无源无线温度传感器（精选八篇）
无源无线温度传感器 篇1
在长期运行过程中,变电站的高压开关柜出线接头、刀闸开关触点、母线接头等重要部位都不可避免地会因老化或接触电阻过大而发热,而这种发热现象目前还无法进行实时在线监测,只能通过人工定时巡检来发现,这样既浪费人力资源,又无法及时获得第一手信息。近年来,因开关过热引发的事故已多次发生,其中包括火灾和大面积停电事故,造成了重大损失。
本文中,笔者将剖析高压设备温度监测的必要性及其技术现状,介绍无源无线传感技术,并在此基础上提出温度智能监测与预警系统的实现方法。该系统采用前沿的无源无线传感技术来实时监测高压设备的运行温度变化,能有效预防因负荷过大或者接触不良导致高压设备如开关柜等接点温度过高并由此引发的停电、火灾甚至爆炸事故,从而消除电力系统运行的安全隐患,保障电力高压设备的稳定、安全和可靠运行。
1 系统概述
1.1 高压设备温度监测的必要性
在长期运行过程中,变电站的高压设备容易发生局部温度异常升高而导致的设备异常故障,这类热故障需要及早发现并及时诊断故障点,否则就会恶化,最终造成设备损坏或报废,甚至导致事故的发生。前期研究发现,造成事故的原因主要有3点:
(1)设备的相关触点通常要能承受最高达4 000 A的正常工作电流,发热严重;
(2)在长期运行过程中,开关的触点和母线连接等位置会因老化或接触电阻过大而发热并形成恶性循环;
(3)设备的有些接点如高压柜内有裸露高压,而空间又封闭狭小,无法进行人工巡查测温。
因此,运用各种技术来实时监测各接点的温度值,并用以判断高压设备的各类故障,就成为必须要解决的重要问题。
1.2 高压设备测温领域技术现状
目前,直接测量高压设备的发热点温度,并对其进行实时监测,从技术上说尚存在很多困难。主要需要解决的问题有高压绝缘、强电磁干扰等,只有解决了这些障碍,才能维持测温系统的长期、可靠、稳定运行。
国内现存的几种高压设备测温技术中,电类传感器、气压式测温系统(如WTZK/BWY/BWR系列等)以及红外测温等方法都存在着无法彻底解决金属导线、金属零部件、屏蔽措施、高压区安装压力温包或红外探头给高压设备绝缘安全带来隐患的问题。同时,这些方法还大多面临着电磁干扰,即弱电温度信号在强磁场环境中受到干扰,这就严重影响了测温系统的稳定性和可靠性。另外,金属导线和金属零部件在电磁环境中会产生涡流,造成损耗,故其自身也会发热。还有,点式“光纤型”温度传感器、GPRS无线传输型温度传感系统存在着模块内供电电池及其他零件长期在高温环境下工作,因此寿命短且维护困难等问题,而气压式测温系统的寿命会随着温包内部压力的泄漏而缩短,最终使整个测温系统报废。
综上所述,现存测温技术都存在一定问题,大多受到苛刻的环境条件及电磁干扰的影响,无法满足对高压设备的温度进行准确测量、灵敏报警,并长期稳定运行的要求。
1.3 无源无线传感技术介绍
无源无线传感技术是现代传感技术的重要研究内容之一。在易燃、易爆、高温、低温、高电压、强电磁场、强加速度、运动物体内部和许多其他传感器无法应用的特殊场合,声表面波(SAW)无源无线传感器具有其他传感器无法比拟的优点。它不仅能构成多参量传感器和阵列传感器,而且还可同时实现编码器的功能,已广泛应用于目标识别、商品防伪和智能交通系统中。
根据声表面波遥感的测量原理,无源无线传感技术可分为延迟型和谐振型2类。前者输入为高功率、宽频带的射频脉冲,能够方便地进行编码,但传感距离非常短;而后者自身损耗极小,适用于较远距离的无源无线遥感。所以,应用于高压设备的测温系统,显然应选择谐振型无源无线传感技术。
谐振型无源无线传感技术的原理为:当谐振器周围环境参量发生变化时(如温度、压力等参数变化),谐振器固有频率将发生变化。所以,通过检测传感器的固有频率就可以确定环境参量变化的大小。SAW谐振器固有频率和温度有如下关系:
式中,为温度T0下i阶温度系数。
经合理设计,SAW谐振器可以实现温度和固有频率的线性关系。因为激励的间歇正弦波频率与传感器固有频率接近时,回波信号幅度最大,所以可采用微调激励正弦波频率来逼近传感器固有频率的方法,以实现对高压设备温度的监测。
叉指换能器(Inter-digital Transducers,IDT)广泛应用于SAW的激励和检测,其具有声一电(电一声)转换功能,能将电磁能耦合进谐振器腔体,再从腔体耦合出电磁能。通过匹配网络将天线连接到IDT上,则可利用天线将激励信号从空间耦合到谐振器,同时还能利用天线将谐振器响应的信号发射出去,从而实现无源无线传感。
由此可知,通过上述方法对高压设备进行测温能够很好地解决强电磁干扰问题,提高设备温度测量的精确度。该方法还解决了通常存在的供电难题,实现了测温系统长期、稳定运行的目标。
2 高压设备温度智能监测和预警系统实现方法
针对上文提出的基于无源无线传感技术的高压设备温度智能监测和预警系统,以下将对其实现方法进行讨论。
2.1 系统总体构成
基于无源无线传感技术的高压设备温度智能监测和预警系统主要由采集设备和软件系统组成,采用树状网络架构,具体如下所述:
各级变电站的高压室为第一层。在高压室中的每个封闭式开关柜内安装无源无线温度传感采集设备,主要包含6个无源无线温度传感器(感温装置)和1个无线测温终端机(终端设备)。其中,6个传感器分别安装在易发热的接触点位置,如出线接头、梅花触头、进线接头等处,终端机安装在开关柜内低压室中。
变电站为第二层。在每个变电站设置1个无线测温前置机,收取来自各采集终端机设备的数据,并将数据打包通过IP网络发送至巡检中心。
巡检中心为第三层。每个巡检中心需配置1台监控服务器,用来显示并处理各变电站内高压设备的温度数据。如有需要,各巡检中心还可将温度信号发送至电力公司的主站服务器。
主站服务器为第四层。主站服务器为更广泛的人员提供各巡检中心的温度信息,方便有关人员远程及时掌握设备的运行情况。
2.2 系统功能
本文所讨论的测温系统需要实现高压设备温度状况实时监测的相关功能,且应能及时报警,以便相关工作人员发现问题并及时处理。同时,该系统还要具有强大的数据处理、趋势分析功能及丰富的显示功能,且主要是在第三层和第四层实现。系统功能具体包括:
(1)连续实时监测高压设备温度的变化,判断是否存在热缺陷和热故障;
(2)保存重要的高压设备监测点温度变化信息;
(3)统计数据,并绘制温度变化图谱,方便运行维护人员查看分析;
