CN103759850A - 一种微功耗智能数字温度计及温度测量方法 - Google Patents

一种微功耗智能数字温度计及温度测量方法 Download PDF

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Abstract

一种微功耗智能数字温度计及温度测量方法，属于工业温度测量设备领域。其特征在于：包括供电单元与数据处理单元，数据处理单元包括依次相连的偏置采样模块、AD转换模块、中央处理单元、显示模块。包括如下步骤：1、系统初始化；2、启动偏置采样模块；3、启动AD采样；4、中央处理单元判断采样是否结束：5、偏置采样模块关断；6、启动AD转换；7、中央处理单元判断是否转换结束；8、AD休眠；9、数据读取，滤波；10、AD关断；11、数据计算，查表；12、显示模块进行显示；13、显示刷新时间判断；14、中央处理单元休眠；15、中央处理单元判断是否已到休眠时间。本发明具有微功耗、精度高、稳定性好的优点。

Description

一种微功耗智能数字温度计及温度测量方法
技术领域
一种微功耗智能数字温度计及温度测量方法，属于工业温度测量设备领域。具体涉及一种精度高、稳定性好且微功耗的数字温度计及温度测量方法。
背景技术
目前，在工业测温领域，主要应用仪表有两类，一类是双金属温度计，另一类是传统的4～20mA输出的模拟仪表。双金属温度计具有精度低、稳定性差、读数不方便等缺点；对于传统的4～20mA输出的模拟仪表，温度传感器由一个恒流源提供偏压，其两端的压降通过一个仪表放大器进行信号的调理，这就需要昂贵的恒流源、多个电阻电容以及几个运算放大器或独立的仪表放大器，需要低噪声且稳定的系统来进行校准，还需要操作工在生产时进行优化，这种模拟测量技术成本高、精度低，此类仪表还有一个缺点就是需要外部提供24V直流电源，很大程度上受现场条件的制约。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种微功耗、精度高、稳定性好的微功耗智能数字温度计及温度测量方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该微功耗智能数字温度计，包括：供电单元以及数据处理单元，其特征在于：供电单元与数据处理单元连接并为其供电，所述的数据处理单元包括依次相连的偏置采样模块、AD转换模块、中央处理单元以及显示模块。
所述的供电单元包括电源、第一电源模块以及第二电源模块，电源同时与第一电源模块以及第二电源模块相连，第一电源模块与所述的偏置采样模块相连并为其供电，第二电源模块与所述的AD转换模块、中央处理单元以及显示模块相连并为其供电，中央处理单元同时与第一电源模块相连。
所述的偏置采样模块包括限流电阻Rx，偏置电阻RP以及温度传感器RTD，电源VDD依次串联限流电阻RX，偏置电阻RP以及温度传感器RTD后接地，自限流电阻RX和偏置电阻RP之间引出作为AD转换模块的参考电源的电压VREF；自偏置电阻RP和温度传感器RTD之间引出作为AD转换模块的输入正极的电压VIN+；AD转换模块的输入负极VIN-接地。
设置有与所述中央处理单元相连的用于设置刷新频率的显示刷新模块，所述的第二电源模块与显示刷新模块相连。
所述的显示刷新模块包括电阻R1~R4以及两位的拨码开关S1，拨码开关S1的一位开关一端同时并联电阻R1的一端和中央处理单元的26脚，另一端通过电阻R3接地；拨码开关S1的另一位开关同时并联电阻R2的一端和中央处理单元的25脚，电阻R1~R2的另一端同时连接第二电源模块的电压输出端。
所述的电源为电池。
所述的第一电源模块型号为TC1016；所述的第二电源模块型号为MCP1700；所述的AD转换模块型号为MCP3551。
所述的中央处理单元采用PIC18F2XK20系列单片机。
一种微功耗智能数字温度计的温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1001，系统初始化；
中央处理单元对各硬件进行初始化；
步骤1002，启动偏置采样模块；
