CN201707145U

CN201707145U - 基于无线传感网的高精度热电偶无线温度传感器

Info

Publication number: CN201707145U
Application number: CN2010202314941U
Authority: CN
Inventors: 陈瑞杰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2020-06-18

Abstract

本实用新型涉及一种基于无线传感器网络的高精度一体化热电偶无线温度传感器，所述无线温度传感器是由高精度热电阻温度检测单元、高精度温度传感单元、高精度热电偶温度检测单元、微弱信号检测电路、微控制器电路、射频收发电路、电源电路组成，上述各主要组成电路部分被封装在一个一体化的密闭壳体内，以适应工业现场的防水、防尘、抗干扰要求，系统通过高精度热电偶温度检测单元感知介质工作温度信号，通过高精度热电阻温度检测单元或高精度温度传感单元感知环境温度信号以实现热电偶冷端温度补偿，通过射频收发电路以无线方式实现与无线传感器网络或其它自动化系统的通信功能。

Description

基于无线传感网的高精度热电偶无线温度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种无线温度传感器，特别是一种基于无线传感网的高精度热电偶无线温度传感器。

背景技术

热电偶具有结构简单、适用温度范围广、使用方便、承受热与机械冲击能力强以及响应速度快等特点，常用于工业领域中需要高温测量的场合。目前热电偶测温多采用有线的方式，将随温度变化的毫伏电压信号通过长距离的导线接入温度变送器或直接接入厂方自动化系统，而在信号的长距离传输、变送等环节中，不可避免地引入了各种误差与干扰，并且在现场安装过程中很繁琐，特别是对于一些不方便布线的场合，不能安装温度测点，造成测量盲区。

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是综合了传感器、低功耗、通信以及微机电等技术，由许多集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源受限的嵌入式节点互连起来的网络，目前已经开始广泛应用于工业监测、智能电网、智能家居、智能交通、公共安全、医疗卫生、环境保护等社会各行各业中，相对于有线通信网络而言，无线传感器网络一般采用电池供电系统，免于布线，安装维护方便。

发明内容

针对上述的问题，本实用新型提供了一种基于无线传感器网络的高精度一体化热电偶无线温度传感器。

本实用新型的高精度热电偶无线温度传感器由高精度热电阻温度检测单元、高精度温度传感单元、高精度热电偶温度检测单元、微弱信号检测电路、微控制器电路、射频收发电路、电源电路组成，上述各主要组成电路部分被封装在一个一体化的密闭壳体内，以适应工业现场的防水、防尘、抗干扰要求，系统通过高精度热电偶温度检测单元感知介质工作温度信号，通过高精度热电阻温度检测单元或高精度温度传感单元感知环境温度信号以实现热电偶冷端温度补偿，通过射频收发电路以无线方式实现与无线传感器网络或其它自动化系统的通信功能。

上述的高精度热电阻温度检测单元由高精度铂薄膜温度传感器或高精度热敏电阻温度传感器构成，以实现对环境温度的高精度测量。

上述的高精度温度传感单元由高精度温度传感器集成芯片构成，它在内部集成了温度检测单元、微弱信号处理单元、可选的A/D转换单元，一般可以直接输出温度的数字信号，出厂时经过标定，并且测温精度高。高精度温度传感单元与高精度热电阻温度检测单元都用来实现对环境温度的测量功能，以实现对热电偶信号的冷端补偿，一般情况下，高精度热电阻温度检测单元的测温精度更高一些，在实际应用过程中，可以根据实际情况选择一种测温单元作为环境温度测量单元。

上述的高精度热电偶温度检测单元由高精度热电偶温度传感器构成，直接输出随温度变化的毫伏电压信号。

上述的微弱信号检测电路由具有关断功能的可控激励源与电压基准源、高精密电阻、滤波电路、精密运放、高精度A/D转换器构成。高精度热电阻温度检测单元实现对环境温度信号的检测功能，高精度热电阻温度检测单元与高精密电阻构成由可控激励源供电的半桥或全桥检测电路，上述检测电路产生的差分电压信号经滤波电路与精密运放处理后进入高精度A/D转换器进行信号采集，然后输出给微控制器；高精度热电偶温度检测单元实现对介质工作温度信号的检测功能，热电偶产生的差分电压信号经滤波电路与精密运放处理后进入高精度A/D转换器以电压基准源作为参考进行信号采集，然后输出给微控制器。

