无线温度传感器设计

张玲玲，王建中，石 磊

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 前言

随着物联网概念的日渐普及，传感器市场再次迎来快速发展的机遇。传感器主要包括压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器、无线传感器和生物传感器等等。传感器是信息产业的重要组成部分，可以应用于航天、军工、医疗和汽车电子等方面。目前国际上集成化智能传感器技术发展迅速，然而由于我国技术和资金等方面的不足，导致在传感器的研究上落后于国外。

温度是和人类生活环境密切相关的物理量，是工业过程三大参量（流量、压力、温度）之一，温度测量是一个经典的话题，长久以来，在这方面已有多种测温元件和传感器得到普及，但是对于一些特殊行业或特定环境应用，传统的测量方式已不能满足其需求。

因此，我们针对电力部门配电柜测温监控系统，从传统的温度传感器入手，通过结合无线收发技术，研制开发了无线温度传感器。本文主要讲述该无线温度传感器硬件结构及软件处理过程。

2 无线温度传感器整体方案

2.1 整体方案框架

高精度无线数字化温度传感器应该包含两个主要部分：一部分是高精度的温度测量（含发射）电路，另一部分是温度信息处理（含接收）电路。温度测量部分主要由高精度传感器、MCU、电源控制电路和无线发射模块构成，见图1。温度处理部分主要由无线接收模块、MCU、通讯接口电路和显示模块构成，见图2。

图1 温度测量电路框图

图2 温度处理电路框图

2.2 高精度传感器的选择

温度传感器的种类非常多，选择的空间也很广阔。传统传感元件可以使用热电偶、热电阻等测温元件，也可以选用集成温度传感器。

对于传统的传感元件，由于测量精度比较低，因此只能使用在一些要求不高的场合。另外在使用时，传统传感元件还需要搭建额外的电路，需要进行A/D转换才能与控制器连接，因此不便于集成和小型化。在此，本文不对传统传感元件进行深入探讨。

本设计选择的温度传感器是集成温度传感器，以下给出了两种选择：DS18B20和Tic。

表1 两种温度传感器参数比较

从表1中可以看出，与DS18B20相比，Tic具有精度高、测量范围宽、同等分辨率下转换速度快、操作简单、支持模拟输出等优点。因此，本文选用Tic作为了高精度温度传感器。

2.3 MCU的选择

目前，工程应用比较主流的单片机是89C51系列。但是由于受到单片机指令运行速度的影响，89C51单片机不能满足数据高速采集的要求，同时它也不具备低功耗的要求，所以舍弃不用；此外可供选择的还有高速数字信号处理器（DSP），它的特点是速度快、硬件结构简单、I/O端口丰富、软件编程灵活，但是由于其价格昂贵，对于批量生产的产品来说没有价格优势。

基于低功耗的设计要求以及价格方面的考虑，本设计中采用了PIC系列单片机作为微处理器单元，PIC系列拥有各种型号，选型灵活，其指令非常精简，执行效率高，而且还具有低功耗睡眠模式。通讯的I/O端口也非常丰富，在大多数场合下基本可以满足要求。

2.4 无线收发模块

2.4.1 无线发射模块

无线发射采用ASK调制方式，另外，由于目前系统都要求小型化，因此发射模块不能采用市场上传统的发射电路，需要应用微带天线技术将发射部分整合从而减小系统体积。详细电路图见图3。

振荡源采用声表谐振器SAW稳频技术，频率稳定度极高。所谓SAW（Surface Acoustic Wave）器件是指利用压电材料将高频信号转换为表面弹性波，再用压电材料反转为高频信号的器件。高频三极管T1的基极通过SAW谐振器接地并通过R1接控制信号；高频三极管T1的集电极连接阻抗匹配电路并通过电感L1接电源正极Vcc，电感L1和电源正极Vcc之间通过电容C1、C2接地，分别用于低频（控制信号）和高频（载波）去耦；高频三极管T1的发射极通过电阻R2和电容C4接地。振荡源的频率输出由SAW决定，常用的是315MHz或433.92MHz。

图3 无线发射模块

匹配网络起到振荡源与发射部分的桥梁作用。从振荡源输出的功率通过匹配网络输入到天线部分发射，但如何进行有效的功率传输是硬件设计的关键，因为高频三极管有效T1的S参数是随频率变化而改变的，即振荡源输出阻抗是随频率变化而变化的，对于不同的频率（315 MHz、433.92 MHz、868 MHz等），其匹配电路是不同的。失配的电路工作电流大且输出功率小，而匹配的电路在合理的电流下能输出最大的功率。

