CN205333219U

CN205333219U - 一种基于石英晶体温度传感器的多通道温度测量电路

Info

Publication number: CN205333219U
Application number: CN201620084833.5U
Authority: CN
Inventors: 胡斌; 衡飞; 赵庆林; 彭宏; 曹冠华; 郝雁嵘; 薛仲
Original assignee: Lanzhou University
Current assignee: Lanzhou University
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2026-01-28

Abstract

本实用新型提供一种基于石英晶体温度传感器的多通道温度测量电路，包括：石英晶体温度传感器电路、MCU数据处理电路，MCU数据处理电路通讯连接多个石英晶体温度传感器电路，多个石英晶体温度传感器电路和一个MCU数据处理电路通过屏蔽线构成星形接法连接，每个石英晶体温度传感器电路附着于待测处，MCU数据处理电路接收并处理多个石英晶体温度传感器电路的信息，处理之后的数据通过蓝牙和上位机通信，上位机根据多处的温度测量形成温度场模型并显示在上位机中。本实用新型抗干扰能力强，最大限度的降低了传输途中的信号畸变，同时可以测量多处的温度，多处的温度信息汇集后，能够形成温度场，比起单一的温度测量信息量更多。

Description

一种基于石英晶体温度传感器的多通道温度测量电路

技术领域

本实用新型涉及温度测量技术领域，具体为一种基于石英晶体温度传感器的多通道温度测量电路。

背景技术

现代社会中，温度测量普遍而又重要，传统的温度传感器有热敏电阻，铂电阻，热电偶等等，它们都是作为一种模拟式传感器，在数字化的今天需要进行ADC采样，会在一定程度上降低精度，石英晶体谐振式传感器vibratingsiliconcrystaltransducer以石英晶体谐振器作为敏感元件的谐振式传感器。石英晶体谐振器是用石英晶体经过适当切割后制成，当被测参量发生变化时，它的固有振动频率随之改变，用基于压电效应（见压电式传感器）的激励和测量方法就可获得与被测参量成一定关系的频率信号。石英晶体谐振式传感器的精度高，响应速度较快，常用于测量温度和压力，有着高精度，高稳定性，高分辨率的优点。而且其功耗小，体积小，适用于便携式和可穿戴式的应用。

实用新型内容

本实用新型所解决的技术问题在于提供一种基于石英晶体温度传感器的多通道温度测量电路，以解决上述背景技术中提出的问题。

本实用新型所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种基于石英晶体温度传感器的多通道温度测量电路，包括：石英晶体温度传感器电路、MCU数据处理电路，MCU数据处理电路通讯连接多个石英晶体温度传感器电路，多个石英晶体温度传感器电路和一个MCU数据处理电路通过屏蔽线构成星形接法连接，每个石英晶体温度传感器电路附着于待测处，MCU数据处理电路接收并处理多个石英晶体温度传感器电路的信息，处理之后的数据通过蓝牙和上位机通信，上位机根据多处的温度测量形成温度场模型并显示在上位机中。

进一步地，所述石英晶体温度传感器电路包括皮尔斯晶体振荡器电路、485电平发送电路；MCU数据处理电路包括485电平接收电路、多选一电路、同相缓冲电路、高精度TCXO时钟电路、等精度频率测量电路、蓝牙通信电路、电池电量指示电路，485电平接收电路的输出连接到多选一电路，多选一电路的输出连接到同相缓冲电路，同相缓冲电路的输出连接到等精度频率测量电路，高精度TCXO时钟电路也连接到等精度频率测量电路，蓝牙通信电路和电池电量指示电路连接至主控MCU。

进一步地，所述皮尔斯晶体振荡器电路由内部集成反相器的芯片U1，电阻R1、R2、R3、R4，电容C1、C3、C4、C5组成，电阻R1、R2、R3、R4共同构成偏置电阻，使得反相器工作在高增益放大状态，石英晶体与电容C3，C4构成π型网络形式的带通滤波器。