上述的微控制器电路由集成大容量FLASH与SRAM的低功耗微控制器、晶体谐振器或晶体振荡器构成。微控制器内集成的大容量FLASH存储主控程序与无线传感网协议程序，主控程序完成温度信号的采集与处理，无线传感网协议程序完成与无线传感器网络或其它自动化系统的通信功能，通过射频收发电路的射频载体，将温度信号以无线的方式传送出去，无线传感网协议程序可支持ZigBee协议、WirelessHART协议、ISA100.11a协议或其它无线传感网协议。微控制器电路包括支持无线传感器网络同步的时钟晶振，微控制器采用同步算法，定时被从低功耗模式唤醒，与无线传感器网络进行时钟同步，以实现业务数据的同步收发功能，通过无线传感网通信的同步收发功能，系统得以在支持无线温度传感器低功耗特性的同时，也支持多个或多种无线温度传感器的组网应用与无线温度传感器业务数据的实时传输功能。

上述的射频收发电路由无线射频收发集成电路、晶体谐振器或晶体振荡器、天线构成，微控制器与射频收发电路典型通过串行总线的方式进行连接。

上述的电源电路由一次性锂亚电池构成，提供整个传感器产品在至少5年以上全生命周期内的能量来源。

上述各组成电路部分都支持低功耗特性，具有可关断功能，只在工作状态时消耗较多能量，其它时候则进入极低功耗休眠状态。微控制器与高精度A/D转换器典型通过串行总线的方式进行连接。在进行环境温度信号采集时，微控制器被从低功耗模式唤醒，控制可控激励源进入工作状态，以给由高精度热电阻温度检测单元与高精密电阻构成的半桥或全桥检测电路提供参考工作电压，同时控制精密运放与高精度A/D转换器进入工作状态，进行环境温度信号采集，在环境温度信号采集完成后，微控制器从高精度A/D转换器读取转换后的环境温度信号，并经过一定的软件滤波等处理后，将环境温度信号数据缓存在SRAM中，然后系统进入低功耗休眠状态；作为另外一种优选方式，在进行环境温度信号采集时，微控制器被从低功耗模式唤醒，控制高精度温度传感单元进入工作状态，直接采集并读取环境温度信号，将环境温度信号数据缓存在SRAM中，然后系统进入低功耗休眠状态；在进行介质工作温度信号采集时，微控制器被从低功耗模式唤醒，控制电压基准源进入工作状态，以提供信号采集的基准电压，同时控制精密运放与高精度A/D转换器进入工作状态，进行介质工作温度信号采集，在介质工作温度信号采集完成后，微控制器从高精度A/D转换器读取转换后的介质工作温度信号，并经过一定的软件滤波等处理后，将介质工作温度信号数据缓存在SRAM中，然后系统进入低功耗休眠状态；当需要进行业务数据的无线通信时，微控制器被从低功耗模式唤醒，从SRAM中读取准备好的温度信号数据，控制射频收发电路进入工作状态，通过射频收发电路将温度信号传送到无线传感器网络或其它自动化系统，然后系统进入低功耗休眠状态。

与现有的技术相比，本实用新型的基于无线传感器网络的高精度一体化热电偶无线温度传感器具有防水、防尘、抗干扰特性，由于不需要布线，在工业现场便于安装；更进一步地，由于系统所有主要组成部分被封装在一个密闭壳体内，免去了因采用有线信号而引入的在长距离传输、变送等环节中存在的各种误差与干扰问题，可以有效地提高系统的测温精度；同时，由于采用了一体化集成处理方式，系统的整个电路部分得以简化，有效提高了系统的可靠性与一致性，并且便于批量生产。

附图说明

图1为本实用新型实施例中高精度热电偶无线温度传感器的组成原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明，但不限于此。

图1为本实用新型实施例中高精度热电偶无线温度传感器的组成原理框图。按照图1所示，本实用新型的高精度热电偶无线温度传感器由高精度热电阻温度检测单元(1)、高精度温度传感单元(2)、高精度热电偶温度检测单元(3)、微弱信号检测电路(4)、微控制器电路(5)、射频收发电路(6)、电源电路(7)组成。

上述的高精度热电阻温度检测单元(1)典型可选用1/3DIN B精度等级的铂薄膜温度传感器或0.1％精度等级的热敏电阻温度传感器，其具有测量精度高、稳定性好、可靠性强、产品寿命长等优点，广泛适用于工业自动化测量厂商OEM的应用情况。

上述的高精度温度传感单元(2)典型可选用数字温度传感器DS18B20集成芯片，其具有测温精度高、使用方便等优点，大量应用于各种温度监测的场合。高精度温度传感单元(2)与高精度热电阻温度检测单元(1)都用来实现对环境温度的测量功能，以实现对热电偶信号的冷端补偿，一般情况下，高精度热电阻温度检测单元(1)的测温精度更高一些，在实际应用过程中，可以根据实际情况选择一种测温单元作为环境温度测量单元。

