基于石英晶體的遙測(cè)溫度計(jì)設(shè)計(jì)

摘要 介紹了Y切型石英晶體作為傳感器的數(shù)字溫度計(jì)，其輸出的頻率信號(hào)與溫度存在較好地線性關(guān)系，沒(méi)有模擬傳感器難以克服的溫漂、時(shí)漂等問(wèn)題，該溫度計(jì)可用于高精度的溫度測(cè)量與控制系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，文中設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)分辨力為0．05℃。系統(tǒng)使用無(wú)線數(shù)據(jù)模塊實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的傳輸。
關(guān)鍵詞 溫度計(jì)；傳感器；分辨率；無(wú)線數(shù)據(jù)模塊

    溫度是一個(gè)基本的物理量，在許多情況下人們希望能夠快速、準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，特別是一些人員不便進(jìn)入的場(chǎng)合，如對(duì)高山、海洋等區(qū)域?qū)崿F(xiàn)溫度的遙測(cè)有著重要的意義。何瑾、王玉娟等人對(duì)Y切型石英晶體的理論和實(shí)現(xiàn)已經(jīng)做了初步的探索；孫鵬對(duì)石英晶體的測(cè)量精度和數(shù)據(jù)處理提出了改進(jìn)的方法并做了試驗(yàn)驗(yàn)證。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，利用Y切型溫度傳感器其輸出的頻率信號(hào)與溫度信號(hào)之間的比例關(guān)系，設(shè)計(jì)出了一種具有較高測(cè)量和重復(fù)性的無(wú)線溫度測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)具有溫度測(cè)量準(zhǔn)確、響應(yīng)速度快、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)。

1 溫度計(jì)測(cè)量原理
    溫度計(jì)測(cè)溫電路由振蕩電路、差頻電路、頻率計(jì)和微處理器組成。石英晶體溫度傳感器選擇Epson公司生產(chǎn)的Y切型溫度傳感器HTS-206，其振蕩頻率在40 kHz附近。測(cè)溫晶體輸出與被測(cè)溫度相關(guān)的頻率信號(hào)，參考晶體采用的是OCXO(T2)晶體模塊，其輸出頻率可以看作與溫度無(wú)關(guān)，二者的頻率通過(guò)差頻電路整形后得到幾百Hz的方波，該方波作為門(mén)控信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)OCXO(T1)頻率的計(jì)數(shù)功能，這個(gè)計(jì)數(shù)結(jié)果送入單片機(jī)進(jìn)行溫度的計(jì)算，最后由顯示電路驅(qū)動(dòng)LCD顯示器。測(cè)量原理框圖如圖1所示。

2 石英晶體傳感器的原理
    設(shè)計(jì)選擇石英晶體作為溫度傳感器，其頻率-溫度特性為

    如果可以測(cè)得頻率f(T)，理論上就可以求解溫度T。但這種方法并不簡(jiǎn)單，因此，首先用它的線性近似方程(4)來(lái)求解
    

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
3．1 石英晶體振蕩電路設(shè)計(jì)
    為獲得所需的頻率信息，需要用石英晶體和相關(guān)元件構(gòu)成振蕩電路才能獲得頻率信號(hào)的輸出。由于傳感器的精度要求高，所以要求振蕩器元件的溫度性能要好，石英晶體與電路的接線要短，并要求振蕩電路的振蕩裕度大。參考已有的幾種電路設(shè)計(jì)原理，本文采用的石英晶體振蕩電路如圖2所示。

    這個(gè)差頻信號(hào)用于后續(xù)計(jì)數(shù)電路的門(mén)控信號(hào)，門(mén)控芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)T1(OCXO)的計(jì)數(shù)功能，計(jì)數(shù)所得的計(jì)數(shù)值與測(cè)量的溫度值相對(duì)應(yīng)，從而可以計(jì)算出測(cè)量的溫度值。根據(jù)石英晶體HTS-206的資料可知，溫度在-40～+85℃時(shí)，頻率變化的范圍約為150 Hz，即溫度變化1℃時(shí)頻率變化1．2 Hz，如果直接采用這個(gè)測(cè)量頻率來(lái)計(jì)算溫度，就不能保證溫度測(cè)量的精度，所以不予采用。與文獻(xiàn)中使用的頻率測(cè)量方法相比，本文設(shè)計(jì)的方法以待測(cè)的頻率信號(hào)作為門(mén)控信號(hào)，用這個(gè)門(mén)控信號(hào)測(cè)量T1(OCXO)在這個(gè)門(mén)控周期內(nèi)頻率的變化量，通過(guò)這個(gè)變化量再計(jì)算溫度，該方法大幅提高了測(cè)量的靈敏度，保證了測(cè)量精度。
3．2 單片機(jī)與芯片nRF2401的接口
    無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)部分主要是單片機(jī)MSP430F169與nRF2401芯片的接口電路設(shè)計(jì)。nRF2401通過(guò)外接晶體為它提供工作所需的時(shí)鐘。nRF2401還必須有天線電路，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。數(shù)據(jù)采集芯片MSP430F169與nRF2401芯片通過(guò)SPI相連，由于nRF2401芯片的SPI接口只有一個(gè)數(shù)據(jù)管腳，所以該管腳與數(shù)據(jù)采集芯片MSP430F169的SPI管腳直接連接。數(shù)據(jù)采集芯片MSP430F169的SPI口兩個(gè)管腳都連接到nRF2401芯片的DATA管腳，因此數(shù)據(jù)采集芯片MSP430F169的SPI管腳都需要串接10 kΩ的電阻。另外，由于DR1為高電平有效，因此需要將P2.2管腳拉低。圖3為數(shù)據(jù)采集芯片MSP430F169與nRF2401芯片的接口電路原理圖。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)利用串口調(diào)試助手來(lái)選擇模塊工作于發(fā)送還是接收模式，系統(tǒng)每隔5 s檢測(cè)串口，在串口沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，這種設(shè)計(jì)方式有利于降低系統(tǒng)的功耗。在實(shí)際操作過(guò)程中，首先對(duì)單片機(jī)和nRF2401進(jìn)行初始化，nRF2401的初始化主要包括對(duì)射頻模塊的收發(fā)模式、信道頻率、傳輸數(shù)據(jù)速度、地址、校驗(yàn)、功率等部分的配置，其流程圖如圖4所示。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)
    表1為在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，測(cè)得石英晶體溫度傳感器輸出頻率值與被測(cè)溫度值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系表。

    從測(cè)量數(shù)據(jù)可知，對(duì)于任何一個(gè)溫度而言，△fi／△Ti≤1／0．05℃(頻率／溫度比)，即每一個(gè)數(shù)字量可以對(duì)應(yīng)0．05 ℃的溫度變化，此方法構(gòu)成的溫度計(jì)在-40～85℃的溫度范圍內(nèi)，其準(zhǔn)確度優(yōu)于0．05℃。

6 結(jié)束語(yǔ)
    介紹了MSP430F169和石英溫度傳感器并結(jié)合nRF2401實(shí)現(xiàn)的高精度數(shù)據(jù)采集及無(wú)線傳輸功能。采用間接的溫度方法，實(shí)現(xiàn)了0．05℃溫度分辨力。采用nRF2401為專用的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸芯片，具有所需外圍元件較少、數(shù)據(jù)收發(fā)可靠等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用這種間接方式設(shè)計(jì)的新型溫度測(cè)量電路具有較高的準(zhǔn)確度、較好響應(yīng)速度、良好的抗干擾能力。