無線溫度傳感器設計*

孫穩穩，宋德杰

(山東理工大學 電氣與電子工程，山東 淄博255049)

0 引 言

在碲鋅鎘單晶體的生長過程中，為了生長出高質量的單晶體，生長參數優化是非常必要的［1］。由于碲鋅鎘晶體結晶界面溫度與碲鋅鎘的配比有關，實時檢測控制生長爐內晶體結晶界面的溫度就是其中的一個優化參數［2～4］，但由于在晶體生長過程中，要求籽晶在其生長爐內要按照一定的旋轉規律不停的旋轉。給結晶界面的溫度測量和控制布線帶來諸多不便。對于旋轉系統，現在常用的溫度測量控制方法有二種:一種是利用電刷把溫度信號引出，然后用測量控制設備進行測量和控制;這種方法的缺點是有滑動觸點，易磨損，可靠性差，干擾大，需要經常更換維修;另一種是通過非接觸傳感器測溫(如紅外、比色等)，但這種方法不適應于封閉系統內的溫度測量，而且精度比較低，抗干擾能力差，成本高等，應用受到限制。

為了克服上述缺點，針對晶體結晶界面溫度為1 080 ℃左右，生長周期為21 天的要求［5］，本文設計了一個熱電偶測溫無線傳輸裝置，將它和熱電偶一同安裝在旋轉籽晶桿上，通過無線發射接收方式向顯示儀表和控制裝置傳輸測量數據，實現了無限測量和控制。為了解決無限測溫裝置中蓄電池長期供電，電量不足的問題，設計了一個微型發電裝置，利用籽晶桿的旋轉，帶動微型發電機發電，并給無線發射裝置的蓄電池充電，較好地解決了無線測量發射裝置的長期供電和無線傳輸的抗干擾問題。

1 無線溫度傳感器的硬件設計

無線溫度傳感器的結構框圖如圖1 所示，主要由熱電偶、無線溫度發射裝置和無線溫度接收裝置三大部分組成。其中，無線溫度發射裝置安裝在旋轉籽晶桿的底部，隨籽晶桿一起旋轉;無線溫度接收裝置安裝在晶體生長爐旁邊的控制柜里面，實時接收發射裝置發出的數據，并進行數據處理和顯示。也可通過RS—485 串行口輸出給主機，進行保存，以便事后分析。

圖1 無線測溫傳感器結構框圖Fig 1 Structure block diagram of wireless temperature measuring sensor

1.1 無線溫度傳感器發射裝置設計

無線溫度傳感器發射裝置結構如圖2 所示。它由單片機、無線發射電路、熱電偶、放大器、A/D 轉換器及外圍電源電路組成。單片機選用低功耗的AT89S52 芯片，無線發射采用PT2262 芯片。

圖2 無線溫度傳感器發射裝置結構Fig 2 Structure of wireless temperature sensor transmitting device

由于籽晶桿在高溫爐內處于不斷旋轉狀態，且晶體生長過程長達21 天。為解決無線測溫裝置電路電池供電不能持久的問題，借用手搖發電原理，設計了一種微型發電裝置，也安裝在旋轉籽晶桿上，利用籽晶桿的旋轉帶動發電機發電給儀表上的蓄電池充電，以保證一次測量儀表的長期用電需求［6］。

因溫度信號變化比較緩慢，測溫停頓時間間隔比較長。為了節約電源能量，設計無線測量電路時，讓單片機在睡眠和工作二種方式間交替運作，兩種工作方式的時間間隔可以通過DIP 開關進行設置。單片機在進入睡眠方式前，關掉除自身外的所有外部電路的電源，以節約供電系統的能量。在睡眠方式時可通過單片機定時中斷激活進入工作方式，開啟所有外部電路電源開關，對發射測量電路軟件進行初始化，完成對溫度測量數值的采樣，并向無線接收顯示記錄電路發送測量數據。為了保證測溫精度，晶體生長爐內的籽晶溫度是通過S 型熱電偶把它轉換成模擬電信號。把該熱電偶輸出信號經放大器放大送至ICL7135 進行A/D轉換。ICL7135 是積分式4 位半A/D 轉換器，具有精度高、價格低、抗干擾能力強、速度適中等優點。數據采集處理過程如下:CPU 首先發送命令讓ICL7135 將模擬信號轉換成數字信號，并讀取它的A/D 轉換值，然后將它返回到熱電偶的mV 值，利用S 分度號的20 段折線線性化處理，得到當前時刻熱電偶對溫度測量的采樣值CT(n)。為了消除干擾，采用移動平均濾波技術，即通過CT=［CT(n)+CT(n－1)+CT(n－2)］/3 進行一階數字濾波得到的CT值作為該時刻的采樣真值。為了測量的準確，還要進行冷端溫度補償。假設當前冷端溫度值為CL，則實際的溫度值應為Cn=CT+CL，最后通過PT2262 無線發射芯片，送入315 MHz 無線發射天線向接收顯示電路發射Cn 值，發射完成后，關斷除CPU 外的其他設備電源，完成一次溫度的采樣發射過程，進入休眠狀態。當設定休眠時間到后，CPU 又被喚醒，接通外設電源開關，重復以上過程。