上述的高精度热电偶温度检测单元(3)典型可选用工业测温中大量使用的铠装K型热电偶温度传感器。

上述的微弱信号检测电路(4)由可控激励源、电压基准源、高精密电阻、滤波电路、精密运放、高精度A/D转换器构成。高精度热电阻温度检测单元(1)实现对环境温度信号的检测功能，高精度热电阻温度检测单元(1)与高精密电阻构成由可控激励源供电的半桥或全桥检测电路，上述检测电路产生的差分电压信号经滤波电路与精密运放处理后进入高精度A/D转换器进行信号采集，然后输出给微控制器；高精度热电偶温度检测单元(3)实现对介质工作温度信号的检测功能，热电偶产生的差分电压信号经滤波电路与精密运放处理后进入高精度A/D转换器以电压基准源作为参考进行信号采集，然后输出给微控制器。高精密电阻典型情况可选用2颗0.01％精度、5ppm/℃的10K阻值精密电阻组成半桥分压电路；可控激励源、电压基准源、滤波电路、精密运放、24位高精度A/D转换器典型情况可选用一体化的集成器件ADS1248/7，它可以提供针对热电偶传感器完整的端到端解决方案。

上述的微控制器电路(5)由集成大容量FLASH与SRAM的低功耗微控制器、晶体谐振器或晶体振荡器构成，微控制器典型情况可选用TI公司的超低功耗16位单片机MSP430F1232，晶振典型情况可选用32.768K时钟晶振作为温度信号采集时钟与无线传感网同步时钟，温度信号采集时钟用来完成温度信号的定时采集功能，无线传感网同步时钟用来完成系统的定时同步功能，也可以选择高频时钟晶振来实现更精确的全网同步功能。

上述的射频收发电路(6)由无线射频收发集成电路、晶体谐振器或晶体振荡器、天线构成，无线射频收发集成电路可以选用433M、470M、780M、2.4G频段的ISM无线射频收发芯片，典型情况可选用TI公司的CC1101无线射频收发芯片，工作在433M频段。

上述的电源电路(7)由一次性锂亚电池构成，典型情况可选用ER26500锂亚电池，提供整个传感器产品在至少5年以上全生命周期内的能量来源。

Claims

1.一种基于无线传感器网络的高精度一体化热电偶无线温度传感器，其特征在于所述无线温度传感器是由高精度热电阻温度检测单元、高精度温度传感单元、高精度热电偶温度检测单元、微弱信号检测电路、微控制器电路、射频收发电路、电源电路组成，上述各主要组成电路部分被封装在一个一体化的密闭壳体内，以适应工业现场的防水、防尘、抗干扰要求，系统通过高精度热电偶温度检测单元感知介质工作温度信号，通过高精度热电阻温度检测单元或高精度温度传感单元感知环境温度信号以实现热电偶冷端温度补偿，通过射频收发电路以无线方式实现与无线传感器网络或其它自动化系统的通信功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的高精度一体化热电偶无线温度传感器，其特征在于所述无线温度传感器的微弱信号检测电路是由具有关断功能的可控激励源与电压基准源、高精密电阻、滤波电路、精密运放、高精度A/D转换器构成，高精度热电阻温度检测单元实现对环境温度信号的检测功能，高精度热电阻温度检测单元与高精密电阻构成由可控激励源供电的半桥或全桥检测电路，上述检测电路产生的差分电压信号经滤波电路与精密运放处理后进入高精度A/D转换器进行信号采集；高精度热电偶温度检测单元实现对介质工作温度信号的检测功能，热电偶产生的差分电压信号经滤波电路与精密运放处理后进入高精度A/D转换器以电压基准源作为参考进行信号采集。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的高精度一体化热电偶无线温度传感器，其特征在于所述无线温度传感器的微控制器电路包括支持无线传感器网络同步的时钟晶振，微控制器采用同步算法，定时被从低功耗模式唤醒，与无线传感器网络进行时钟同步，以实现业务数据的同步收发功能，通过无线传感网通信的同步收发功能，系统得以在支持无线温度传感器低功耗特性的同时，也支持多个或多种无线温度传感器的组网应用与无线温度传感器业务数据的实时传输功能。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的高精度一体化热电偶无线温度传感器，其特征在于所述无线温度传感器的各组成电路部分都支持低功耗特性，只在工作状态时消耗较多能量，其它时候则进入极低功耗休眠状态。

5.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的高精度一体化热电偶无线温度传感器，其特征在于所述无线温度传感器电源由一次性锂亚电池构成，提供整个无线温度传感器产品在至少5年以上全生命周期内的能量来源。