基于嵌入式的高精度溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計

楊建

摘 要： 針對傳統(tǒng)分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)測溫精度較低、穩(wěn)定性較弱的弊端，設(shè)計基于TEC的嵌入式的高精度溫度傳感系統(tǒng)。設(shè)計系統(tǒng)的總體架構(gòu)，其由溫度傳感主板與溫度傳感子板構(gòu)成。用DS18B20溫度傳感器采集溫度信號，設(shè)計該溫度傳感器的結(jié)構(gòu)并設(shè)計基于LED的溫度顯示模塊，向用戶實時呈現(xiàn)溫度結(jié)果。系統(tǒng)邊緣濾波解調(diào)模塊由光路以及電路構(gòu)成，通過光路彌補光和溫度變化導(dǎo)致測溫誤差高的弊端，確保溫度測量結(jié)果更加精確。系統(tǒng)軟件部分詳細分析了系統(tǒng)溫度傳感器的解調(diào)方法，基于溫度傳感器中光纖的布里淵散射與瑞利散射強度受到來自噪聲與系統(tǒng)溫漂的影響，通過計算多個分段溫度的平均值獲取準確的溫度測量結(jié)果。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的系統(tǒng)在測溫精度和穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞： TEC； 傳感系統(tǒng)； 邊緣濾波； 溫度傳感器； 解調(diào)方法； 系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： TN253?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0044?04

Design of an embedded high?precision temperature sensing system based on TEC

YANG Jian

（School of Electrical and Electronic Information Engineering， Sichuan University Jinjiang College， Meishan 620860， China）

Abstract： In allusion to the disadvantages of low temperature measurement accuracy and poor stability of the traditional distributed optical fiber temperature sensing system， an embedded high?precision temperature sensing system based on TEC is designed. The overall architecture of the system is designed. The system is composed of the temperature sensing main?board and sub?board. The temperature signals are collected by using the DS18B20 temperature sensor. The structure of the temperature sensor and the temperature display module based on LED are designed to display temperature results to users in real time. The edge filtering demodulation module of the system is composed of the optical path and circuit. The optical path is used to compensate for the big temperature measurement errors caused by light and temperature variation， so as to ensure the temperature measurement results to be more accurate. In the software part of the system， the demodulation method for the temperature sensor of the system is analyzed in detail. Based on the fact that the Brillouin scattering and Rayleigh scattering intensities of the optical fiber in the temperature sensor are influenced by noises and the temperature drift of system， the average value of each segmented temperature is calculated to obtain the accurate temperature measurement results. The experimental results show that the designed system has a significant advantage in the aspects of temperature measurement accuracy and stability.

Keywords： TEC； sensing system； edge filtering； temperature sensor； demodulation method； system design

傳感器是一種先進的信息技術(shù)，特別是溫度傳感器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境、軍事以及探測等領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價值。對環(huán)境溫度的檢測以及控制應(yīng)用范圍廣，采用數(shù)字溫度傳感器設(shè)計不同傳感系統(tǒng)日益成為學(xué)者關(guān)注的重點。某些領(lǐng)域?qū)囟染染哂休^高的要求，當前的溫度傳感器系統(tǒng)無法滿足需求。因此，設(shè)計高精度溫度傳感器系統(tǒng)成為當前傳感控制領(lǐng)域發(fā)展的新方向[1]。

為了滿足相關(guān)行業(yè)的技術(shù)需求，彌補傳統(tǒng)分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)測溫精度較低、穩(wěn)定性較弱的弊端，研發(fā)高精度、穩(wěn)定性強的溫度傳感系統(tǒng)勢在必行。本文設(shè)計的基于嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)解決了上述問題。