进一步地，所述485电平发送电路由内部带有485电平转换功能的芯片U1完成，石英晶体温度传感器采用特殊切割工艺制作，晶体的振荡频率对温度敏感，而且在一定范围内呈现高精度的线性关系，利用该关系进行温度测量。485电平发送电路主要进行振荡波形的传输，振荡信号通过屏蔽双绞线传送至MCU数据处理电路。整个系统有多个石英晶体温度传感器电路，用以测量多处的温度。所述U1的型号是LTC1480，所述电容C1、C3、C4、C5需采用温度性能稳定的NPO电容。

进一步地，所述的每个485电平接收电路和每个石英晶体温度传感器电路相对应，用来将接收的振荡信号的485电平转为TTL电平，采用时分复用的原则，利用多选一模拟开关U2选择多路信号中的一路，模拟开关的地址位连接到MCU的端口，多选一电路的输出连接到同相缓冲电路，所述485电平接收电路采用的是低功耗芯片LTC1480，多选一模拟开关U2的型号是74HC4051，所述MCU芯片U7的型号是低功耗系列的芯片STM32L151C8T6，该MCU内部集成32M主频，多个定时计数器，12位ADC，串行通信接口，而且基于低功耗架构，适合可穿戴和便携式的应用。

进一步地，所述高精度TCXO时钟电路由高精度温补晶振振荡器U9、反相器式放大器和时钟分频器U8构成，为了使谐波成分少，市场上大多数高精度TCXO输出的是削峰正弦波，而系统需求的是CMOS电平时钟波形，通过反相器式放大器的整形作用输出符合要求的CMOS电平时钟波形，C7为隔直电容，R7为偏置电阻，然后经过二进制计数器芯片U8分频，U8第12脚输出TCXO的二分频频率，该频率作为MCU芯片U7的外部时钟信号，U8第9脚输出TCXO的八分频频率，该频率作为等精度测频的标准信号，所述高精度温补振荡器U9的型号是DSB535SG-10M，所述二进制计数器芯片U8的型号是高速CMOS系列的74HC4024。

进一步地，所述等精度频率测量电路包括同步门控电路、计数门1和计数门2，预闸门信号由MCU的GPIO2发出，同步门控电路利用D触发器芯片U4的同步作用将预闸门信号变换成与待测信号同步的同步闸门信号，MCU的GPIO1端口连接至D触发器的清零端，同相缓冲电路输出的待测信号连接到计数门1，高精度TCXO时钟电路的八分频输出作为标准信号连接到计数门2，计数门1和计数门2的输出连接到MCU的定时计数器端口，待测信号与标准信号在同步闸门信号的控制下计数。并在同步闸门信号关闭时停止计数，MCU读取计数器的数值，并进行数据处理，所述D触发器芯片U4带有清零端，每次测量前MCU发出信号将其清零处理，所述D触发器芯片U4的型号是SN74LVC1G74。

进一步地，所述电池电量指示电路利用锂电池工作的电压曲线来分析出系统电池的容量，锂电池的电压曲线由生产商给出，锂电池电压Vbat经过电阻R11，R12的分压，连接到运放的输入，C8起到滤波作用，运放作为跟随器模式连接到MCU的ADC采样端口,利用12位ADC进行高精度电压检测，根据锂电池在工作状下的电压曲线模拟得出电池容量，且有5个发光二极管D1、D2、D3、D4、D5连接在MCU的5个端口上，用以指示电量，电阻R5、R6、R8、R9、R10用作限流电阻。

进一步地，所述蓝牙通信电路用以和上位机通信，将数据上传到上位机中并显示出来，室内环境下，通信性能稳定而且功耗低，所述蓝牙通信电路采用的电路型号是HC-08。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

（1）本实用新型适合可穿戴式和便携式的应用，所用的石英晶体温度传感器体积小，功耗小，稳定性优，主控芯片采用STM32L151C8T6，属于低功耗系列单片机，所用蓝牙电路HC-08也是基于低功耗的设计。