中央处理单元向第一电源模块发出控制信号，第一电源模块开始工作为偏置采样模块供电，偏置采样模块得电开始工作；
步骤1003，启动AD采样；
中央处理单元控制AD转换模块对偏置采样模块进行采样；
步骤1004，中央处理单元判断采样是否结束：
中央处理单元判断采样是否结束，如果结束采样，执行步骤1005，如果未结束采样，返回步骤1003；
步骤1005，偏置采样模块关断；
中央处理单元控制第一电源模块停止工作，偏置采样模块失电停止工作；
步骤1006，启动AD转换；
中央处理单元控制AD转换模块对采样得到的数值进行模数转换；
步骤1007，中央处理单元判断是否转换结束；
中央处理单元判断是否转换结束，如果转换结束，执行步骤1008，如果转换未结束，返回步骤1006；
步骤1008，AD休眠；
AD转换结束之后，AD转换模块进入休眠状态；
步骤1009，数据读取，滤波；
中央处理单元读取AD转换模块转换得到的数据，并进行滤波处理；
步骤1010，AD关断；
中央处理单元控制AD转换模块关断，停止工作；
步骤1011，数据计算，查表；
中央处理单元根据AD转换模块转换得到的数据计算温度传感器的阻值RRTD-，并根据温度传感器的阻值RRTD通过查表得到对应的温度值；
步骤1012，显示模块进行显示；
中央处理单元将查表得到的温度值送至显示模块进行显示；
步骤1013，显示刷新时间判断；
中央处理单元判断显示刷新模块设置的显示刷新频率，并根据显示刷新频率进行刷新显示；
步骤1014，中央处理单元休眠；
中央处理单元进入休眠状态；
步骤1015，中央处理单元判断是否已到休眠时间；
中央处理单元判断是否已到休眠时间，如果未到休眠时间，返回步骤1014，如果已到休眠时间，返回步骤1002。 
与现有技术相比，本发明的所具有的有益效果是：
1、本发明的一种微功耗智能数字温度计及温度测量方法内的中央处理单元采用低功耗芯片，同时设置有第一电源模块和第二电源模块，其中第一电源模块为间歇式工作模式，达到整个温度计微功耗的目的，提高了电池的寿命。
2、设置有与AD转换模块相连的偏置采样模块，AD转换模块在进行采样时省去了参考电源带来的误差，使测量精度更高，同时稳定性更好。
3、通过显示刷新模块内的拨动开关可修改显示模块的显示刷新频率，方便快捷。
4、AD转换模块以及中央处理单元均设置有休眠模式，进一步降低了功耗。
5、采用电池供电，省却了现场布线的不便，同时便于维护。
附图说明
图1为微功耗智能数字温度计原理方框图。
图2为微功耗智能数字温度计偏置采样模块原理图。
图3为微功耗智能数字温度计的电路原理图。
图4为微功耗智能数字温度计的温度测量方法流程图。
具体实施方式
图1~4是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~4对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明的一种微功耗智能数字温度计包括：电池、第一电源模块、第二电源模块、偏置采样模块、AD转换模块、中央处理单元、显示模块以及显示刷新模块。电池同时与第一电源模块和第二电源模块相连，第一电源模块与偏置采样模块相连，第二电源模块同时与AD转换模块、中央处理单元、显示模块以及显示刷新模块相连，偏置采样模块、AD转换模块、中央处理单元以及显示模块依次相连，显示刷新模块与中央处理单元相连，中央处理单元同时与第一电源模块相连。温度传感器集成于偏置采样模块内。
偏置采样模块连接AD转换模块为AD转换模块提供输入信号和参考电压。AD转换模块连接中央处理单元将AD转换后的数据输入到中央处理单元进行处理。中央处理单元连接显示模块将处理完的数据送至显示模块进行显示。显示刷新模块连接中央处理单元通过显示刷新模块内的拨码开关配置不同的显示刷新时间。第一电源模块连接偏置采样模块为其提供稳定的工作电压。第二电源模块分别为AD转换模块、中央处理单元以及显示模块提供稳定的工作电压。电池分别连接第一电源模块和第二电源模块为整个电路提供工作电源。