1.2 無線溫度傳感器接收電路設計

無線溫度傳感器接收電路硬件結構如圖3 所示。它由電源電路、單片機、無線接收芯片PT2272，RS－485 接口、按鍵及顯示電路等幾部分組成［6］。溫度接收電路的功能主要是完成接收發射電路送來的溫度信號，并把正確接收的溫度值保存在存儲器中，再通過顯示、記錄儀把數據顯示記錄下來，同時接收溫度電路還可以完成溫度上下限報警。具體結構包括四位數碼管顯示器、微型記錄儀、四個設定按鍵，PT2272 及無線接收模塊。通過按鍵可設定上限和下限報警溫度。通過RS—485 接口可以把接收的溫度數值上傳到上位機，通過上位機對溫度測量值進行進一步的分析處理，為爐溫控制系統進行有效的爐溫控制提供檢測信號。

圖3 無線溫度傳感器接收裝置結構Fig 3 Structure of wireless temperature sensor receiving device

1.3 無線溫度通信原理

該設計采用了無線收發編碼/解碼芯片組PT2262/2272，它是臺灣普城公司生產的低功耗、寬電壓(2.6 ～15 V)通用編解碼芯片。其與315 MHz 無線發射/接收模塊組成無線收發電路，采用18 引腳封裝，主要有地址編碼引腳、收發控制引腳和數據輸入/輸出引腳等。由于只進行一個溫度測量，故采用無線單工通信方式，即發射電路發送數據，接收電路接收數據［4］。

PT2262 和315 MHz 無線發射模塊構成數據發射電路，PT2262 編碼芯片發出的編碼信號碼段由地址碼、數據碼、同步碼組成。引腳14(TE)是編碼啟動引腳，用于多數據的編碼發射控制，低電平有效，接單片機的P1.1 引腳。引腳17(Dout)是編碼輸出端，輸出串行數據信號，它把單片機送到PT2262 的四位數據串行送到無線發射模塊。在引腳17為高電平期間，315 MHz 的高頻發射電路起振工作，并發射高頻等幅信號;在引腳17 為低平期間，315 MHz 的高頻發射電路停振，不工作，所以，高頻發射電路是否工作完全受控于PT2262 的17 引腳輸出的數字信號是0 還是1，從而可以對高頻電路實現幅度鍵控(ASK)調制，等同于100%的幅度調制。當14(TE)引腳編碼啟動端為高電平時，停止編碼輸出，17 引腳也為低電平，這時3I5 MHz 的高頻發射電路不工作。

PT2272 和315 MHz 無線接收模塊組成數據接收電路，PT2272 的引腳14(DIN)是串行信號輸入端，接收來自無線接收模塊的輸出信號。PT2272 的引腳17(VT)為解碼是否有效輸出端，高電平有效。當PT2272 解碼芯片接收到信號后，其地址碼經過兩次比較核對正確無誤后，17(VT)引腳輸出為高電平，同時相應的四位數據引腳也輸出有效數據。當單片機查詢到17(VT)引腳為高電平時，就從PT2272 讀取數據，并將此數據進行處理后保存、顯示或紀錄。

2 無線溫度軟件設計

為保證無線通信的可靠性，使無線發射電路和無線接收電路間的通信具有超強糾錯能力，本文采用模64 超強糾錯編碼，并設計發射電路每個溫度數據都要連續發射兩次。當接收電路接收到兩次的溫度測量值時進行校驗，只有模64 糾錯編碼完全正確，且兩次溫度值也相同時，才認為通信成功;否則，通信失敗，并要求發射電路重新發送數據。PT2262/2272 編碼通信方式是以1/2 個字節為基本單位方式進行的，數據包格式由字母E 開始，然后由8 個BCD 碼溫度值和校驗碼組成。通信數據包格式如下:

