【文章內容簡介】 圖 23 中詳細介紹了本系統(tǒng)在設計與制作過程中所使用到的 LPC2103 核心板，該核心板將 48 個管腳的 LPC2103 芯片制作為直插式的電路板，方便在調試中拆卸與安裝，能夠保護芯片，延長使用壽命 。 6 溫度測量方案 溫度是表征物體冷熱程度的物理量，它在工業(yè)自動化、家用電器、環(huán)境保護、安全生產和汽車工業(yè)等行業(yè)中都是基本的檢測參數(shù)之一。溫度是溫度監(jiān)控系統(tǒng)中最基本、最為核心的衡量指標，也是測溫系統(tǒng)中最為重要的測控參數(shù)，因此對 溫度進行準確的檢測一直是一個重要的研究課題。因此，測量溫度的儀器在測溫系統(tǒng)中占有至關重要的地位。隨著國內外科技的發(fā)展，溫度測量技術不斷提高。目前各種溫度測量方法種類繁多，應用范圍廣泛，主要包括以下幾種： (1) 傳統(tǒng)的利用物體熱脹冷縮原理的方法。水銀溫度計至今仍然廣泛應用于各種溫度測量場合?？墒撬娜秉c是只能近距離觀測，易碎，而且有毒。代替它的有填充酒精、煤油等玻璃溫度計和利用金屬不同的膨脹系數(shù)制成的金屬片溫度計，它們的缺點都是測量精度很低。 (2) 利用熱電效應的方法。此方法制成的溫度檢測元件主要是熱電偶 。熱電偶發(fā)展較早，比較成熟，至今仍為應用最廣泛的檢測元件。熱電偶具有結構簡單、制作方便、測量范圍寬、精度高、熱慣性小等特點。它的缺點是線性不好，冷端需要溫度補償。 (3) 利用熱阻效應的方法。利用該方法的測溫元件大致有電阻測溫元件、導體測溫元件和陶瓷熱敏元件。其中電阻測溫元件是利用感溫元件的電阻隨溫度變化的性質，將電阻的變化值用顯示儀表反映出來，達到測溫的目的。這類元件如銅電阻、鎳電阻、鉑電阻等，它們的特點是穩(wěn)定性好、耐高溫，如鉑電阻有的可達六、七百度。但它們的缺點是當傳輸線路長短不等時，需要進行溫度補償。 (4) 利用熱輻射原理。熱輻射高溫計通常分為單色輻射高溫計和全輻射高溫計。它的原理是物體受熱輻射后，視物體本身的性質，能將其吸收、透過或反射。而受熱物體放出的輻射能的多少，與它的溫度有一定的關系。 (5) 利用聲學原理的測量方法。近年發(fā)展起來的聲學溫度檢測技術，可以對爐內的煙氣溫度測量值和火焰分布在線檢測，判斷爐的燃燒狀況，進行實時調節(jié)和控制。其基本原理是通過測量聲波傳感器間的聲波傳播時間以最小二乘原理重建溫度的測量方法。 (6) 晶體管測溫器件。半導體的電阻溫度系數(shù)比金屬大 1～ 2個數(shù)量級，二極管和三極管 的 PN結電壓、電容對溫度靈敏度很高。由此制成的這類器件的優(yōu)點是在 7 50℃ ~+150℃范圍內有良好的特性，體積小、響應時間快、價格低。但它的缺點是一致性差、不易做到互換，而且 PN結容易受外界輻射的影響，穩(wěn)定性難以保證。 (7) 光纖溫度檢測技術。在常規(guī)辦法無法測量的場合，光纖測溫得到快速發(fā)展，已開發(fā)了開關式溫度檢測器、輻射式溫度檢測器等多種實用型的品種。檢測精度在177。 1℃以內，測溫范圍可以從絕對 0℃ ~20xx℃。 (8) 激光溫度檢測技術。激光測溫特別適于遠程測量和特殊環(huán)境下的溫度測量。用氦氖激光源的激光作反射 計，可測很高的溫度，精度達 ℃；用激光干涉和散射原理制作的溫度檢測器可測量更高的溫度，上限可達 +3000℃，專門用于核聚變研究，但在工業(yè)上應用還需進一步開發(fā)和實驗。 (9) 微波溫度檢測器是利用在不同溫度下，溫度與控制電壓成線性關系的原理制成的。這種檢測器的靈敏度為 250kHz／℃，精度為 l％左右， 熱電偶 發(fā)展較早，比較成熟，至今仍為應用最廣泛的檢測元件。熱電偶具有結構簡單、制作方便、測量范圍寬、精度高、熱慣性小等特點。它的缺點是線性不好，冷端需要溫度補償。 (10) 近年來，隨著微電子技術、計算機技術 和自動測試技術的發(fā)展，人們開發(fā)出將溫度傳感器和數(shù)字電路集成在一起的新型數(shù)字式集成溫度傳感器。數(shù)字式溫度傳感器內部一般都包含溫度傳感器、 A／ D轉換器、信號處理器、存儲器 (或寄存器 )和接口電路，有的產品還帶多路選擇器、中央控制器 (CPU)、隨機存取存儲器 (RAM)和只讀存儲器 (ROM)。