(4)根据历史数据显示温度及其他参数的走势图,对温度情况作出直观显示。
3 结语
本文在长期实践和探索高压设备温度变化特点的基础上,对无源无线传感技术进行了研究和探讨,并在此基础上提出了一种基于无源无线传感技术的高压设备测温方法,从而解决了对高压设备温度进行实时监测的关键问题,提高了高压设备温度监测系统的准确性和可靠性。变电站高压设备智能监测和预警系统作为对上述方法的典型应用,可实时有效地对高压开关柜各关键触点温度的变化情况进行监测、分析和预警,从而能在很大程度上避免高压设备出现的热故障,有力保障电力设备的正常、平稳运行。
摘要：提出了一种面向高压设备的基于无源无线传感技术的温度智能监测和预警系统,探讨了高压设备温度监测的必要性及其技术现状,介绍了无源无线传感技术,并给出了系统的实现方法。该系统可以对高压设备各接点温度升高进行实时监测,从而快速发现相关故障,以保障高压设备的稳定、安全和可靠运行。
关键词：无源无线传感技术,高压设备,接点,温度监测,预警
参考文献
[1]王建玲,傅邱云,等.基于SAWR的无源无线混合传感器研究[J].压电与声光,2009,31(6):775-778
[2]金振东,许箴,等.国内高压带电设备测温方式综述及分析[J].电力设备,2007,8(12):57-61
无源无线温度传感器 篇2
关键词：NRF2401；DSl8820；无线温度传感器
为了解决传统的温度传感器多点温度测量时的繁杂的布线问题，从传统的温度传感器人手，设计了一种基于单片机技术和无线通讯技术的无线温度传感器，本文详细介绍系统的实现。
1系统的设计与实现
1.1总体结构框架
无线温度传感器的系统的总体结构主要包括两个部分：一是温度采集电路，其作用是测量温度并将测量到的温度数据发射给主机；另外一部分是温度信息处理电路，其作用是收集所有的温度信息，处理并显示出这些信息，同时还可以将这些数据传输到PC机上。
1.2数字温度计DS18820
DS18820是一种分辨率可编程设置的单总线数字温度计，它的测温区间从-55℃～+125℃。温度输出位数从9bit～12bit，用户可以通过程序来控制，将温度转化成12bit的数字字节的最大耗时仅需750ms。每一片DSl8820都有唯一的64位序列码，从而允许多片DS18820共存于同一根单总线上，因此用一块单片机可以控制一片区域的温度采集。DSl8820外观和接口如图1和图2所示：
它有3个引脚，1脚为GND电源地；2脚为DQ数字信号输入输出引脚，DS18820通过1根数据总线与单片机进行双向通讯；3脚为VDD外接供电电源输入端。DS18820的供电方式有两种：一种是通过数据线提供寄生电源，此时3脚接地；另一种是直接在VDD上提供电源，供电电压范围为3.0V～5.5V。
1.3单片机的选择
本系统中在温度采集电路和温度信息处理电路中都需要用到单片机，而且单片机是做为系统控制核心。在温度采集电路中对单片机的功耗要求较高而在信息处理电路中对单片机的处理速度有一定的要求。基于价格和电路设计方便的考虑，采用华邦W78E052，它的指令和引脚序列与MCS51兼容，编程简单方便。它最大支持40MHz时钟，供电电压范围宽（2.4V～5.5V），采用3.3V供电，它的10口可以很方便的与DSl8820和NRF2401直接连接。W78E052内部包含2个外部中断、3个定时计数中断和看门狗计时器，用在本系统中具有相当高的性价比。
1.4无线收发模块
NRF2401是一款工作在2.4GHz～2.5GHz的集接收和发送于一体的单片无线通讯芯片。它的无线收发器由频率发生器、增强型模SchockBurstTM式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器等部分组成。可以通过SPI接口来设置协议、功率输出和频道选择。它具有较低的电流消耗，供电电压1.9V～3.6V。
2软件的设计
2.1温度采集
DSl8820是以12位输出的，此时的测温分辨率是0.0625。输出的数据是二进制补码格式，低4位为小数位，最高位为符号位。如果是正温度，读出的数据乘以0.0625便是当前的温度值；负温度得转化为正值再相乘。12位输出的耗时是750ms，如果需要提高转换速度，可以选择减少输出位数（如9位最大耗时仅约94ms），但是测温精度有所下降。如果是单片的DSl8820工作，在启动温度转换和度暂存存储器操作命令时可以跳过64位ROM地址匹配。
2.2无线收发
NRF2401有4种工作模式，分别是收发模式，配置模式，空闲模式和关机模式，这四种模式可由PWR_UP寄存器、PRIM_RX寄存器和CE引脚决定。其中收发模式又有EnhancedShockBurstTM、ShockBurstTM和直接收发模式3种，收发模式由配置字来决定。使用EnhancedShockBurstTM收发模式系统编程相对简单，在这种模式下只需改变一个字节的内容便可以实现接收和发送模式的切换，而且稳定性较高。
2.3系统软件框架
温度采集模块的主要工作是采集温度数据并将数据发送给温度信息处理模块，温度采集模块每2s采集并且发送一次。温度信息处理模块可以工作在两种模式：单机模式和联机模式，这两种模式可以通过按键来设定。单机模式下，将各个温度采集模块上采集过来的温度实时显示出来，预先設定的数据进行比较，如果某一处超过警界值，则启动相应的处理措施并发出报警。而在联机模式下，模块则将采集到的数据通过RS232发给上位机，并执行上位机发出的命令。
3结语
单芯片无源红外线温度传感器 篇3
该TMP006数字温度传感器可帮助智能电话、平板电脑以及笔记本电脑等移动设备制造商使用IR技术准确测量设备外壳温度。该技术与当前根据系统温度粗略估算外壳温度的方法相比取得了新的进展, 将帮助系统设计人员在提供更舒适用户体验的同时优化性能。
主要特性与优势:
●集成MEMS传感器并支持模拟电路, 与同类竞争产品相比可将解决方案尺寸缩小95%;
●静态电流仅为240μA, 关断模式下电流仅为1μA, 功耗比同类竞争解决方案低90%;
●支持-40℃~+125℃宽泛工作温度, 局部传感器误差精度为±0.5℃ (典型值) , 无源IR传感器误差精度为±1℃ (典型值) ;
●提供I2C/SMBus数字接口;
用于汽车无线感测的智能无源传感器 篇4
