隨著社會的進(jìn)步和生產(chǎn)的需要，利用無線通信進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集的方式已經(jīng)滲透到社會生活生產(chǎn)的每一個(gè)角落，溫度測量的準(zhǔn)確度在影響生產(chǎn)效益的同時(shí)也在逐步得到社會的重視，無線溫度傳感器。 With the social progress and production, temperature data acquisition usingwireless communication has penetrated into every corner of social life and production, the accuracy of temperature measurement at the same time affects the production efficiency also gradually to get the attention of the society. Guan Jian: the design of wireless temperature sensor 引言 在工業(yè)現(xiàn)場，由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作人員不能長時(shí)間停留在現(xiàn)場觀察設(shè)備是否運(yùn)行正常，就需要采集數(shù)據(jù)并傳輸數(shù)據(jù)到一個(gè)環(huán)境相對好的操控室內(nèi)，工作人員可以在這里將控制指令傳輸給現(xiàn)場執(zhí)行模塊進(jìn)行各種操作。這樣就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸問題，由于廠房大、需要傳輸數(shù)據(jù)多，使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式就需要鋪設(shè)很多很長的通訊線，浪費(fèi)資源，占用空間，可操作性差，出現(xiàn)錯(cuò)誤換線困難。此時(shí)便需要利用無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，不論是溫室大棚的溫度監(jiān)測，還是糧倉的管理，無線通信技術(shù)的發(fā)展使得溫度采集測量精確，簡便易行。 為此，采用以下方案設(shè)計(jì)一種無線溫度傳感器，能夠方便人們的工作和生產(chǎn)。 1、傳感器的選擇傳統(tǒng)的模擬式傳感器具有測量轉(zhuǎn)換速度快，溫度測量范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。但是模擬傳感器的模擬信號需要先經(jīng)過取樣、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路處理，再將轉(zhuǎn)換得到的表示溫濕度值的數(shù)字信號交由微處理器或 dsp 處理。被測信號從敏感元件接收的非電物理量開始，到轉(zhuǎn)換為微處理器可處理的數(shù)字信號之間，設(shè)計(jì)者須考慮的線路環(huán)節(jié)較多。采用具有直接數(shù)字量輸出的傳感器能夠避免上述問題。數(shù)字式傳感器能把被測模擬量直接換成數(shù)字量輸出，可以直接與數(shù)字設(shè)備（計(jì)算機(jī)，計(jì)數(shù)器，數(shù)字顯示系統(tǒng)等）相聯(lián)，數(shù)字式傳感器具有高的測量精度和分辨率，穩(wěn)定性好，信號易于處理、傳送和自動(dòng)控制，便于動(dòng)態(tài)及多路測量，讀數(shù)直觀，安裝方便，維護(hù)簡單，工作可靠性高。考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和溫濕度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r，確定溫度傳感器采用數(shù)字式。 2、 短距離無線通信模塊的選擇 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，世界上主要的芯片廠商都推出了無線收發(fā)芯片。短距離無線通信系統(tǒng)的大部分功能都集成到一塊芯片內(nèi)部，一般使用單片數(shù)字信號射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無線通信模塊。所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部，一致性良好，性能穩(wěn)定且不受外界干擾。射頻芯片一般采用 fsk 調(diào)制方式，工作于 ism 頻段，通信模塊一般包含簡單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡單的加密協(xié)議，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設(shè)完 成，用戶不用對無線通信原理和工作機(jī)制有較深的了解，只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能。新一代短距離無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且開發(fā)簡單快速，可以方便地嵌入到各種設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無線連接，因此，較適合搭建小型網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)、民用領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、傳輸距離，確定該部分電路設(shè)計(jì)使用無線收發(fā)芯片。 3、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理模塊的選擇 溫度數(shù)據(jù)在采集后通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的記錄、顯示和對測控系統(tǒng)的控制。對于一般的工業(yè)測量與控制，多采用專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測控。 