與模擬傳感器相比，數(shù)字式傳感器在精度、分辨率、可靠性、抗干擾能力以及器件微小化方面都有明顯的優(yōu)點，而且，輸出的溫度數(shù)據和相關的溫度控制量可以適配各種微控制器。但是受半導體器件本身限制，數(shù)字式傳感器還存在一些不足。比如測溫范圍不寬 ，一般為 +50℃ ~+150℃。由于簡化了硬件外圍電路使得軟件設計變得更為復雜。 LM35 是一種得到廣泛使用的 溫度傳感器 。由于它采用內部 補償 ，所以輸出可以從 0℃ 開始 。 在常溫下， LM35[3]不需要額外的校準處理即可達到 177。 1/4℃ 的準確率。其電源供 應模式有單電源與正負雙電源兩種，單電源模式在 25℃ 下靜止電流約 50μ A，工作電壓較寬，可在 4— 20V 的供電電壓范圍內正常工作非常省電 ；另外， 工作電壓 在 4～ 30V 時 ， 芯片 從電源吸收的電流幾乎是不變的（約 50μ A），所以芯片自身幾乎沒有 散熱 的問題。這 么小的電流也使得該芯片在某些應用中特別適合，比如在 電池 供電的場合中，輸出可以由第三個引腳取出，根本無需校準。基于本設計需要精度高、可靠性強、器件體積小的器件，同時又考慮到價格上的因素，最終選擇 LM35 溫度傳感器來采集溫度數(shù)據。 8 數(shù)據無線傳輸方案 隨著網絡和通信技術的迅速發(fā)展，無處不在的網絡終端、以人為本、個性化、智能化的移動計算以及方便快捷的無線接入、無線互聯(lián)等新概念和新的產品 ，已經逐漸融入人們的日常生活和工作領域。 隨著而來的便攜式終端以及無線通信技術得到了極大的發(fā)展并在我們的日常生活中得到了廣泛的應用，目前應用廣泛的無線通信技術主要有 GSM＼ CDMA＼GPRS、 、藍牙、 IrDA、 、 ZigBee、 UWB、微功率短距離無線通信技術等。 以上列出了五種常用的無線通信方式，這些通信方式各有優(yōu)點，各有不同的適用范圍，下面針對它們的使用范圍和各自特點進行比較。 IrDA是一種視距傳輸技術，通信設備中間不能有任何阻擋物，通信設備的位置也需要相對固定 ，不適宜用于移動數(shù)據傳輸；其次， IrDA只能實現(xiàn)點對點的無線通信，不能完成點對多點的無線通信；最后， IrDA設備的核心器件 —— 紅外 LED容易損壞，因而設備壽命有限。 IEEE 802． 1lx無線局域網技術基于計算機網絡技術發(fā)展而來，是專門針對計算機網絡通訊而設計的無線通訊技術，其有效傳輸距離為 50米，傳輸速率為 11M—54M不等，經常應用于企業(yè)學校等場所。 IEEE ，協(xié)議實現(xiàn)對硬件要求較高，因此基于 IEEE 備的成本較高，安裝調試 復雜、維護困難。 藍牙 (Blue Tooth)技術專門為近距離無線數(shù)據傳輸而設計，其有效傳輸距離為10米，傳輸速率為 10M。從藍牙 (Blue Tooth)技術正式公布到現(xiàn)在，藍牙 (Blue Tooth)技術一直沒有得到預期的大范圍的應用，是因為其芯片以及開發(fā)設備價格相對高。 基于 GSM＼ CDMA＼ GPRS無線通訊網絡的數(shù)據傳輸技術是近幾年發(fā)展起來的一種新型的無線數(shù)據傳輸技術，該技術依托于 GSM＼ CDMA＼ GPRS無線通訊網絡進行無線數(shù)據傳輸，因此其沒有傳輸距離的限制，只要 GSM＼ CDMA＼ GPRS無線通訊網 絡覆蓋的地區(qū)均可以進行無線數(shù)據傳輸?；?GSM＼ CDMA＼ GPRS無線通訊網絡的數(shù)據傳輸技術的傳輸速率為 10KB~60KB，由于其利用 GSM＼ CDMA＼GPRS無線通訊網絡進行無線數(shù)據傳輸，因此其運營成本較高。 基于嵌入式 的 射頻無線收發(fā)的無線數(shù)據傳輸技術是近幾年發(fā)展起來的一種無線數(shù)據傳輸技術，其核心技術是 無線收發(fā)技術 。嵌入式射頻無線收發(fā)一體型 9 芯片是國外各大公司近年來推出的一種新型無線傳輸芯片，該芯片將信號調制、發(fā)射、接收、數(shù)字電路接口等 功能集成在一枚芯片中，具有價格低廉、外圍電路簡單、體積小巧、通訊可靠性高、抗干擾能力強、傳輸速率快、低耗節(jié)能等諸多優(yōu)點。