传感器是汽车电子控制系统的关键元器件,高性能的传感器对提升汽车主动安全、燃油经济性及舒适性有着重大意义。安森美半导体近期推出首创的超高频射频识别(RFID)传感器,该器件将一个称为Magnus的智能传感器IC (集成电路)及可印制的天线相结合,无需外接电源,能无线感测温度、湿度、压力和距离,用于汽车胎压监测、座椅压力检测、整车质量控制漏水检测及液位检测可降低成本,提升能效和可靠性,并为无限量的汽车及其他低成本感测应用开启了大门。
当前市场上的无线传感器大都由收发器、额外的外围元件、刺激探测器及微控制器等多个IC组成,由电池供电,需要使用专用微控制器在每一节点对感测到的数据进行本地后处理。这类方案由于所需元件数较多,且后期使用需要维护,导致成本较高,目标市场有限。
智能无源传感器则将多个传感器和功能集成到单个芯片(<0.8mm2)上,无需电池、刺激探测器和在感测节点的微控制器,感测数据将被发送到远程中央处理单元进行后处理。这种创新方案的优势在于集成度高,元件数较少,单个处理单元可为多个传感器工作,无需后期维护,较传统的无线传感器降低成本和能耗,且市场扩展性极高。
智能无源传感器的工作原理
智能无源传感器的核心是MagnusR-S IC和一个远程无线收发器。MagnusR-S是一个系统单芯片,集成了能量收集引擎、感测湿度或压力的ChameleonTM传感器引擎、温度传感器、感测接收到的能源的距离传感器及存储独特ID的非易失性存储器。远程无线收发器用于收集感测信息并对其进行后处理,每秒能收集来自100个传感器的数据(见图1)。
由MagnusR-S连接到天线而形成的智能无源传感器是完全可嵌入的。天线作为MagnusR-S和远程无线收发器之间的通信介质,和根据环境改变天线阻抗的刺激探测器。ChameleonTM传感器引擎用于检测由周围环境变化引起的天线阻抗的变化,将感测到的数据数字化为9位数字代码以便进行处理。距离传感器检测芯片内部可提供的功率,以确定与无线收发器相关的传感器的位置,它将距离信息数字化为5位数字代码。温度传感器的检测精度在0～50℃为±0.3℃,在-40～85℃为±1℃。感测通过对存储在非易失性存储器中校准的已知状态进行相关测量而实现,参考数据可随时被检索用于相关感测。远程无线收发器收集感测数据并对其进行后处理,减轻每一单个传感器本地后处理数据的负担,使得单个无线收发器能服务于数以千计的传感器。
汽车智能无源传感器
因MagnusR-S IC采用定制的天线和封装,高度灵活性使得智能无源传感器能跨越汽车、医疗、工业和物联网等多个应用领域。在汽车领域,该方案主要用于胎压监测系统、座椅压力检测、整车质量控制漏水检测及液位检测。
1.胎压监测系统
胎压监测系统用于实时自动监测行车过程中的轮胎气压,在出现胎压不足或过高的危险征兆时及时报警,提升行车安全性和燃油经济性,延长轮胎使用时间,减少悬挂系统的磨损。市场上当前用于胎压监测系统的多芯片传感器,被安装在每一轮圈和阀杆,使用电池供电,能耗高于250mW,需要加速计以避免轮胎未移动时将电池耗尽,在轮胎旋转期间需重新编程以定位。
最初使用智能无源传感器的胎压监测系统由一个双天线模块和一个挠度随压力变化的钢膜组成:单极子利用阀杆作为通信的单极子天线,环形天线收集电能以驱动传感器;钢膜是真空填充球的一部分,和PCB (印刷电路板)一起被封装在一个塑料体内。其工作原理的核心是:电容式传感器检测由钢膜挠度变化引起的电容变化。
而安森美半导体的智能无源传感器是单芯片方案,由MagnusR供电而无需电池,能耗低于15mW(见图2)。智能无源传感器标签置于每一轮胎,独特的RFID提供自动轮胎定位,无论当轮胎旋转还是静止时都可感测轮胎压力和温度信息,并将信息数字化为9位代码。该方案集成含前后两条天线的软件无线电模块到现成的电子控制单元,可用于汽车中的多个传感器标签。
传感器标签的识别是通过利用每一传感器的两个非易失性内存插槽,即标签识别号(TID)和电子产品代码(EPC)来实现。TID内存插槽提供无法擦除的惟一传感器识别号,并在生产过程中以硅级别分配给每一传感器。TID包含制造代码(由RFID全球管理机构GS1分配)和传感器类型、制造时间及地点信息。EPC内存插槽为用户定义的分配给传感器标签的标号提供最少96位可写内存。
2.座椅压力检测
座椅压力检测是通过传感器来实现保障乘员安全的系统(见图3a)。当今的座椅压力传感器是有源有线的网络检测,置于坐垫内,需要连接电源,且不提供人体检测,只提供压力检测,因此,任何物体如一袋食品杂货,也会触发安全带警告灯。
安森美半导体新推出的用于座椅压力检测的方案是无源无线的单芯片方案,无需电池供电,能耗低于15mW。该无线传感器标签被贴于座椅内(湿度传感器标签贴于椅背,压力传感器标签贴于座垫,见图3b)。湿度标签通过人体检测元素可确定座椅上是否有人,消除物品触发安全带警示的麻烦,提升可靠性;压力标签通过体重检测确定坐在座位上的是小孩还是成年人,这些信息可从RFID阅读器发送到汽车控制单元以优化气囊释放角度来增强安全性。其中的软件无线电模块可使用胎压监测系统中的相同单元。该方案易于扩展至添加乘员位置检测功能。
3.整车质量控制漏水检测
车厂在汽车出厂前会对其进行高压浸水测试:关闭汽车门窗后,从不同角度对汽车进行高压喷水,以测试汽车的密封性能及底盘是否渗水。当前市面上的方案多采用人工探测的方式,耗时长且容易出错,一旦检测出漏水,必须将汽车拆卸至底盘以作修复。
安森美半导体的智能无源传感器用于此类应用时,在制造过程中将无线传感器标签贴于底盘的特定区域,通过简单的干或湿的传感器代码提供湿度传感器功能(见图4)。工厂工人只需手持阅读器绕车查询传感器标签,无需人工探测,如果浸水,传感器代码会指出精确的浸水源,汽车将下线检测。根据汽车尺寸和汽车整车厂商的要求,用于整车漏水检测的配置可由2～10多个湿度传感器组成。
4.液位检测
汽车液位检测包括对燃油箱油量、机油液位、制动液液位及酸性液体液位等的检测。市场上当前的汽车液位检测系统需要连接电线,且须位于容器内部(见图5)。
而安森美半导体的智能无源传感器可在容器外感测液位,省去油箱里的敏感电子。传感器标签针对液体的介电常数进行了优化,能检测多种液体。其长度最长不超过4in(lin=25.4mm),从而能满足在空间有限的容器外贴多个传感器标签的需求。