專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是把采集系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立完整的功能實(shí)體，用單片機(jī)或 dsp 來控制整個(gè)系統(tǒng)。最主要的特征是系統(tǒng)軟、硬件規(guī)模完全根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的要求配置，獨(dú)立性、可擴(kuò)展性好，因此系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比。采用單片機(jī)具有系統(tǒng)簡單、開發(fā)容易，功能易擴(kuò)展、測控能力強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。尤其適用于系統(tǒng)中沒有復(fù)雜的計(jì)算處理、對采集速度要求不高的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。 對于不要求高速的一般的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，采用 dsp 是不經(jīng)濟(jì)的方案。在單片機(jī)能夠滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理速度要求的情況下，單片機(jī)無異是首選的信息處理單元。 4、器件的選用 4.1 數(shù)字式溫度傳感器的選擇 隨著溫度傳感器智能化、集成化技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字式溫度傳感器也得到了快速發(fā)展，世界上許多公司推出了新型的數(shù)字溫度傳感器系列。這些產(chǎn)品的出現(xiàn)極大的豐富了設(shè)計(jì)工程師的選擇對象。在如此眾多的產(chǎn)品中選擇出合適的器件，應(yīng)該把握以下幾點(diǎn)：外圍電路應(yīng)該盡量簡單；測溫的精度、分辨率要合適，以便減少不必要的電路和軟件開發(fā)成本。ds18b20是美國某半導(dǎo)體公司的新一代數(shù)字式溫度傳感器，它具有獨(dú)特的單總線接口方式，即允許在一條信號線上掛接數(shù)十甚至上百個(gè)數(shù)字式傳感器，從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單，克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時(shí)需要的 a/d 轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn)，其測溫范圍-55～+125℃，最高分辨率可達(dá) 0.0625℃，由于每一個(gè)ds18b20 出廠時(shí)都刻有唯一的一個(gè)序列號并存入其 rom 中，因此 cpu 可用簡單的通信協(xié)議就可以識別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。所以，選用 ds18b20 做為溫度測量的傳感器。 4.2無線收發(fā)芯片的選擇無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，在設(shè)計(jì)中選擇合適芯片可以提高產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約成本。在選擇時(shí)，應(yīng)主要參考以下幾點(diǎn)： 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)男剩话銉H能達(dá)到標(biāo)稱速率的 1/3。 ② 收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量 芯片外圍元器件的數(shù)量直接關(guān)系到系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本，因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。 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。 nrf401 是挪威某公司推出的單芯片 rf 收發(fā)機(jī)，該芯片集成了高頻發(fā)射、高頻接收、pll 合成、fsk 調(diào)制、fsk 解調(diào)、雙頻道切換等功能，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點(diǎn)。本系統(tǒng)將nrf401 做為無線收發(fā)芯片的首選。 4.3鍵盤顯示模塊的選擇 顯示單元是人機(jī)交互的窗口，是傳遞儀表工作狀態(tài)和檢測數(shù)據(jù)的關(guān)鍵性設(shè)備，通常的顯示器件有液晶顯示器（lcd）和數(shù)碼管顯示器（led）。本系統(tǒng)采用五位數(shù)碼管，兩位用來顯示當(dāng)前溫度，兩位用來顯示欲設(shè)定的溫度，一位用來顯示當(dāng)前狀態(tài)。 在本系統(tǒng)中，鍵盤由四個(gè)鍵組成，即溫度增加鍵、溫度減小鍵、確認(rèn)鍵和取消鍵。因按鍵很少，所以采用獨(dú)立式鍵盤。 4.4溫度控制模塊的選擇 溫度控制單元是系統(tǒng)的執(zhí)行器件，是系統(tǒng)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，也是系統(tǒng)中最重要的一部分。 目前制冷系統(tǒng)主要包括空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)、蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)、使用氨水的吸收式制冷系統(tǒng)和近幾年發(fā)展起來的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)。 目前制熱技術(shù)主要有太陽能吸收熱量、煤炭燃燒制造熱量、熱泵和近幾年發(fā)展起來的半導(dǎo)體制熱系統(tǒng)。 其中半導(dǎo)體制冷制熱是利用特種半導(dǎo)體材料通過直流電時(shí)產(chǎn)生低溫高溫的一種制冷制熱方式，由于它彌補(bǔ)了其它制冷制熱方式的不足，在當(dāng)今世界的人下制冷制熱技術(shù)中占有獨(dú)特的地位。所以本系統(tǒng)選擇半導(dǎo)體制冷制熱器件。
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