1 基于TEC的嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計基于TEC（半導(dǎo)體制冷器）的嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)。溫度傳感主板與溫度傳感子板共同構(gòu)成了本文系統(tǒng)的主體。各路子板獲取電源、溫度傳感信號以及溫度設(shè)置信號等信息是通過主板來實現(xiàn)的。子板獲取到相應(yīng)的信號信息之后，開始執(zhí)行控制TEC溫度的命令，達到控制匹配光柵溫度的目的[2]。通過把匹配光柵用鐵質(zhì)封裝片依附在TEC上，且保存在密封材料中的方式確保其免遭周圍不確定因素的干擾。為了讓TEC能夠正常發(fā)揮其制冷的功能，在其熱端安裝了散熱器。

LTC1923是子板的核心部分，TEC是子板的溫度控制終端。溫度顯示模塊、邊緣濾波解調(diào)模塊、DS18B20溫度傳感器、以及放大電路共同構(gòu)成了溫度控制子板的主體。A/D轉(zhuǎn)換器的溫度設(shè)定值與TEC端面當前溫度的差值被LTC2053構(gòu)成的差值放大電路進行擴大后輸送給LTC1923的補償電路。將得到的輸出和LTC1923三角波信號進行對比獲取到脈寬調(diào)制信號。經(jīng)過該脈寬調(diào)制信號的計算并且擴大來獲取一定的驅(qū)動信號。驅(qū)動功率H橋電路的運轉(zhuǎn)依賴于該驅(qū)動信號的作用[3]，以此實現(xiàn)TEC端面的溫度控制。

1.2 DS18B20溫度傳感器設(shè)計

本系統(tǒng)采用的是DS18B20新型智能溫度傳感器，其低成本、組裝簡便、高精度以及無需A/D轉(zhuǎn)換等優(yōu)點彌補了傳統(tǒng)溫度傳感器接收信號布置復(fù)雜、易受外界干擾的弊端。但其抗腐蝕性較低，好在可以通過與外界易腐蝕因素隔絕的方式解決此問題[4]。

由于溫度的變化不會影響到低溫度系數(shù)晶振的震蕩頻率，因此固定頻率脈沖信號的形成得以實現(xiàn)。將此信號輸入到計數(shù)器1中，高溫度性質(zhì)系數(shù)晶振的震蕩率會隨著溫度的變化而改變，計數(shù)器2的輸入正來源于此。預(yù)置計數(shù)器1與溫度寄存器在-55 ℃相應(yīng)的基數(shù)值中，輸入到計數(shù)器1的脈沖信號將被實施減法運算，通過對低溫度系數(shù)晶振輸入到計數(shù)器1的脈沖信號實施減法運算的方式來保證計數(shù)器1的預(yù)設(shè)值減少為0；溫度寄存器所得到的數(shù)值是加1，這是應(yīng)對計數(shù)器1的預(yù)設(shè)值進行重新設(shè)置，低溫度系數(shù)晶振的脈沖信號又被重新輸入到計數(shù)器1中開始實施運算。這一過程不斷循環(huán)直到計數(shù)器2也為0，此時溫度寄存器的累計加和應(yīng)馬上終止，獲取的顯示數(shù)值即當下實際測量溫度[5]。

1.3 溫度顯示模塊設(shè)計

溫度顯示模塊在本文系統(tǒng)中發(fā)揮著溫度顯示作用[6]。溫度顯示是通過LED來實現(xiàn)。LED通過段碼和位碼進行劃分。LED顯示出“8”的8位數(shù)據(jù)的功能要歸功于段碼，具體步驟是：采用譯碼電路把輸入的4位二進制數(shù)轉(zhuǎn)化為與LED顯示相一致的8位段碼。LED的顯示使能端要依靠位碼來實現(xiàn)。通過循環(huán)掃描不同LED的方式確保使能各LED的情況下，輸入想要顯示的數(shù)據(jù)對應(yīng)的8位段碼，就能達到8個LED共同顯示數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