将智能无源传感器标签剥离并贴在容器外,并使用手持阅读器查询传感器标签以获得一个传感器代码,传感器代码将被发送到后端微控制器用于后处理,以将传感器代码和汽车内特定的液位相对应。
结语
无源无线温度传感器 篇5
高压开关柜是发电厂、变电站中确保电力系统安全可靠运行的重要设备, 而柜内导线连接处的接触特性将直接影响开关柜工作的可靠性。随着使用年限的增加, 因制造、安装不良或材料质量等问题都会导致接触不良而使接触电阻增大, 进而导致温度升高, 如不能及时发现和处理, 就会导致严重的事故。因此, 对柜内接头进行温度监测, 可以提前发现安全隐患, 及时采取处理措施, 提高系统可靠性。目前, 常用的温度监测方式有以下四种:
1) 示温记录标签:示温记录标签采用温敏变色原理制成标签, 贴到被测设备上, 当被测点的温度高于标签的变色额定温度时, 标签的颜色将发生变化, 具有超温后永久变色的颜色记录功能。缺点是不能反映实时温度值, 需要人工定期巡查。
2) 远红外测温:远红外测温采用被测点的红外辐射波来确定其温度, 依此原理制成的红外测温仪由于使用方便, 是目前人工巡查测温的主要方法。缺点是容易受红外辐射光路遮挡的影响, 不能准确测得被测点的温度, 限制了在某些场合的应用。
3) 光纤测温:光纤测温采用在被测设备上贴装光纤温度传感器, 通过光缆连接光纤解调器, 由光纤解调器输出相应的温度数据。缺点是光纤易断易折、耐温性差、安装复杂, 在运行环境不好, 特别是积累灰尘后很容易造成爬电现象, 产生不应有的安全隐患。
4) 有源无线测温:有源无线测温采用集成温度传感器或数字温度传感器采集被测点的温度, 经处理的温度信号以无线通信的方式进行传输, 是目前高压设备温度监测的主要方法。缺点是传感器探头及无线发射电路采用电池或小电流互感器取能供电, 电池存在使用寿命短和更换困难的问题, 互感取能存在电流大小不易控制和安装困难问题。
基于以上四种测温方式存在的问题和缺陷, 本文提出了无源无线测温新方法, 无源工作方式解除了传感器供电问题, 无线工作方式使高压侧与低压侧物理绝缘。
1 温度监测系统架构
1.1 系统原理
声表面波 (SAW) 无源温度传感器以传统接触方式安装在高压开关柜内易发热的测温点上感知测温点的温度变化, 无源温度传感器以无线方式接收并反射由无线测温仪发射的间歇射频信号, 反射信号携带了测温点的温度信息, 经无线测温仪接收处理后可就地显示测温点的温度。温度数据通过无线测温仪的通信接口连接至CAN总线并上传至监测站内的监测服务器, 监测服务器完成对温度数据的存储、分析、记录、显示及越限报警, 实现多柜的温度实时监测。监测服务器通过网络通信接口接入电力系统局域网, 实现多站多柜的联网监测。高压开关柜无源无线温度监测系统结构示意图如图1所示。
1.2 系统功能
1) 温度实时显示功能:每台无线测温仪对应一台高压开关柜, 每个开关柜可设置多个测温点, 监测开关下触头及电缆接头的温度变化, 无线测温仪、监测服务器实时显示测温点的温度值。
2) 自动报警功能:当测温点的温度超过安全设定温度值和安全温升速率时, 自动发出报警和预警信号。
3) 温度数据存储、查询、分析功能:测温点的温度数据存入监测服务器的数据库中, 可以查询某个时间段的历史数据, 绘制温度变化曲线, 分析设备运行状态。
4) 系统扩展功能:采用标准总线连接方式, 易于扩展开关柜的数量。
2 温度监测系统设计
2.1 SAW无源温度传感器
SAW无源温度传感器是根据温度变化引起声表面波器件固有谐振频率的变化而实现温度测量的[1]。其核心部件是声表面波谐振器, 分延迟线型和谐振型两类, 单端口谐振型声表面波谐振器结构如图2所示。在压电材料基片表面中央制备一对叉指换能器, 在其两侧配置两组周期性排列的多条反射栅阵列, 构成法布里—珀罗谐振腔, 叉指换能器既作输入, 又作输出, 当有射频电磁波入射到叉指换能器上, 在压电基片的表面激励出声表面波, 经反射栅反射到叉指换能器再转换为电磁波形成射频反射波。谐振器的固有谐振频率由叉指换能器的几何尺寸和声表面波的传播速度决定, 当温度变化时, 可引起固有谐振频率的变化, 其变化关系为[2]:
其中, a、b为参考温度T0下的1阶、2阶温度系数。
通过合理选择叉指换能器几何尺寸、基片晶体材料及切向, 可以使温度系数的高阶项近似为零, 实现固有谐振频率与温度的近似线性关系, 只要获得固有谐振频率就可确定其温度。
入射波采用间歇正弦波, 在入射波消失后其反射波为幅度衰减的振荡信号, 振荡的中心频率为谐振器的固有谐振频率, 只须检测出反射波的频率就可确定温度[3]。因此, SAW谐振器可以构成无源温度传感器, 实现无源无线测温。
2.2 无线测温仪
无线测温仪由DSP控制处理模块、射频收发器模块、通信接口芯片、存储器芯片、越限报警电路、键盘和LCD显示模块组成。DSP控制处理模块控制射频信号发生器产生所需要的正弦波, 经调理后变为间歇正弦波由天线发射出去。无源温度传感器接收后的反射波, 经调理后送入DSP内进行采样和变换, 由DSP进行信号处理以获取温度数据。通信接口实现与上位机的远程通信, 键盘及显示用于人机交互及温度显示。结构框图如图3所示。
2.2.1 DSP控制处理模块
D S P控制处理模块采用T I公司的TMS320F2812芯片, 它是一款高性能、低功耗、3 2位定点数字信号处理器。最高工作频率可达150MHz, 为实时控制和在较短的时间内完成复杂的算法提供了充分的条件, 高性能的32位中央处理器包含16×16位和32×32位的乘法累加器操作, 16×16位的双乘法累加器, 可完成64位的数据处理, 实现高精度处理任务。拥有丰富的片内资源, 本系统使用的资源主要包括:片上Flash、ROM、RAM, 定时器, 增强局域网络e CAN, 12位16通道片内A/D转换器, 最高采样频率12.5MHz, 多用途通用输入输出接口GPIO和仿真接口JTAG等。支持TI的TMS320DSP算法标准, CCS集成开发环境, 为软件开发提供了较为便利的条件。利用其强大的数据处理能力, 通过算法上的优化可提高测量精度, 利用外设接口资源实现电路的控制, 有效降低了电路的复杂程度。
2.2.2 射频收发器模块
射频收发器主要有射频信号发生器、低通滤波器、射频功率放大器、转换开关电路、集中选频放大电路、下变频器、有源低通滤波器、可调增益放大器及嵌位保护电路等组成。其组成框图如图4所示。