（2）测温精度高，石英晶体温度传感器属于数字式器件，抗干扰能力强,而且不必进行ADC采样，等精度测频的标准信号和MCU的时钟信号采用高精度TCXO生成，485通信方式最大限度的降低了传输途中的信号畸变。

（3）本实用新型可以测量多处的温度，多处的温度信息汇集后，能够形成温度场，比起单一的温度测量信息量更多。

附图说明

图1为本实用新型的结构原理图。

图2为本实用新型的石英晶体温度传感器电路的电路原理图。

图3为本实用新型的MCU数据处理电路的电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的实现技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

实施例1

如图1～3所示，一种基于石英晶体温度传感器的多通道温度测量电路，包括：石英晶体温度传感器电路、MCU数据处理电路，MCU数据处理电路通讯连接多个石英晶体温度传感器电路，多个石英晶体温度传感器电路和一个MCU数据处理电路通过屏蔽线构成星形接法连接，每个石英晶体温度传感器电路附着于待测处，MCU数据处理电路接收并处理多个石英晶体温度传感器电路的信息，处理之后的数据通过蓝牙和上位机通信，上位机根据多处的温度测量形成温度场模型并显示在上位机中。所述石英晶体温度传感器电路包括皮尔斯晶体振荡器电路、485电平发送电路；MCU数据处理电路包括485电平接收电路、多选一电路、同相缓冲电路、高精度TCXO时钟电路、等精度频率测量电路、蓝牙通信电路、电池电量指示电路，485电平接收电路的输出连接到多选一电路，多选一电路的输出连接到同相缓冲电路，同相缓冲电路的输出连接到等精度频率测量电路，高精度TCXO时钟电路也连接到等精度频率测量电路，蓝牙通信电路和电池电量指示电路连接至主控MCU。

实施例2

一种基于石英晶体温度传感器的多通道温度测量电路，包括：石英晶体温度传感器电路、MCU数据处理电路，MCU数据处理电路通讯连接多个石英晶体温度传感器电路，多个石英晶体温度传感器电路和一个MCU数据处理电路通过屏蔽线构成星形接法连接，每个石英晶体温度传感器电路附着于待测处，MCU数据处理电路接收并处理多个石英晶体温度传感器电路的信息，处理之后的数据通过蓝牙和上位机通信，上位机根据多处的温度测量形成温度场模型并显示在上位机中。所述石英晶体温度传感器电路包括皮尔斯晶体振荡器电路、485电平发送电路；MCU数据处理电路包括485电平接收电路、多选一电路、同相缓冲电路、高精度TCXO时钟电路、等精度频率测量电路、蓝牙通信电路、电池电量指示电路，485电平接收电路的输出连接到多选一电路，多选一电路的输出连接到同相缓冲电路，同相缓冲电路的输出连接到等精度频率测量电路，高精度TCXO时钟电路也连接到等精度频率测量电路，蓝牙通信电路和电池电量指示电路连接至主控MCU。

具体的，所述皮尔斯晶体振荡器电路由内部集成反相器的芯片U1，电阻R1、R2、R3、R4，电容C1、C3、C4、C5组成，电阻R1、R2、R3、R4共同构成偏置电阻，使得反相器工作在高增益放大状态，石英晶体与电容C3，C4构成π型网络形式的带通滤波器。

具体的，所述485电平发送电路由内部带有485电平转换功能的芯片U1完成，石英晶体温度传感器采用特殊切割工艺制作，晶体的振荡频率对温度敏感，而且在一定范围内呈现高精度的线性关系，利用该关系进行温度测量。485电平发送电路主要进行振荡波形的传输，振荡信号通过屏蔽双绞线传送至MCU数据处理电路。整个系统有多个石英晶体温度传感器电路，用以测量多处的温度。所述U1的型号是LTC1480，所述电容C1、C3、C4、C5需采用温度性能稳定的NPO电容。