2.4.2 无线接受模块

本设计中无线模块采用超外差接收模式，接收芯片是Infineon公司的TDA5201，通过选频接收、混频、比较实现有效数字信号的输出。由于该芯片的应用技术已较为成熟，在这里不再赘述，外围配置电路见图4。

图4 无线接收模块

2.5 数据编码方式

数据的输出一共有三个字节。第一个字节的8位和第二个字节的高4位是地址码。第二个字节的低4位和第三个字节组成了温度数据位。在每个数据包发送之前都有一个同步码。当检查到正确温度后，MCU将控制发射模块连续发送3帧。图5给出了同步码、逻辑1和逻辑0的电平占空比。

3 软件设计

3.1 解码原理

从数据编码方式可以看出，每一帧之间都有同步码隔开，所以如果使用单片机软件解码，那么程序只要判断出同步码，然后对后面的字码进行脉冲宽度识别即可。以下给出了两种解码方法，并且假设已经检测出了同步码。

（1）方法一：从第一个上升沿开始延时450μs左右，检测电平高低，高即为逻辑1，低即为逻辑0。重复上述方法，连续检测，直到检出所有码位。

（2）方法二：从第一个上升沿开始记时，并不断检测电平变化，一旦发现电平改变，立即记录电平宽度，再继续记时直到出现第二个上升沿，此时记录下了两次电平变化的脉冲宽度。重复以上步骤，判断脉冲宽度是否符合逻辑1和逻辑0的占空比要求，正确则继续译码，否则认为误码，应丢弃。连续正确检测，直到译码结束。

图5 数据编码的占空比

两种解码方式的优缺点如下：

方法一程序体结构简单，MCU的开销小，但是精度差，当MCU的时钟频率发生变化时容易产生误操作；方法二程序解码精度高，误操作少，但是程序体结构复杂，对MCU 的程序空间和内存空间要求比较高，MCU的开销也比较大。

不过，为了满足高精度解码的需要，本文还是采用了方法二，以避免无线频段中大量干扰信号以及毛刺引起的误解码。

3.2 可供参考的C语言代码

以下给出了C语言解码代码，包括了同步码和逻辑0（逻辑1识别类似于逻辑0）的识别。此外，需要注意的是，实际接收到的信号往往第一帧都是不完整的，所以在编写解码代码时需要考虑进去。

MCU配置在4MHz的时钟频率上，High_line()，low_line()为高低电平计时函数。

（1）同步码的识别：

4 板级调试

板级调试时，我们参照前期EDA工具的仿真结果，PIC单片机选择了dsPIC30F4011和PIC12F629，显示模块选择了MAX7219。

图6是实验时使用的在线调试平台，即Microchip MPLAB IDE。

图6 Microchip调试平台

图7给出了实际在线调试的结果，并且在调试时已经加入了无线发射模块，以验证在无线发射的情况下，整个系统的正确性和可靠性。

由图7中可以看出，调试时得到的地址是56，温度是26.5999℃。因此，设计方案的性能达到了设计要求。并且通过测试，发射和接受能够在15米以上，由于在解码时已经考虑了软件容错功能，所以后期只要稍微修改发射模块，就可以实现更远距离的传输。

图7 在线调试结果

5 结论

本文探讨了采用价格低廉的PIC系列单片机、高精度温度传感器和无线收发模块实现了无线温度传感器的功能。在设计过程中，通过前期论证、仿真和后期的板级调试，该款无线温度传感器具有较高的测量精度，无线传输的功率及距离也完全满足设计要求。因此，该无线温度传感器具有一定的实用价值。通过后续的完善和扩展，其以较低的成本和高精度将开拓出更广阔的应用空间。

[1] M.M.拉德马内斯. 射频与微波电子学[M]. 北京：科学出版社，2006.

[2] 李学海. PIC单片机实用教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[3] MICROCHIP. PIC12F629 / 675数据手册[P].

[4] MICROCHIP. dsPIC30F4011 / 4012数据手册[P].

[5] MAXIM. 串行接口、8位、LED显示驱动器[P].

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