射频信号发生器采用直接数字频率合成 (DDS) 单片频率合成器AD9858, DDS以精确的时钟信号为参考, 利用数字处理技术直接产生频率和相位可调的正弦波信号[4]。AD9858为可编程器件, 内部有12个寄存器, 每个寄存器的地址是固定的, 对地址的读写操作可以方便地读写寄存器。用32位控制字寄存器CRF, 控制AD9858的不同功能、特性和模式, 32位频率调节字寄存器FTW, 调节输出信号频率。当CRF<14>置1, 为正弦模式输出, 置0, 为余弦模式输出, 当CRF<15>置1, 为扫频模式, 置0, 为单频模式。单频模式下输出信号的频率为:其中, fc为系统时钟频率, FTW为32位可编程频率调节字。
当系统时钟频率 (最高1GHz, 由外部时钟经AD9858内部二分频获得) 确定后, 输出信号的频率由频率调节字决定, 通过配置控制字寄存器和频率调节字寄存器, 即可获得所需频率的正弦信号。
DSP通过AD9858的8位数据端口D0-7、6位地址端口A0-5、写端口、频率更新端口FUD将数据通过I/O口缓冲器写入其内部的控制字寄存器CRF、频率调节字寄存器FTW、完成对AD9858的配置。由于AD9858和TMS320F2812都是3.3V的接口电平, 因此8条数据线和6条地址线可直接与TMS320F2812相对应的数据线和地址线的低位相连, 与的XWE相连, 实现对内部寄存器的写操作, 频率更新FUD和复位端RESET与DSP的GPIOB0和GPIOB1相连, 用于输出信号频率的更新和复位控制。
AD9858的输出为其内部模数转换器的输出, 含有丰富的谐波分量, 经7阶巴特沃兹无源低通滤波器滤波后的正弦射频信号, 一路送入线性射频功率放大器模块MHL8115/D进行功率放大, MHL8115/D工作频率范围50~1000MHz, 输出功率P1d B为30d Bm, 输出信号送入双刀单掷开关电路MAX319, 形成间歇射频发射波经天线辐射出去。无源温度传感器接收到对应的入射波后, 其反射波经同一天线接收后再送入MAX319中, MAX319的通断控制信号由DSP的定时器提供, 高电平发送低电平接收。由于反射波信号微弱, 易受噪声干扰, 因此, 通过MAX319的反射波送入集中选频放大电路进行两级放大, 集中选频放大电路由差分结构的集成宽带放大器ER4803组成, 以有效抑制共模干扰。放大后的信号与低通滤波器的输出信号一起送入下变频器AD8342, 其输出信号的频率即为入射波与反射波频率之差, 频率变化范围在DC~300KHz之间。由于该信号的频率变化对应于无源温度传感器的温度变化, 为了提高测量的准确度, 设计了一个由集成运算放大器OPA603构成的截止频率为300KHz, 增益为2的二阶巴特沃兹有源低通滤波器, 以有效滤除高频干扰。有源低通滤波器的输出由可调增益放大器放大到30m V~3V, 经嵌位保护电路送入DSP内部自带的A/D转换器采样, 进行FFT变换与频谱分析, 以功率谱最大估算信号频率[5], 经DSP运算后转换成温度。
2.2.3 外部接口
TMS320F2812内部集成了增强型CAN控制器e CAN, 支持CAN2.0A和CAN2.0B协议, 通过CAN总线收发器SN65HVD230与CAN总线相连, 为了提高系统的可靠性和抗干扰能力, 在控制器的外部引脚CANTXA、CANRXA与收发器之间串接基于磁耦隔离技术的双通道数字隔离器ADu M1201, CAN总线最大传输距离可达10km, 可支持多个无线测温仪联网运行。外扩1快128k×16的静态存储器IS61LV12816, 用于扩展程序存储空间, 由于工作电压为3.3V, 可直接与DSP的I/O口相连。LCD显示选用二线串行接口的段式液晶模块SMS0401。键盘设置4个按键, 分别为模式选择键、上下调节键及确定键, 模式选择键用以切换参数设置模式或测量模式, 通过上下调节键即可设置各测温点的温度越限值。越限报警电路由DSP的通用I/O输出口控制, 产生声光报警。
2.3 软件设计
系统软件包括初始化程序、主程序、参数设置子程序、测量子程序、显示子程序以及数据通信子程序。编程开发工具使用CCS3.0, 采用C语言汇编语言混合编写, 系统主程序流程如图5所示。
系统上电后, 执行初始化程序, 完成时钟、DSP模式、DDS芯片、通信接口芯片及LCD显示等初始化操作。主程序循环执行按键扫描操作, 有按键时执行参数设置子程序, 完成系统参数的设置, 否则执行测量子程序。通过DSP定时器产生控制信号, 控制射频信号的发射与接收, 对接收信号采样存储, 根据设定的算法计算出当前的测量温度。温度超过越限值时, 产生声光报警, 调用显示子程序显示各个测温点的温度, 调用通信子程序将测量结果上传至监测服务器, 实现统一的实时监测。
3 实验测试
无线测温仪调试完成后, 在实验室进行模拟测试, 将封装有匹配天线的无源温度传感器固定在加热板上模拟高压开关柜内的发热点。所选用的无源温度传感器, 温度在0℃~120℃之间变化时, 对应的固有谐振频率约在430.000MHz~429.700MHz之间变化。设置无线测温仪的发射频率为430MHz, 在无线测温仪与无源温度传感器相距5m之内变化时, 均能有效检测到反射信号。选择30℃、50℃、60℃、80℃、100℃几个温度点与红外测温仪AR36-608进行比对测量最大误差在±1℃之内。
4 结束语
本文提出的无源无线温度监测系统, 结构简单和易于实现。采用无源温度传感器解决了温度传感的供电难题, 无线测温解决了高低压隔离问题, CAN总线通信方便系统扩展。该系统能够实现对高压开关柜易发热部位的温度进行实时监测。无线温度传感器的温频特性, 抗干扰措施有待进一步完善。
参考文献
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[3]王军峰, 李平, 周志坤, 郑敏, 杨进.声表面波谐振型无源无线温度传感器硬件系统[J].压电与声光, 2006, 28 (1) :1-4.
[4]王尽秋, 张玉兴.基于AD9858的射频信号发生单元的设计[J].国外电子测量技术, 2005, 24 (10) :41-44.
