基于石英晶体的遥测温度计设计

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介绍了Y切型石英晶体作为传感器的数字温度计，其输出的频率信号与温度存在较好地线性关系，没有模拟传感器难以克服的温漂、时漂等问题，该温度计可用于高精度的温度测量与控制系统中。实验结果显示，文中设计的数字温度计分辨力为0.05℃。系统使用无线数据模块实现了温度数据的传输。
       
        温度是一个基本的物理量，在许多情况下人们希望能够快速、准确地对其进行测量，特别是一些人员不便进入的场合，如对高山、海洋等区域实现温度的遥测有着重要的意义。何瑾、王玉娟等人对Y切型石英晶体的理论和实现已经做了初步的探索；孙鹏对石英晶体的测量精度和数据处理提出了改进的方法并做了试验验证。本文在上述研究的基础上，利用Y切型温度传感器其输出的频率信号与温度信号之间的比例关系，设计出了一种具有较高测量和重复性的无线温度测量系统，系统具有温度测量准确、响应速度快、体积小巧等优点。
       
        1温度计测量原理
          温度计测温电路由振荡电路、差频电路、频率计和微处理器组成。石英晶体温度传感器选择Epson公司生产的Y切型温度传感器HTS-206，其振荡频率在40 kHz附近。测温晶体输出与被测温度相关的频率信号，参考晶体采用的是OCXO（T2）晶体模块，其输出频率可以看作与温度无关，二者的频率通过差频电路整形后得到几百Hz的方波，该方波作为门控信号，从而实现OCXO（T1）频率的计数功能，这个计数结果送入单片机进行温度的计算，最后由显示电路驱动LCD显示器。测量原理框图如图1所示。
         
       
       
        2石英晶体传感器的原理设计
          选择石英晶体作为温度传感器，其频率-温度特性为
         
          如果可以测得频率f（T），理论上就可以求解温度T.但这种方法并不简单，因此，首先用它的线性近似方程（4）来求解
         
        3系统硬件电路设计
          3.1石英晶体
          振荡电路设计为获得所需的频率信息，需要用石英晶体和相关元件构成振荡电路才能获得频率信号的输出。由于传感器的精度要求高，所以要求振荡器元件的温度性能要好，石英晶体与电路的接线要短，并要求振荡电路的振荡裕度大。参考已有的几种电路设计原理，本文采用的石英晶体振荡电路如图2所示。
         
       
         
        这个差频信号用于后续计数电路的门控信号，门控芯片实现对T1（OCXO）的计数功能，计数所得的计数值与测量的温度值相对应，从而可以计算出测量的温度值。根据石英晶体HTS-206的资料可知，温度在-40～+85℃时，频率变化的范围约为150 Hz，即温度变化1℃时频率变化1.2 Hz，如果直接采用这个测量频率来计算温度，就不能保证温度测量的精度，所以不予采用。与文献中使用的频率测量方法相比，本文设计的方法以待测的频率信号作为门控信号，用这个门控信号测量T1（OCXO）在这个门控周期内频率的变化量，通过这个变化量再计算温度，该方法大幅提高了测量的灵敏度，保证了测量精度。
       
        3.2单片机与芯片nRF2401的接口
          无线数据收发部分主要是单片机MSP430F169与nRF2401芯片的接口电路设计。nRF2401通过外接晶体为它提供工作所需的时钟。nRF2401还必须有天线电路，才能实现数据的收发。数据采集芯片MSP430F169与nRF2401芯片通过SPI相连，由于nRF2401芯片的SPI接口只有一个数据管脚，所以该管脚与数据采集芯片MSP430F169的SPI管脚直接连接。数据采集芯片MSP430F169的SPI口两个管脚都连接到nRF2401芯片的DATA管脚，因此数据采集芯片MSP430F169的SPI管脚都需要串接10 kΩ的电阻。另外，由于DR1为高电平有效，因此需要将P2.2管脚拉低。图3为数据采集芯片MSP430F169与nRF2401芯片的接口电路原理图。
         
       
        4系统软件设计设计
          利用串口调试助手来选择模块工作于发送还是接收模式，系统每隔5 s检测串口，在串口没有数据时，系统进入待机状态，这种设计方式有利于降低系统的功耗。在实际操作过程中，首先对单片机和nRF2401进行初始化，nRF2401的初始化主要包括对射频模块的收发模式、信道频率、传输数据速度、地址、校验、功率等部分的配置，其流程图如图4所示。
         
       
         
        5实验测量数据
          表1为在实验室环境下，测得石英晶体温度传感器输出频率值与被测温度值之间的对应关系表。
         
       
         
        从测量数据可知，对于任何一个温度而言，△fi/△Ti≤1/0.05℃（频率/温度比），即每一个数字量可以对应0.05℃的温度变化，此方法构成的温度计在-40～85℃的温度范围内，其准确度优于0.05℃。
       
        6结束语
          介绍了MSP430F169和石英温度传感器并结合nRF2401实现的高精度数据采集及无线传输功能。采用间接的温度方法，实现了0.05℃温度分辨力。采用nRF2401为专用的无线数据传输芯片，具有所需外围元件较少、数据收发可靠等优点。实验数据表明，采用这种间接方式设计的新型温度测量电路具有较高的准确度、较好响应速度、良好的抗干扰能力。