1.4 邊緣濾波解調(diào)模塊設(shè)計

1.4.1 邊緣濾波模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

邊緣濾波解調(diào)模塊在光和溫度變化的影響下[7]，本文系統(tǒng)的測量溫度功能會受到一定的影響。為解決這一問題，引入了光路作為邊緣濾波解調(diào)模塊的一部分。光路以及電路部分構(gòu)成了整個調(diào)節(jié)模塊的主體。寬帶光源、耦合器、傳感器、邊緣濾波器構(gòu)成了光路部分；光電探測器、濾波電路、光電轉(zhuǎn)化器、DPS處理電路、顯示電路以及鍵盤控制電路構(gòu)成了電路部分，如圖1所示。

1.4.2 邊緣濾波解調(diào)原理

Melle在1992年創(chuàng)立了一種線性邊緣率比解調(diào)系統(tǒng)，又被稱為分束非平衡濾波法。設(shè)置邊緣濾波器輸出光強的變化量為[ΔI]，波長漂移量為[λ-λ0]，兩者為正比關(guān)系，詳細函數(shù)如下：

[Fλ=Aλ-λ0] （1）

式中：[A]為邊緣濾波器的斜率；[λ0]為截止波長；[λ]為輸入邊緣濾波器的光波波長。

1.5 系統(tǒng)溫度傳感器解調(diào)方法

在本文設(shè)計的基于嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)中，布里淵散射信號的頻率以及強度會受到溫度的作用。為獲取沿光纖的溫度排列，本文采用了光時域反射儀。在信號解調(diào)的過程中，采用結(jié)構(gòu)簡單靈活且依賴于強度的解調(diào)系統(tǒng)光路作為其中部分。光纖自發(fā)布里淵散射信號中斯托克與反斯托克兩者的總強度為：

[IB（l）=IR（l）T（l）Tfρv2aβT-1] （2）

式中：[IB（l）]，[IR（l）]表示光纖的自發(fā)布里淵散射與瑞利散射強度；[T（l）]，[Tf]，[βT]，[ρ]和[va]分別表示光纖中某點的溫度、材料構(gòu)型平衡溫度、等溫壓縮系數(shù)、材料密度和聲速。分析式（2）可得，溫度與應(yīng)變的函數(shù)是自發(fā)布里淵散射強度，其中應(yīng)變對溫度的影響要強于對強度的影響。在光纖所受應(yīng)變是零或者均勻的情況下，應(yīng)使用光纖的瑞利光時域反射儀曲線來解調(diào)布里淵散射光時域反射儀曲線[8]，以獲取沿光纖的溫度排列。

2 實驗分析

2.1 系統(tǒng)精確度檢測

為了驗證本文設(shè)計的基于嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)測量溫度的精確度，將本文系統(tǒng)采用的傳感器與數(shù)字傳感器進行參考實驗（此處采用的數(shù)字傳感器精度是0.25 ℃，精確度極高）。將兩種不同的傳感器同時放置在恒溫水槽內(nèi)[9]，對其實施升溫、降溫操作，提高了實驗的真實性以及可信度。兩者在水槽內(nèi)的詳細溫度變化如圖2所示。數(shù)字傳感器的溫度測量狀況用虛線表示，本文系統(tǒng)采用的傳感器溫度測量狀況用實線表示。圖1清晰地顯示，兩條線上下走勢相差無幾，吻合度相當高，表明本文設(shè)計的基于嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)精確度極高。

2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性檢測

為了驗證本文設(shè)計的基于嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)穩(wěn)定性，對其進行了實驗分析。實驗步驟如下：將本文系統(tǒng)使用的溫度傳感器放置在水槽中，為保證實驗的準確性令水溫長時間穩(wěn)定在65 ℃不變，這段期間內(nèi)準確地記錄所得數(shù)據(jù)，仔細觀察傳感器的穩(wěn)定性[10]。圖3詳細描述了傳感器溫度曲線變化，不難看出，實驗每隔104 s記錄一次數(shù)據(jù)，共記錄3個104 s，總時長大于8 h，測試溫度是65 ℃，傳感器的溫度波動均小于0.1 ℃。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的基于嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)穩(wěn)定性極強。