在本发明中，显示刷新模块内的拨码开关采用两位拨码开关，可以形成4种不同的排列组合模式，中央处理单元通过该4种不同的排列组合模式对应设置有4种不同的显示刷新频率，可以根据需要自行设置，避免了单一刷新频率带来的不便，同时可根据需要设置其他位数的拨动开关，以增加或减少显示刷新频率的数量。第一电源模块为间歇式工作模式，由中央处理单元对其工作状态进行控制当需要第一电源模块进行工作时，中央处理单元通过与第一电源模块相连的输出端口向第一电源模块输出控信号，第一电源模块开始工作，否则第一电源模块处于关断状态，从而降低了整个微功耗智能数字温度计的功耗，延长了使用时间。在本发明中，第一电源模块和第二电源模块均为微功耗LDO芯片，其中第一电源模块的型号为TC1016，第二电源模块的型号为MCP1700，第二电源模块为持续式工作模式。
如图2所示，偏置采样模块包括限流电阻RX，偏置电阻RP以及温度传感器RTD，电源VDD依次串联限流电阻RX，偏置电阻RP以及温度传感器RTD后接地。自限流电阻RX和偏置电阻RP之间引出电压VREF与AD转换模块相连，作为AD转换模块的参考电源端；自偏置电阻RP和温度传感器RTD之间引出电压VIN+与AD转换模块相连，作为AD转换模块的输入正极；AD转换模块的输入负极VIN-接地。电源VDD即为第一电源模块的输出电压。
由图2可知，温度传感器RTD两端的电压VRTD如公式（1）所示：
                       VRTD=VREF(                                                
Figure 201410021963X100002DEST_PATH_IMAGE001
)=VREF(
Figure 431576DEST_PATH_IMAGE002
)                    （1）
其中：VRTD为温度传感器RTD两端的电压，VREF为AD转换模块的参考电压，
Figure 201410021963X100002DEST_PATH_IMAGE003
为温度传感器RTD的电阻值，RP为偏置电阻RP的电阻值，Code为AD转换模块的输出数据，n为AD转换模块（有符号位）的位数。
由公式（1）可以得出温度传感器RTD的电阻值RRTD、偏置电阻RP的电阻值以及AD转换电路输出数据之间的关系如公式（2）所述：
                              
Figure 411033DEST_PATH_IMAGE003
=
Figure 190770DEST_PATH_IMAGE004
(
Figure 201410021963X100002DEST_PATH_IMAGE005
)                          （2）
由公式（2）可以看出温度传感器RTD的电阻值RRTD只与偏置电阻的电阻值RP、AD转换模块的输出数据有关，而与AD转换模块的参考电压无关，当偏置电阻的电阻值RP一定时，可很容易地通过AD转换模块的输出数据计算出温度传感器RTD的电阻值，使AD转换模块的分辨率和RTD温度分辨率之间形成固定的比例关系。当中央处理单元接收到AD转换模块的输出数据之后，根据AD转换模块的输出数据计算出温度传感器RTD的电阻值RRTD，然后通过查表得到对应的温度值，然后将温度值输入到显示模块进行显示。
如图3所示，由电池提供的电源VCC同时连接电源转换芯片U3~U4的电源输入端子VIN。电源转换芯片U4的电源输出端VOUT-同时并联AD转换芯片U2和LCD液晶屏U5的电源输入端VDD以及微处理器U1的供电端：20脚。LCD液晶屏U5的DI端子和CLK端子分别与微处理器U1的11脚和12脚相连。AD转换芯片U2的CS端子、SCK端子分别与微处理器U1的2脚和3脚相连，SDO/RDY端子与微处理器U1的4脚相连，AD转换芯片U2的CS端子、SCK端子、SDO/RDY端子为AD转换芯片U2的SPI串行总线接口。电源转换芯片U3的电源输出端V-OUT依次串联电阻RX、偏置电阻RP以及温度传感器RTD后接地。如上所述，电阻RX和电阻RP之间引出电压VREF与AD转换芯片U2的V-REF端子相连，作为AD转换模块的参考电源端；电阻RP和温度传感器RTD之间引出电压VIN+与AD转换芯片U2的VIN+端子相连相连，作为AD转换模块的输入正极；AD转换芯片U2的输入负极VIN-接地。电源转换芯片U3的SHDN端子与微处理器U1的14脚相连。