同時，嵌入式無線射頻收發(fā)一體型芯片普遍采用了標準的數(shù)字通訊接口，如 SPI， UART 等，可以很方便的與 DSP 或單片機等微處理器芯片結合使用?；谇度胧綗o線射頻收發(fā)一體型芯片的上述優(yōu)點，采用嵌入式無線射頻收發(fā)一體型芯片技術解決低速率無線數(shù)據傳輸問題是比較理想的解決方案。通過無線射頻收發(fā)一體型芯片與單片機或 DSP 的結合使用，再在數(shù)據傳輸過程中配合先進的通訊協(xié)議數(shù)據處理算法實現(xiàn)糾錯、校驗以及加密等 功能，可滿足無線數(shù)據傳輸?shù)囊蟆? 圖 23 nrf24L01 無線收發(fā)模塊 nrf24L01[4]是一款新型單片射頻收發(fā)器件 ， 工作于 GHz～ GHz ISM 頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊 ， 并融合了增強型 ShockBurst 技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。 nRF24L01功耗低 ， 在以 6 dBm的功率發(fā)射時 ， 工作電流也只有 9 mA； 接收時，工作電流只有 mA，多種低功率工作模式 (掉電模式和空閑模式 )使節(jié)能設計更方便。 基于價格、體積、抗干 擾能力、功耗等方面的考慮，本設計使用的是云佳科技公司的nrf24L01 無線收發(fā)模塊。 10 3 系統(tǒng)硬件設計 電源模塊 +C510u+C610uR90RDP1V8D2LEDR101KDP1V8C4GND1VOUT2VIN34U2DP3V3C3+C110u+C210uR80RR70RDP3V3GND1VOUT2VIN34U1+5VD14007Vin1_111_22NC3NC42_152_26BT1BUTTONPOWERDP3V3 圖 31 電源模塊 由于 LPC2103 需要 和 雙電源供電， 所以在本系統(tǒng)的電源模塊主要由兩部分組成，一部分首先將輸入電壓變?yōu)?，另一部分再將 電壓進一步變?yōu)?； 為增強該系統(tǒng)的可移動性， POWER 接口 選擇 了 三節(jié) 干 電池組成的 直流電源輸入， D1 為 4007 二極管，防止正負極反接燒壞電路，然后接入，將電壓轉換為 ， C C C C C C6 為濾波電容 ，由于電源模塊部分為直流電源，所以選擇 10μ 的電容作為濾波電容 ；同理，將 電壓接入 ，將電壓轉換為 ， D2 為電源指示燈 ，點亮時電路接通 。 11 溫度采集模塊 123J2LM35R13 1KC10104DP3V3P0_24R14 1KC12104 圖 32 溫度采集模塊 該模塊 的作用是采集環(huán)境溫度，并將其傳送給 LPC2103 核心板； 管腳 1 作為輸入 端 接 電源，管腳 2 作為輸出 端 與 LPC2103 核心板 的 口 相連接，管腳 3 接地 ，為防止電流過大燒壞 LPC2103，在管腳 1 和 管腳 2 各接入一個 1K 的電阻 ， C10 與 C12 為 濾波電 容 ，該模塊也為直流電路，所以選擇 104 作為濾波電容 。 無線收發(fā)模塊 12345678JP4nrf24l01C13104P0_4P0_6P0_5P0_14P0_17 P0_16DP3V3 圖 33 無線收發(fā)模塊 該部分為 nrf24L01 無線收發(fā)模塊， 在發(fā)射端 中的作用是將 LM35 傳感器 采集到 的溫度發(fā)送給接收 端的 nrf24L01，然后 LPC2103 在接收端 再通過串口發(fā)送給上位機，在接收板中的作用是接受發(fā)送板發(fā)送的數(shù)據 ；其中管腳 1 接地，管腳 2 接 12 電源， C12 為濾波電容，管腳 3 作為 CE 端與 口直接相連，管腳 4 作為 CSN端與 直接相連，管腳 5， 6， 7 分別為 SPI 功能 的 SCK， MOSI， MISO 接口 ，應該與 LPC2103 上的 SPI 接口一一對應，根據圖 22