuò)大了它的應(yīng)用領(lǐng)域 。2無線數(shù)顯溫度計(jì)的設(shè)計(jì)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(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢稱為熱電 動(dòng)勢。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)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（

7、也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀 表連接，顯示出熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢，通過查詢熱電偶分度表，即可得到被測介 質(zhì)溫度。常用的熱電偶從-50+1600C均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到- 269C （如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800C （如鎢-錸）。（2）熱電阻：熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)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+ a （t-t0）式中，Rt為溫度t時(shí)的阻值；Rt

8、。為溫度t0 （通 常t0=0C ）時(shí)對(duì)應(yīng)電阻值；a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/t式中Rt為溫度為t時(shí)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-200500C范圍內(nèi)的溫度測量，其特點(diǎn)是測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可 靠。半導(dǎo)體熱敏電阻測溫范圍只有-50300C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(dòng)電路、信號(hào)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(shí)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(diǎn)。常見模擬式溫度傳感器：電壓輸出型：LM3911

9、、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、存儲(chǔ)器等集成在一個(gè)芯片上，直接輸出反應(yīng)被測溫 度的數(shù)字信號(hào)，使用方便，但響應(yīng)速度較慢（100ms數(shù)量級(jí)）。實(shí)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-55C+125C，可編程的912位分辨率，對(duì) 應(yīng)的可分辨溫度分別為05C、0.25C、0.125C和0.0625C，出廠設(shè)置默認(rèn)為12位， 在12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字。DS18B20作為常用的溫度傳感器，靈敏

10、度跟數(shù)字性都符合設(shè)計(jì)需求，經(jīng)過研究比 較，從經(jīng)濟(jì)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(diǎn)。其引腳結(jié)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-55C 125C，分辨率最大可達(dá)0.0625 Co DS18B20可以直接讀出被測溫度值。而且采用 3線制與單片機(jī)相連，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特點(diǎn)。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(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，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(dú)特的電源和信號(hào)復(fù)合

11、在一起，并僅使用一條線，每個(gè)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(diǎn) 5。2.2無線傳輸模塊的比較及選擇由于無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，通常從以下幾個(gè)方面考慮無線芯片的選 擇。1、收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼。采用曼徹斯特編碼的芯 片，在編程上會(huì)需要較高的技巧和經(jīng)驗(yàn)，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(shí)際速率，因 為串口對(duì)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

12、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)莨芤约奥暠?濾波器等；有些芯片收發(fā)分別需要兩根天線，會(huì)大大加大成本。這方面 n RF401做得很 好，外圍元件僅10個(gè)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(hào)稱的發(fā)射功率雖然較高，但是由于其外

13、圍元件多，調(diào)試復(fù)雜， 往往實(shí)際的發(fā)射功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)稱值 。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)計(jì)，也有利于開 發(fā)和生產(chǎn)。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(duì)比。NRF24L01可以直接接單片機(jī)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(gè)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(gè)；RF2915不能直接接單片機(jī)串口使用，數(shù)據(jù)需要進(jìn)行曼徹斯特編碼，效率低（實(shí)際速率為標(biāo)稱 的1/3）發(fā)射電流17mA接收電

14、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(gè)，外圍元件數(shù)量約50個(gè)；BC418不能直接接單片機(jī)串口使用，數(shù)據(jù)需要進(jìn)行曼徹斯特編碼，效率低（實(shí)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(gè)需要外接天線的數(shù)量（分別為收發(fā) 用）是兩個(gè)；XC1201數(shù)據(jù)可否直接接單片機(jī)串口使用不能直接接單片機(jī)串口使用，數(shù) 據(jù)需要進(jìn)行曼徹斯特編碼，效率低（實(shí)際速率為標(biāo)稱的1/3）發(fā)射電流10mA接收電流433MHz7.5mA最

15、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(gè)外圍元件 數(shù)量兩根天線時(shí)約20個(gè)一根天線時(shí)約35個(gè)；CC400數(shù)據(jù)可否直接 接單片機(jī)串口使用不能直接接單片機(jī)串口使用10，數(shù)據(jù)需要進(jìn)行曼徹斯特編碼，效率 低（實(shí)際速率為標(biāo)稱的1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(gè)，外圍元件大于25個(gè)。通過上述資料可以看到NRF24L01本身有四個(gè)工作狀態(tài)，可以用兩片芯片同時(shí)實(shí) 現(xiàn)無線信號(hào)的發(fā)射和接收11。對(duì)比其他的無線收發(fā)芯片其優(yōu)點(diǎn)是可以直接和單片機(jī)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

16、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(duì)溫度的研究和測量由來已久。發(fā)明出來的測量方式也是多種多樣，但是人 們對(duì)它的研究卻不會(huì)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(huì)有更多的更先進(jìn)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(jìn)，應(yīng)用于更廣闊的領(lǐng)域中。通過這次對(duì)文獻(xiàn)的整理和提取，了解溫度計(jì)的發(fā)展歷程 以及各式溫度計(jì)的發(fā)展方向、前途作用。對(duì)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(jì)中設(shè)計(jì)出成功

17、 的無線數(shù)顯溫度計(jì)。參考文獻(xiàn)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.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.沙占友智能化集成溫度傳感器原理M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002： 56.趙繼文傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)M 北京：科學(xué)出版社，2002： 48. 趙繼文傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)M.北京：科學(xué)出版社，2002： 48.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，2002. 42(12): 4041.瞿貴榮.家用八通道紅外遙控電路J.無線電，1992. 67(10)： 21-21.蔡凡弟.微型四位紅外遙控電路J.電子世界，1997. 5(8)： 17-19.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，2007. 20(9):