微处理器U1的26脚和25脚分别连接拨码开关S1内的两个开关的一端，拨码开关S1内的两个开关的另一端分别串联电阻R3~R4后接地，微处理器U1的26脚和25脚同时分别并联电阻R1和电阻R2的一端，电阻R1和电阻R2的另一端与电源转换芯片U4的电源输出端VOUT相连，电阻R1~R4以及拨码开关S1组成上述的显示刷新模块。
电源转换芯片U3和电源转换芯片U4分别为上述的第一电源模块和第二电源模块，AD转换芯片U2为上述的AD转换模块。微处理器U1为上述的中央处理单元，在本发明中，微处理器U1采用PIC18F2XK20系列单片机实现，LCD液晶屏U5为上述的显示模块，AD转换模块的型号为MCP3551。
如图4所示，本发明的微功耗智能数字温度计的温度测量方法，包括如下步骤：
步骤1001，系统初始化；
中央处理单元对各硬件进行初始化；
步骤1002，启动偏置采样模块；
中央处理单元向第一电源模块发出控制信号，第一电源模块开始工作为偏置采样模块供电，偏置采样模块得电开始工作；
步骤1003，启动AD采样；
中央处理单元控制AD转换模块对偏置采样模块进行采样；
步骤1004，中央处理单元判断采样是否结束：
中央处理单元判断采样是否结束，如果结束采样，执行步骤1005，如果未结束采样，返回步骤1003；
步骤1005，偏置采样模块关断；
中央处理单元控制第一电源模块停止工作，偏置采样模块失电停止工作；
步骤1006，启动AD转换；
中央处理单元控制AD转换模块对采样得到的数值进行模数转换；
步骤1007，中央处理单元判断是否转换结束；
中央处理单元判断是否转换结束，如果转换结束，执行步骤1008，如果转换未结束，返回步骤1006；
步骤1008，AD休眠；
AD转换结束之后，AD转换模块进入休眠状态；
步骤1009，数据读取，滤波；
中央处理单元读取AD转换模块转换得到的数据，并进行滤波处理；
步骤1010，AD关断；
中央处理单元控制AD转换模块关断，停止工作；
步骤1011，数据计算，查表；
中央处理单元根据AD转换模块转换得到的数据计算温度传感器的阻值RRTD-，并根据温度传感器的阻值RRTD通过查表得到对应的温度值；
步骤1012，显示模块进行显示；
中央处理单元将查表得到的温度值送至显示模块进行显示；
步骤1013，显示刷新时间判断；
中央处理单元判断显示刷新模块设置的显示刷新频率，并根据显示刷新频率进行刷新显示；
步骤1014，中央处理单元休眠；
中央处理单元进入休眠状态；
步骤1015，中央处理单元判断是否已到休眠时间；
中央处理单元判断是否已到休眠时间，如果未到休眠时间，返回步骤1014，如果已到休眠时间，返回步骤1002。
具体工作过程及原理如下：
由电池提供的电源VCC同时为电源转换芯片U3和电源转换芯片U4供电，电源转换芯片U3为间歇式工作模式，由微处理器U1的14脚向电源转换芯片U3的SHDN端子发出控制信号实现，当微处理器U1检测到已达到预设定的休眠时间时，微处理器U1的14脚发出控制信号，电源转换芯片开始工作，其电源输出端VOUT输出电压加载在限流电阻RX，偏置电阻Rp以及温度传感器RTD上，然后微处理器U1控制AD转换芯片U2进行采样，采样完成之后微处理器U1控制电源转换模块U3停止工作。微处理器U1控制AD转换芯片U2对采样得到的数据进行模数转换，转换完成之后AD转换芯片U2将数据送至微处理器U1进行处理，并进入休眠状态。微处理器U1对AD转换芯片U2送至的数据进行处理后计算得出温度传感器RTD的电阻值RRTD，并查表得出温度值，通过其11脚和12脚将数据送至LCD液晶屏U5进行显示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种微功耗智能数字温度计，包括：供电单元以及数据处理单元，其特征在于：供电单元与数据处理单元连接并为其供电，所述的数据处理单元包括依次相连的偏置采样模块、AD转换模块、中央处理单元以及显示模块。