E BCD0 BCD1 BCD2 BCD3 BCD4 BCD5 BCD6 BCD7 CRC

其中，BCD0=BCD4 為個位，BCD1=BCD5 為十位，BCD2=BCD6 為百位，BCD3=BCD7 為千位，CRC 為校驗碼。

2.1 無線溫度發射電路的程序設計

程序流程圖如圖4 所示。溫度發射電路主程序在初始化后，打開外部電路電源，進入溫度數據測量處理過程，并把溫度測量結果連續發射兩次，然后進入定時睡眠狀態。睡眠方式可由定時中斷喚醒，中斷一次，主程序中定時中斷次數加1，并重新進人睡眠方式。當定時次數達到設定值后，程序跳轉到主程序起始位置，打開CPU 外部設備電源，重新進入溫度測量及發送過程，如此反復。

圖4 無線發射中斷服務程序流程圖Fig 4 Flow chart of interrupt service program of wireless transmission

2.2 無線溫度接收電路的程序設計

接收電路的程序包括主程序和中斷服務子程序兩部分。中斷服務程序框圖如圖5 所示。采用中斷方式進行數據接收，當PT2272 收到數據時，向單片機發出中斷請求，單片機響應中斷，接收數據，并對接收的溫度數據進行糾錯處理，上下限比較判斷等。當采集的溫度值Cn 大于上限溫度TH 或小于下限溫度TL 時，則發出上限報警或下限報警指示。當溫度值在設定范圍之內(即TL ＜Cn ＜TH)時，把收到的溫度值存儲、顯示和記錄。

圖5 無線接收中斷服務程序流程圖Fig 5 Flow chart of interrupt service program of wireless receiving

3 實驗分析

由于使用溫度在1 200 ℃左右，為了保證測量精度，減少測量次數，實驗測試溫度數據取900 ～1 500 ℃之間。為了真實地模擬實際測量情況，假定環境溫度為30 ℃，采用精密電位差計模擬S 分度號熱電偶的輸出電壓，實驗測試結果如表1 所示。

表1 無線溫度傳感器測試表Tab 1 Measuring sheet of wireless temperature sensor

表1 中輸入電壓是電位差計的輸出電壓信號，它的數值與鉑銠—鉑熱電偶在該溫度上的輸出電壓信號完全一樣，即電位差計輸出的電壓是鉑銠—鉑熱電偶熱端溫度與冷端溫度對應的電壓之差值。對測試結果進行計算分析證明:該設備測量精度高，絕對誤差±2 ℃，相對誤差不大于0.2%，滿足溫度測量誤差小于0.3%的精度要求。

4 結 論

經使用證明:該無線溫度傳感器工作可靠，性能穩定。完全達到設計要求。因溫度變化比較緩慢，采樣間隔取20 s，即20 s 測量發送一次溫度數據。大大節約了電池的能量。經測試，發射與接收電路間通信距離在50 m 內通信可靠，滿足實際的工程需要，稍加改進可以應用于不便布線的其他場合進行溫度測量和控制，也可用于其他生產設備的技術改造中，具有比較廣的應用價值。

［1］ Liu Juncheng，Song Dejie.Optimization of control parameters of cadmium zinc telluride Bridgman single crystal growth［J］.Crystal Research and Technology，2007，42(8):741－750.

［2］ 宋德杰，譚博學，韓 濤，等.碲鋅鎘單晶體生長參數的實時監控［J］.測控技術，2013，32(10):21－24.

［3］ 宋德杰.晶體生長參數的檢測與優化［J］.山東大學學報:工學版，2009，39(6):154－158.

［4］ 宋德杰，劉俊成.大直徑單晶體生長控制系統研究［J］.微計算機信息，2008，24(22):58－59.

［5］ 劉俊成，王友林，宋德杰，等.ACRT－Bridgman 法制備組份均勻的碲鋅鎘單晶體［J］.人工晶體學報，2008，37(6):1462－1467.

［6］ 李旺彥.燃氣采暖無線分布式智能測控系統的設計［J］.計算機測量與控制，2013，21(3):608－610.