无源无线温度传感器 篇6
对无线无源LC谐振式传感技术的研究最早起源于国外, 并广泛应用在食品安全[3]、温度[4]、湿度[5]、压力[6]和气体检测[7]中;相比于国外, 国内对该技术研究起步要晚, 主要有东南大学对多参数无线无源LC谐振式传感器的研究[8], 中北大学从2012年开始在无线无源LC谐振式传感器方面做了大量的研究, 并取得了一定的研究成果[9]。
本文研究了无线无源LC谐振式传感技术在位移测量中的应用, 运动介质进入电容极板, 导致电容量发生变化, 进而导致LC传感器的谐振频率发生改变, 通过测定谐振频率值可以推测介质的进入位移量, 通过制作PCB位移传感器模型并进行扫频信号测试, 结果表明该技术可实现高精度的位移敏感, 测试结果和理论推导都可以说明该技术可以精确的测量位移。
1 位移传感原理
介质插入间距为d, 长度为l, 宽为b的电容极板中, 未插入介质的电容量记为C0, 则
式 (1) 中ε1为空气的相对介电常数, s为两极板正对面积。
插入介质以后, 如图1所示, 左半部分电容记为Ca;右半部分电容记为Cb、Ca与Cb是并联, 则总电容C=Ca+Cb。其中,
式 (2) 中x为介质进入极板的长度;Cb是由上半空气部分电容Ct和下半伸入介质部分电容Cm串联组成, 则
式 (3) 中
式 (4) 中ε2为伸入介质的相对介电常数, d2为介质的厚度;最后得出伸入介质后的电容量为[10]
式 (5) 中
为常数, 从式 (5) 可以看出电容变化量与介质进入的位移量呈线性关系。
将上述电容上下极板分别与电感两端相连, 因为电感线圈的寄生电容C2对谐振频率有较大的影响, 因此需要考虑电感线圈寄生电容C2的影响, 则总电容C应包含电容极板电容C1和电感线圈寄生电容C2两部分。
未插入介质时二者的谐振频率为
插入介质后, 电容极板电容C1发生改变导致二者的谐振频率f0值发生改变, 代入C得
可以看出LC的谐振频率f0值随位移量x发生单调改变, 因此可以通过测定谐振频率f0值推测介质进入极板的位移量。
如图2, 测试中我们通过天线正对位移传感器模型, 发出包含谐振频率f0在内的一段频率的扫频信号, 当扫频信号频率与传感器频率相等, 即耦合谐振时, 输入天线阻抗参数 (幅值、相位) 会发生突变。
测试中, 读取天线输入端阻抗相位角θ随扫频信号频率f变化的曲线 (θ-f) , 取相位角θ最低点的频率为fmin, 它和位移传感器的谐振频率f0之间存在关系[11]
通常在实际中耦合系数k很小而品质因子Q很大, 可以认为[11]
这样, 可以通过读取fmin值来间接反映LC谐振频率f0值。
2 位移传感模型的设计及实现
如图3所示, 位移传感器由三层PCB板叠加而成, 上层PCB板的上表面镀上一层方形电感线圈, 下表面镀上一层方形极板薄膜;中间层PCB板开U字型槽, 便于介质插入, U型槽宽应大于电容极板宽度以减小边缘效应的影响;下层PCB板上表面镀上一层正对的方形薄膜, 作为电容下极板。三层PCB板叠加的示意图如图4所示。
测试中, 介质为从PCB板剪切下的长条, 厚度等于电容极板间距, d2=d=0.58 mm, 可认为长条充满中间U型间距, d1=0 mm;实验PCB板相对介电常数ε2为4.4;位移传感器的电容极板尺寸为 (10×10) mm2;将参数代入式 (5) , 得到伸入介质后的极板总电容C1为
C0通过式 (1) 计算得为1.52 p F;因为电感线圈中有寄生电容的存在, 所以下面讨论电感线圈电感L和寄生电容C2值。
实验中位移传感器电感线圈为正方形, 圈数n=10, 外边长dout为22.5 mm, 内边长din为13 mm, 线宽为0.3 mm, 线间距0.2 mm, 如图5所示。
采用经验公式[12]
来计算线圈电感值, 式中C1、C2、C3、C4为与线圈形状有关的系数, 对于正方形线圈C1=1.27, C2=2.07, C3=0.18, C4=0.13, da为外直径, ρ为电感空心程度
经计算得L=2.967μH。对于制作在PCB板上的电感线圈, 寄生电容C2值不可忽略, 采用公式[13]
式中εrc为线圈涂层材料相对介电常数, εrs为线圈基底材料相对介电常数, 因为电感线圈被一层PCB涂料覆盖, 取εrc=εrs=4.4, 系数α=β=0.1;s为线间距, 为0.2 mm;tc为线圈厚度, 为50μm;计算得寄生电容C2=1.23 p F, 可以看出本实验中电感线圈的寄生电容值较大, 这可能与线圈的线间距过小和圈数过多导致的线长过长有关[12]。把两部分电容相加, 得到介质伸入中间PCB层的总电容C (单位:PF) 为
式 (16) 其中x为介质进入极板的长度, 单位为mm, 将式 (16) 代入式 (8) , 则上述位移传感器的谐振频率值f0 (单位:MHz) 为:
下面对该设计进行测试验证。
3 实验测试
实验中, 用天线线圈正对位移传感器, 发出包含谐振频率f0在内的一段扫频信号, 读取天线输入端阻抗相位角的最低点所对应的频率fmin值, 如图6所示。
因为电容边缘效应的影响很难消除, 实际上, 在测试中, 介质在进入电容极板正对区边缘时, fmin就发生了改变, 在测试中我们把位移原点设在介质刚进入电容正对区。因为测试过程中, 天线和传感器的相对位置对互感系数k有影响, 不同的互感系数会对读取的fmin值有较小的区别, 因此测量前需要进行标定, 即用标尺测量介质进入的位移d, 读取位移d时所对应的fmin值, 试验中我们每隔1 mm进行读取一个fmin值, 对介质刚进入至完全覆盖正对区这个过程所有的测试值进行拟合, 如图7所示。
实验发现随着位移x从0增加到10 mm, 测量频率fmin从51.463 MHz单调减小约17.5 MHz到33.968 MHz, 频率fmin与位移存在着一一对应的关系, 这也证明了位移传感器设计的可靠性;同时介质伸入1 mm, fmin平均减小1.75 MHz, 减小的趋势很明显, 也说明该传感器可以实现很高精度的位移测量。
这是一种读取位移的新方法, 即通过频率值来间接反映位移的变化, 而且频率是基于磁耦合的非接触方式读取得到的, 实验证明该方法可以实现高精度的位移敏感, 这在实际应用中可实现测量非接触式的位移, 这为在精密仪器中及恶劣环境中的非接触位移测量提供可能。