2.根据权利要求1所述的一种微功耗智能数字温度计，其特征在于：所述的供电单元包括电源、第一电源模块以及第二电源模块，电源同时与第一电源模块以及第二电源模块相连，第一电源模块与所述的偏置采样模块相连并为其供电，第二电源模块与所述的AD转换模块、中央处理单元以及显示模块相连并为其供电，中央处理单元同时与第一电源模块相连。
3. 根据权利要求1或2所述的一种微功耗智能数字温度计，其特征在于：所述的偏置采样模块包括限流电阻Rx，偏置电阻RP以及温度传感器RTD，电源VDD依次串联限流电阻RX，偏置电阻RP以及温度传感器RTD后接地，自限流电阻RX和偏置电阻RP之间引出作为AD转换模块的参考电源的电压VREF；自偏置电阻RP和温度传感器RTD之间引出作为AD转换模块的输入正极的电压VIN+；AD转换模块的输入负极VIN-接地。
4.根据权利要求2所述的一种微功耗智能数字温度计，其特征在于：设置有与所述中央处理单元相连的用于设置刷新频率的显示刷新模块，所述的第二电源模块与显示刷新模块相连。
5. 根据权利要求4所述的一种微功耗智能数字温度计，其特征在于：所述的显示刷新模块包括电阻R1~R4以及两位的拨码开关S1，拨码开关S1的一位开关一端同时并联电阻R1的一端和中央处理单元的26脚，另一端通过电阻R3接地；拨码开关S1的另一位开关同时并联电阻R2的一端和中央处理单元的25脚，电阻R1~R2的另一端同时连接第二电源模块的电压输出端。
6. 根据权利要求2所述的一种微功耗智能数字温度计，其特征在于：所述的电源为电池。
7. 根据权利要求2所述的一种微功耗智能数字温度计，其特征在于：所述的第一电源模块型号为TC1016；所述的第二电源模块型号为MCP1700；所述的AD转换模块型号为MCP3551。
8. 根据权利要求2所述的一种微功耗智能数字温度计，其特征在于：所述的中央处理单元采用PIC18F2XK20系列单片机。
9. 实现权利要求1~8任一项所述的一种微功耗智能数字温度计的温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1001，系统初始化；
中央处理单元对各硬件进行初始化；
步骤1002，启动偏置采样模块；
中央处理单元向第一电源模块发出控制信号，第一电源模块开始工作为偏置采样模块供电，偏置采样模块得电开始工作；
步骤1003，启动AD采样；
中央处理单元控制AD转换模块对偏置采样模块进行采样；
步骤1004，中央处理单元判断采样是否结束：
中央处理单元判断采样是否结束，如果结束采样，执行步骤1005，如果未结束采样，返回步骤1003；
步骤1005，偏置采样模块关断；
中央处理单元控制第一电源模块停止工作，偏置采样模块失电停止工作；
步骤1006，启动AD转换；
中央处理单元控制AD转换模块对采样得到的数值进行模数转换；
步骤1007，中央处理单元判断是否转换结束；
中央处理单元判断是否转换结束，如果转换结束，执行步骤1008，如果转换未结束，返回步骤1006；
步骤1008，AD休眠；
AD转换结束之后，AD转换模块进入休眠状态；
步骤1009，数据读取，滤波；
中央处理单元读取AD转换模块转换得到的数据，并进行滤波处理；
步骤1010，AD关断；
中央处理单元控制AD转换模块关断，停止工作；
步骤1011，数据计算，查表；
中央处理单元根据AD转换模块转换得到的数据计算温度传感器的阻值RRTD-，并根据温度传感器的阻值RRTD通过查表得到对应的温度值；
步骤1012，显示模块进行显示；
中央处理单元将查表得到的温度值送至显示模块进行显示；
步骤1013，显示刷新时间判断；
中央处理单元判断显示刷新模块设置的显示刷新频率，并根据显示刷新频率进行刷新显示；
步骤1014，中央处理单元休眠；
中央处理单元进入休眠状态；
步骤1015，中央处理单元判断是否已到休眠时间；
中央处理单元判断是否已到休眠时间，如果未到休眠时间，返回步骤1014，如果已到休眠时间，返回步骤1002。
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