2.3 恒溫箱測溫檢測

為了檢測本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的實測溫度情況，將本文系統(tǒng)采用的傳感器與傳統(tǒng)系統(tǒng)采用的傳感器同時分三次放置在恒溫箱內(nèi)，每段時間內(nèi)設(shè)置恒溫分別為298 K，進行對比實驗，實驗結(jié)果如表1所示。

從實驗數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出：本文系統(tǒng)采用的傳感器的測量誤差均小于0.3 K；分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)采用的傳感器測量誤差均在1 K以上；本文系統(tǒng)的測量結(jié)果與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比更接近于平均值。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的基于嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)具有測量精度高、誤差小的優(yōu)勢。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計的基于TEC的嵌入式高精度溫度傳感系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)測量溫度情況不穩(wěn)定、誤差大等弊端，為現(xiàn)代水利工程建設(shè)、電力設(shè)施的發(fā)展提供了新的測量手段。

參考文獻

[1] 司禹，馮鵬，于雙銘，等.基于RFID溫度標簽的嵌入式溫度監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（7）：57?59.

SI Yu， FENG Peng， YU Shuangming， et al. Embedded temperature monitoring system based on RFID temperature tag [J]. Application of electronic technique， 2016， 42（7）： 57?59.

[2] 劉智超，楊進華，王高.FBG測溫系統(tǒng)的光譜校正算法的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2014，34（7）：1793?1796.

LIU Zhichao， YANG Jinhua， WANG Gao. Research on spectrum correction algorithm of temperature measurement system based on FBG [J]. Spectroscopy and spectral analysis， 2014， 34（7）： 1793?1796.

[3] ZHENG Z B. Design of food temperature and humidity monitoring system based on wireless multimedia sensor network [J]. Advance journal of food science & technology， 2015， 8（9）： 662?665.

[4] 楊韞鐸，康娟，徐賁，等.基于掃描激光器的邊孔光纖光柵溫度壓力傳感系統(tǒng)[J].光子學(xué)報，2016，45（6）：24?29.

YANG Yunduo， KANG Juan， XU Ben， et al. Temperature and pressure sensing system of side hole fiber grating based on scanning laser [J]. Acta photonica sinica， 2016， 45（6）： 24?29.

[5] 趙宇佳，姜漢鈞，張羊，等.一種超低功耗高精度溫度傳感器芯片設(shè)計[J].微電子學(xué)與計算機，2015，32（12）：40?43.

ZHAO Yujia， JIANG Hanjun， ZHANG Yang， et al. A novel ultra?low power temperature sensor IC with high precision [J]. Microelectronics & computer， 2015， 32（12）： 40?43.

[6] 陳暉，景為平.一種面向無源RFID的新型高精度溫度傳感器[J].微電子學(xué)，2016，46（2）：239?242.

CHEN Hui， JING Weiping. A novel high precision temperature sensor for passive RFID applications [J]. Microelectronics， 2016， 46（2）： 239?242.

[7] 劉童，陳華，邱僅朋，等.星載溫度傳感控制芯片的自動測試系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2016，29（9）：1449?1456.

LIU Tong， CHEN Hua， QIU Jinpeng， et al. An automatic test system for a spaceborne chip of a temperature?sensing controller [J]. Chinese journal of sensors and actuators， 2016， 29（9）： 1449?1456.

[8] SONG H Y， LEE K H， LEE J W. A design of infant′s body temperature sensing system based on embroidery textile conductive wire [J]. Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers， 2016， 65（5）： 862?867.

[9] 李家榮.高精度溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用研究[J].量子電子學(xué)報，2016，33（5）：614?617.

LI Jiarong. Design and application of high precision temperature control system [J]. Chinese journal of quantum electronics， 2016， 33（5）： 614?617.

[10] 金艷云，李紅兵，崔榮華，等.基于填充混合液體的六邊形光子晶體光纖的溫度傳感[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2016，42（6）：168?172.

JIN Yanyun， LI Hongbing， CUI Ronghua， et al. Temperature sensing of hexagonal photonic crystal fiber filled with mixed liquid [J]. Journal of Lanzhou University of Technology， 2016， 42（6）： 168?172.