从图7可以看出拟合曲线和理论曲线存在差距, 这主要与电容极板的边缘效应有关, 电容极板边缘有向外的弧形电场线, 而实验采用的介质条宽度略大于极板宽度, 这使得部分电场线没有通过介质, 因此试验测试得到的电容值偏小于理论值, 进而测试谐振频率值大于理论谐振频率;再由式 (10) 可以看出, 在理论分析中, 认为fmin和f0相等, 即省略了读取过程中的误差, 实际上从式 (9) 可以看出, 测试出的谐振频率是大于理论值的。因为电容边缘场分布的复杂性, 同时两个线圈的耦合系数k (一般为0.1~0.3之间, 与线圈距离、正对面积等有关) 和传感器品质因子Q难于理论确定, 这使得我们只能定性的分析误差, 其次部分误差是由制造和测试读取过程中人为操作造成的, 但是理论和测试曲线减小的趋势是一致的, 这也就证明了无线无源LC谐振式传感技术在位移测量应用中的可靠性。
4 结论
研究了无线无源LC谐振式位移传感技术的原理及模型的制作过程, 通过制作PCB位移传感器模型, 并对该模型进行了测试, 测试结果表明谐振频率在10 mm的位移内单调减小了17.5 MHz, 这证明了该位移传感器设计的可靠性;同时分析了测试结果和理论值误差的主要原因。
摘要：对无线无源LC谐振式位移传感技术进行了研究, 运动的介质进入电容极板使电容量发生改变, 进而使LC谐振频率发生改变, 通过谐振频率值来推测介质进入电容极板的位移, 通过制作PCB位移传感模型并对该模型进行天线无源扫频信号测试, 测试结果表明LC谐振频率随着介质位移的增加而单调减小, 而且在介质10 mm的位移量内, 传感器谐振频率发生了17.5 MHz的变化。实验中由于电容边缘效应和电感寄生电容的影响, 测试值与理论推导值有一定的偏差。
无源无线温度传感器 篇7
关键词：氧化铝陶瓷,压力传感器,Ansys仿真,工艺制备
高温压力传感器以其优良的高温工作能力一直受到广泛的关注,是传感器研究的重要领域之一,它的研究与开发具有重要意义[1,2]。目前,无线无源高温压力传感器已展开了深入的研究,主要包括SOI高温压力传感器[3]、Si C高温压力传感器[4]、硅- 蓝宝石压力传感器[5]、光纤压力传感器[6]、声表面波( SAW) 压力传感器[7]以及LC谐振压力传感器[8,9]等。然而,无源器件制作工艺的研究热点之一是陶瓷共烧技术,特别是低温共烧陶瓷( low temperature co-fired ceramic,LTCC) 技术和高温共烧陶瓷( high temperature co-fired ceramic, HTCC ) 技术[10]。其中,以利用先进流延技术得到的96% 氧化铝高温共烧陶瓷( HTCC) 为基底的LC谐振式压力传感器最为典型,并且获得了越来越多的关注和使用[11]。
以LC串联谐振式电路为理论基础,设计了一种可应用于高温恶劣环境中的基于氧化铝陶瓷的无线无源压力传感器; 并利用ANSYS仿真软件对其进行力学模型分析和参数计算,确定其设计与结构; 最后依次经过叠片与热压、高温烧结、丝网印刷与后烧等制备了一种基于氧化铝陶瓷的耐高温的平面电感式压力传感器。
1 传感器的结构设计
设计的压力传感器的结构剖面图如图1 所示,每层氧化铝陶瓷带的厚度约为200 μm,传感器的受压结构是由三层氧化铝陶瓷带经过叠片、高温烧结等工艺形成的具有致密空腔结构的氧化铝陶瓷基板,传感器的LC电路主要通过丝网印刷和后烧工艺实现,材料选用银/钯/铂型导电浆料9562-G,在其上、下表面印刷一层平面螺旋电感和一对平行极板电容,以构成LC电路。
传感器的力学模型结构的上、下受压面采用方形结构,电容设计为圆形极板电容,电感设计为圆形平面螺旋电感,其中上下表面LC电路设计如图2所示。
当该压力传感器上、下受压面施加压力 ΔP =0. 4 MPa时( 空腔内气压以0. 1 MPa近似处理) ,根据氧化铝陶瓷的力学基本参数及设计尺寸,对四边固定的方形薄板的挠度和等效应力分布情况进行ANSYS仿真分析。如图3 所示,由仿真结果可知,方形薄板中心处的挠度最大,约为16. 8 μm; 方形薄板的最大应力集中在薄板四周中央,约为263 MPa。设定安全系数: η = 1. 2,则受压时薄板( 氧化铝陶瓷) 的最大许用应力可用式( 1) 求出。
图2压力传感器的LC电路设计Fig.2 The LC circuit design of pressure sensor
式( 1) 中 σ 为薄板的抗弯强度。将 σ = 325 MPa,代入式( 1) ,求出最大许用应力 σmax= 270. 83 MPa,即最大等效应力小于氧化铝陶瓷的最大许用应力,满足设计要求。
2 主要制备工艺
高温共烧陶瓷带选用ESL 44000 生瓷带,其主要成分为96% ( 质量分数) 氧化铝粉末[12]; 平面螺旋电感选用高电导率的银/钯/铂导体浆料ESL9562-G( ESL Electroscience,UK)[13]; 碳膜选用一种易挥发流延膜带( fugitive tape) 。其制备工艺主要包括: 叠片与热压、高温烧结、切片、丝网印刷与后烧等,如图4 所示。制备工艺参数见表1。
2. 1 切片与冲孔
( 1) 切片: 在叠片与热压前要进行切片,原料为卷轴式陶瓷生带,采用切割机或冲床进行切割,切制出3 片尺寸均为20. 32 cm × 20. 32 cm的生瓷带。叠片前在各片陶瓷带的四周相同位置处用冲孔机打出定位孔,进行对准。
( 2) 考虑到生瓷带在高温烧结过程中具有16% ~20% 的热收缩率,故空腔结构切割孔大小约为9 mm× 9 mm,以保证经高温烧结后的方孔边长为8 mm。
2. 2 叠片与热压
2. 2. 1 叠片
按照设计的叠片次序,先将第一、二层陶瓷带依次放入叠片机中形成两层陶瓷带厚度的预生坯; 选用一种易挥发流延膜带( fugitive tape) ———碳膜,并用切片机切成与方形空腔相同大小后,置入预生坯的方孔内,并与第三层陶瓷带再进行叠片操作。
填充碳膜的主要作用为: 碳膜的单层流延带或双层流延带的厚度与氧化铝陶瓷带大致匹配,可以防止在热压过程中坯体的表面发生塌陷或者边缘断裂,否则将导致空腔结构损坏甚至失效。图5 是填充碳膜后的陶瓷带坯体的反应示意图,由于碳不会和陶瓷带发生化学反应,利用陶瓷带在高温烧结结束前会呈现多孔疏松状态的物理性质,外界O2可以进入陶瓷腔体内部与碳膜发生化学反应,同时腔内反应产生的CO2可以及时排走,且不会产生其他固体杂质留在空腔内。
2. 2. 2 热压
在热压前需要将陶瓷带坯体进行真空封装,以排除坯体内部的少量空气,以防止在热压时产生气泡而破坏陶瓷带。利用陶瓷带的热塑性,在层压机中以压力21 MPa、温度70℃ 的工艺条件,将该坯体热压成一体。
2. 3 切片与高温烧结