实施例3

具体地，所述的每个485电平接收电路和每个石英晶体温度传感器电路相对应，用来将接收的振荡信号的485电平转为TTL电平，采用时分复用的原则，利用多选一模拟开关U2选择多路信号中的一路，模拟开关的地址位连接到MCU的端口，多选一电路的输出连接到同相缓冲电路，所述485电平接收电路采用的是低功耗芯片LTC1480，多选一模拟开关U2的型号是74HC4051，所述MCU芯片U7的型号是低功耗系列的芯片STM32L151C8T6，该MCU内部集成32M主频，多个定时计数器，12位ADC，串行通信接口，而且基于低功耗架构，适合可穿戴和便携式的应用。

具体地，所述高精度TCXO时钟电路由高精度温补晶振振荡器U9、反相器式放大器和时钟分频器U8构成，为了使谐波成分少，市场上大多数高精度TCXO输出的是削峰正弦波，而系统需求的是CMOS电平时钟波形，通过反相器式放大器的整形作用输出符合要求的CMOS电平时钟波形，C7为隔直电容，R7为偏置电阻，然后经过二进制计数器芯片U8分频，U8第12脚输出TCXO的二分频频率，该频率作为MCU芯片U7的外部时钟信号，U8第9脚输出TCXO的八分频频率，该频率作为等精度测频的标准信号，所述高精度温补振荡器U9的型号是DSB535SG-10M，所述二进制计数器芯片U8的型号是高速CMOS系列的74HC4024。

具体地，所述等精度频率测量电路包括同步门控电路、计数门1和计数门2，预闸门信号由MCU的GPIO2发出，同步门控电路利用D触发器芯片U4的同步作用将预闸门信号变换成与待测信号同步的同步闸门信号，MCU的GPIO1端口连接至D触发器的清零端，同相缓冲电路输出的待测信号连接到计数门1，高精度TCXO时钟电路的八分频输出作为标准信号连接到计数门2，计数门1和计数门2的输出连接到MCU的定时计数器端口，待测信号与标准信号在同步闸门信号的控制下计数。并在同步闸门信号关闭时停止计数，MCU读取计数器的数值，并进行数据处理，所述D触发器芯片U4带有清零端，每次测量前MCU发出信号将其清零处理，所述D触发器芯片U4的型号是SN74LVC1G74。

具体地，所述电池电量指示电路利用锂电池工作的电压曲线来分析出系统电池的容量，锂电池的电压曲线由生产商给出，锂电池电压Vbat经过电阻R11，R12的分压，连接到运放的输入，C8起到滤波作用，运放作为跟随器模式连接到MCU的ADC采样端口,利用12位ADC进行高精度电压检测，根据锂电池在工作状下的电压曲线模拟得出电池容量，且有5个发光二极管D1、D2、D3、D4、D5连接在MCU的5个端口上，用以指示电量，电阻R5、R6、R8、R9、R10用作限流电阻。

具体地，所述蓝牙通信电路用以和上位机通信，将数据上传到上位机中并显示出来，室内环境下，通信性能稳定而且功耗低，所述蓝牙通信电路采用的电路型号是HC-08。

测量温度时，将多个石英晶体温度传感器电路附着于待测处，石英晶体温度传感器电路和MCU数据处理电路通过屏蔽线相连接。应当说明，测量通道的数目是由多选一电路决定的，对于本实用新型用的是八选一模拟开关，应当理解，可以细微更改此处电路以增加通道数目，比如二片八选一模拟开关芯片并联可以做到最大16通道数目。

对于等精度频率测量，假设同步闸门信号下计数，测得被测信号fx的个数是Nx，测得时钟信号fs的个数是Ns，则可得:

所谓等精度测量法的机理是在标准频率比较测量法的基础上改变计数器的计数开始和结束与单片机发出的预闸门信号的上升沿和下降沿的严格关系。当预闸门信号的上升沿到来时，如果待测量信号的上升沿未到时两组计数器也不计数，只有在待测量信号的上升沿到来时，两组计数器才开始计数；当预闸门信号的下降沿到来时，如果待测量信号的一个周期未结束时两组计数器也不停止计数，只有在待测量信号的一个周期结束时两组计数器才停止计数。这样就克服了待测量信号的脉冲周期不完整的问题，其误差只由标准频率信号产生，与待测量信号的频率无关，因此可以实现精度的恒定。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种基于石英晶体温度传感器的多通道温度测量电路，包括：石英晶体温度传感器电路、MCU数据处理电路，其特征在于：MCU数据处理电路通讯连接多个石英晶体温度传感器电路，多个石英晶体温度传感器电路和一个MCU数据处理电路通过屏蔽线构成星形接法连接，每个石英晶体温度传感器电路附着于待测处，MCU数据处理电路接收并处理多个石英晶体温度传感器电路的信息，处理之后的数据通过蓝牙和上位机通信，上位机根据多处的温度测量形成温度场模型并显示在上位机中；所述石英晶体温度传感器电路包括皮尔斯晶体振荡器电路、485电平发送电路；MCU数据处理电路包括485电平接收电路、多选一电路、同相缓冲电路、高精度TCXO时钟电路、等精度频率测量电路、蓝牙通信电路、电池电量指示电路，485电平接收电路的输出连接到多选一电路，多选一电路的输出连接到同相缓冲电路，同相缓冲电路的输出连接到等精度频率测量电路，高精度TCXO时钟电路也连接到等精度频率测量电路，蓝牙通信电路和电池电量指示电路连接至主控MCU。

2.根据权利要求1所述的一种基于石英晶体温度传感器的多通道温度测量电路，其特征在于：所述皮尔斯晶体振荡器电路由内部集成反相器的芯片U1，电阻R1、R2、R3、R4，电容C1、C3、C4、C5组成，电阻R1、R2、R3、R4共同构成偏置电阻，使得反相器工作在高增益放大状态，石英晶体与电容C3，C4构成π型网络形式的带通滤波器，所述485电平发送电路由内部带有485电平转换功能的芯片U1完成，485电平发送电路进行振荡波形的传输，振荡信号通过屏蔽双绞线传送至MCU数据处理电路，所述U1的型号是LTC1480，所述电容C1、C3、C4、C5采用NPO电容。

3.根据权利要求1所述的一种基于石英晶体温度传感器的多通道温度测量电路，其特征在于：所述高精度TCXO时钟电路由高精度温补晶振振荡器U9、反相器式放大器和时钟分频器U8构成，通过反相器式放大器的整形作用输出符合要求的CMOS电平时钟波形，C7为隔直电容，R7为偏置电阻，然后经过二进制计数器芯片U8分频，U8第12脚输出TCXO的二分频频率，该频率作为MCU芯片U7的外部时钟信号，U8第9脚输出TCXO的八分频频率，所述高精度温补振荡器U9的型号是DSB535SG-10M，所述二进制计数器芯片U8的型号是高速CMOS系列的74HC4024。

4.根据权利要求1所述的一种基于石英晶体温度传感器的多通道温度测量电路，其特征在于：所述等精度频率测量电路包括同步门控电路、计数门1和计数门2，预闸门信号由MCU的GPIO2发出，同步门控电路利用D触发器芯片U4的同步作用将预闸门信号变换成与待测信号同步的同步闸门信号，MCU的GPIO1端口连接至D触发器的清零端，同相缓冲电路输出的待测信号连接到计数门1，高精度TCXO时钟电路的八分频输出作为标准信号连接到计数门2，计数门1和计数门2的输出连接到MCU的定时计数器端口，待测信号与标准信号在同步闸门信号的控制下计数，并在同步闸门信号关闭时停止计数，MCU读取计数器的数值，并进行数据处理，所述D触发器芯片U4带有清零端，每次测量前MCU发出信号将其清零处理，所述D触发器芯片U4的型号是SN74LVC1G74。

5.根据权利要求1所述的一种基于石英晶体温度传感器的多通道温度测量电路，其特征在于：所述电池电量指示电路包括发光二极管D1、D2、D3、D4、D5和电阻R5、R6、R8、R9、R10，发光二极管D1、D2、D3、D4、D5连接在MCU的5个端口上，用以指示电量，电阻R5、R6、R8、R9、R10用作限流电阻。