将热压后的生坯切割成边长为28 mm的正方形,之后将切制成形的生坯放入烧结炉中进行高温烧结,其最高烧结温度为1 500℃、峰值时间为2 h。陶瓷带高温烧结曲线如图6,该曲线保证了炉膛温度的均匀性,从而提高烧结后陶瓷基板的平整度及收缩的一致性。
检验经过高温烧结后的陶瓷基板是否合格。初步检验: 观测腔体边缘部分是否出现裂纹,腔体上、下表面是否平整,以及腔体外表面是否存在气孔; 深度检验: 将其中初步检验合格的一至两片陶瓷基板进行划片处理,从腔体横断面进一步观测空腔的几何结构。图7 所示为高温烧结后的陶瓷基板的空腔结构,没有填充碳膜直接进行高温烧结所形成的空腔发生坍塌现象[图7( a) ],而经过填充碳膜工艺后再进行高温烧结所形成的空腔上、下表面确实具有良好的平整度[如图7( b) ],经测量陶瓷基板的高度约为480 μm,且每层陶瓷的厚度均接近160 μm。
图7没有加入碳膜的空腔结构(a)和加入碳膜的空腔结构(b)Fig.7 The cavity structure without carbon membrane(a)and the cavity structure with carbon membrane(b)
2. 4 丝网印刷与后烧
2. 4. 1 丝网印刷
器件的丝网印刷工艺是借助具有掩膜图形的钢丝网版,将电子浆料印刷在器件表面,以形成某些电路图形[14]。图8 为丝网印刷示意图。
本实验丝网印刷的过程如下: 首先,分别将顶层网版和底层网版[图2( a) ]固定在丝网印刷机上,调整好网版与陶瓷基板之间的距离并对准,见图8( a) ; 其次,完成在陶瓷基板上电感、电容上极板和电容下极板的图形印刷,网带速度为200 mm/min左右,然后将网版与陶瓷基片分离,见图8 ( b) 、( c) 、( d) ; 再次,将印有电路图形的陶瓷基板放入HGL600 红外干燥炉中对其上的浆料进行干燥处理( 干燥温度与时间见表1) ,并将其取出进行自然冷却; 最后,为了形成一个闭合的LC电路,还需要利用涂有少量浆料的刮刀将电感线圈的连接点与底面的电容下极板引线连接起来。
2. 4. 2 后烧
浆料与陶瓷基板的后烧工艺在RSK3 007Z网带式烧结炉中进行,设定网带速率为100 mm/min,温区最高温度为850 ℃,其中各温区的温度设置见表2。
烧结完成后,待陶瓷基板自然冷却,用万用表检测LC电路的导通状态,用显微镜观察线路的分布及连接情况。初步检测合格的传感器实物如图9 所示,陶瓷基板的总体尺寸约为28 mm × 28 mm ×0. 48 mm,厚膜电路的厚度约为20 μm。
3 结论
无源无线温度传感器 篇8
本文所设计的测量系统由若干个处于各测量点的无线数字温度传感器和一台带无线收发电路的主机(单片机)系统组成,其结构如图1所示。上位机与各下位机之间采用主从式异步无线串行通信方式。
1无线数字温度传感器
在温度测量电路中采用Dallas公司生产的1-Win总线数字温度传感器DS18B20。DS18B20是3引脚TO-92小体积封装形式;温度测量范围为-55℃-+125℃,可编程为9位-12位MD转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度以带符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可从端脚引入,也可采用寄生电源方式产生。本系统采用从端脚入工作电源方式。温度测量电路如图2所示。
2无线收发电路
无线收发电路如图3所示。无线收发电路采用Nordic公司生产的nRF901单片射频收发芯片。nRF901工作于433MHz,芯片内置数据协议和CRC检错,输出功率和通信频道可通过程序配置。芯片能耗非常低,以-10dBm的功率发射时,工作电流只有11mA,接收时工作电流只有12.5mA,多种低功率工作模式,节能设计更方便。
nRF901的PCB一般都是双层板,底层不放置元件,地层、顶层的空余地方一般都敷上铜,这些敷铜通过过孔与底层的地相连。直流电源及电源滤波电容尽量靠近VDD引脚。nRF901的供电电源应通过电容隔开,这样有利于给nRF901提供稳定的电源。在PCB中,尽量多打一些通孔,使顶层和底层的地能够充分接触。
3主机系统
主机(上位机)采用A T 9 8 C 5 1单片机,外接n R F 4 0 3无线收发电路、健盘显示及微型打印机等电路。电路组成如图4所示。
二、系统工作原理及软件设计
在这个多点温度测量系统中,系统采用查询方式对各点的温度进行测量,使用了多台P I C单片机作为下位机,并按照上位机的要求将采得的温度数据传送给上位单片机A T 8 9 C 5 1系统。上位机与各下位机之间采用主从式的异步串行通讯方式,即下位机接到上位机的通信信号时才做出响应,否则将一直处于睡眠状态。
限于篇幅,这里主要是设计下位机即P I C 1 6 C 5 4单片机与上位机即A T 9 8 C 5 1单片机的通信程序,而A T 9 8 C 5 1单片机与显示器件,打印机及通信程序是大家所熟知的,这里不作讨论。
下位机型号为P I C 1 6 C 5 4,它体积小,功能强,功耗低。它没有专门的串行通讯口及相关的控制字和标志位,采用普通I/0口和特定的通信协议,实现了主从式的多机串行通讯,实际应用中取得良好效果。
鉴于上位机对下位机发送的命令只有2种:呼叫、发送温度测量数据。呼叫命令即是上位机欲与之通信的下位机的编号,而发送命令只要不与呼叫命令重复,即可以将下位机的地址编号,同样作为数据命令来发送。具体方法是,在单片机的程序中,设置一个标志寄存器F L A G,将它的某一位如第7位,即F L A G 7作为控制位,先将其设为0。各下位机在接收到上位机命令之后,首先查看F L A G 7为1还是为0,如果F L A G 7为1,则转入温度测量程序和发送温度测量数据段;若为0则将接收到的命令与本机地址相比较,若不同,则返回睡眠状态,F L A G 7仍为0;若相同这种情况说明:上位机此时确实发送的是呼叫命令则将F L A G 7置:为1,表示已得知上位机要与自己通信,同时将本机地址传给上位机作为回应。当上位机再次发来命令时,即可实现一对一的通信。
三、结束语
所设计的无线多点温度测量系统采用专用集成电路,电路结构简单,工作稳定可靠。设计中充分利用了各芯片的低功耗特性,有效地延长了电池的使用时间;无线数据传输方便灵活,在烟草、粮食等仓库中应用效果良好。
参考文献
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