第８卷第１期 ２ ００ ６年３月 辽宁师专学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｖｏ１．８ ＮＯ．１ Ｍａｒ．２ ０ ０ ６ 【应用研究】 数字温度传感器ＡＤ７４１６ 在多点温度测量系统中的应用 宋剑英， 石从刚 （青岛职业技术学院 山东青岛２６６５５５） 摘 要：介绍数字温度传感器在多点温度测量系统中的应用，给出系统的硬件结构及软件框图，使用 ＡＤ７４１６进行温度测控可大大简化设计方案，使系统性能更加稳定．在实际的烟草、粮食等仓库温度测量中效 果良好． 关键词：温度传感器；射频收发；单片机；无线串行通信 中图分类号：ＴＰ２１２．１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—５６８８（２００６）０１—００７７—０３ １系统硬件构成 本文所设计的测量系统由若干个处于各测量点的数字温度传感器、微控器及无线收发电路和一台带无 线收发电路的主机系统组成． １．１ ＡＤ７４１６芯片介绍 ＡＤ公司生产的数字温度传感器，内部包括一个带隙 温度传感器和一个１０位Ａ／Ｄ转换器，精度可达０．２５℃． １ ８ １ ２０ 其引脚如图１所示． ２ ７ ２ １９ ＳＤＡ：数字Ｉ／Ｏ，双向数据串行总线，漏极开路输 ３ ６ ３ １８ 出；ＳＣＬ：串行总线时钟；０ＴＩ：超温掉电输出（漏极开 ４ ５ ４ １７ 路）；ＧＮＤ：电源地；Ａｚ～ ，：串行总线地址可编程的 ５ １６ 低３位；ＶＤＤ：正电源电压， 图ｌ ６ １５ ７ １４ １．２ ｎＲＦ４０３芯片介绍 ８ ｌ３ 其引脚如图２所示． ９ １２ ＸＣ。：晶体振荡器输入；ＶＤＤ：电源正端；Ｖ ：电源地端；ＦＩＬＴ１：过滤器输 １０ １１ 入；Ｖｃ０。：外部电感输入；Ｖｃ０ ：外部电感输入；ＤＩＮ：数据输入；ＤＯＵＴ：数据 输出；ＲＦ—ＰＷＲ：转换电压输入；ＴＲＥＱ：频率选择输入；ＡＮＴ２：天线输入／输出； 图２ ＡＮＴ１：天线输入／输出；ＰＷＲ—ＵＰ：电源开关输入／输出；ＴＸＥＮ：模式控制使能端； ＸＣ２：晶体振荡器输 人． １．３无线数字温度传感器的构成及工作原理 ３Ｖ 无线数字温度传感器由温度测量、无线收发和微控制 器组成．电路图如图３所示．温度测量采用单片温度监控 系统集成电路ＡＤ７４１６，其芯片内部包含有温度传感器和 １０位模数转换器，可将感应温度转换为０．２５℃量化间隔 的数字信号，测温范围一５５～１２５℃，精度为±２℃． ＡＤ７４１６采用Ｉ Ｃ串行总线和数据传输协议来实现与微控 制器的数据传输，数据输入／输出线ＳＤＡ及时钟信号线 ＳＣＬ与微控制器ＰＩＣ１６Ｃ５４的ＲＢ，和ＲＢ 相连．当ＳＣＬ 保持高电平时，ＳＤＡ从高电平到低电平的跳变为数据传 输的开始信号，随后传送ＡＤ７４１６的地址信息和读眉控制 图３ 收稿日期：２０Ｏ６一Ｏ１—１Ｏ 作者简介：宋剑英（１９６９一），女，山东莱州人，讲师，主要从事应用电子方面研究 维普资讯 http://www.cqvip.com
７８ 辽宁师专学报 ２００６年第１期 位．其地址信息的格式为：１００１Ａ２ Ａ１ Ａ０ Ｒ／Ｗ．读／写控制位为１时，表示对ＡＤ７４１６进行读操作，为０ 时则表示进行写操作．当每个字节传送结束时，必须在收到接收数据一方的确认信号ＡＣＫ后方可开始下 步的操作．然后在地址信息和读眉控制位之后传送片内寄存器地址和数据．最后，在ＳＣＬ保持高电平 一的情况下，当ＳＤＡ从低电平跳变到高电平时将终止数据的传输操作，并将结果转化为数字量存人到温度 值寄存器中．ＡＤ７４１６预先设置的工作方式分自动测温方式和低功耗方式两种，本文设计采用低功耗方 式．当需要对环境温度进行测量时，通过Ｉ Ｃ串行接ＶＩ总线来写入操作命令，此时，芯片将由睡眠状态转 入测温状态． ｎＲＦ４０３单片射频收发芯片内包含有发射功率放大器、低噪声接受放大器、晶体振荡器、锁相环、压 控振荡器、混频器等电路．工作频率４３３ ＭＨｚ，采用晶体振荡和ＰＬＬ频率合成技术，接收灵敏度为 １０５ ｄｂｍ，发射功率为１０ ｄｂｍ，待机状态电流消耗仅１０ Ａ在接收模式中，射频输入信号被低噪声放大 器放大，经由混频器变换，这个被变换的信号在送人解调器之前被放大和滤波，经解调器解调，解调后的 数字信号在ＤＯＵＴ端输出．在发射模式中，压控振荡器的输出信号是直接送人到功率放大器，ＤＩＮ端输入 的数字信号被频移键控后馈送到功率放大器输出．芯片引脚９ＤＩＮ输人数字信号，与微控器的ＲＢ。相连， 需要发射的数字信号通过ＤＩＮ输入；１０脚ＤＯＵＴ输出数字信号，与微控制器的ＲＢ 相连，解调出 来的信号经过ＤＯＵＴ输出进入微控制器；１８脚ＰＷＲ—ＵＰ电源开关控制，与微控制器的ＲＢ。相连； ＰＷＲ—ＵＰ＝“１”为工作模式，ＰＷＲ—ＵＰ＝“０”为待机模式，待机模式电路进入待机睡眠状态，工作电 流８ Ａ，在待机睡眠状态，电路不接收和发射数据．１９脚ＴＸＥＮ为发射允许控制，与微控制器的ＲＢ，相 连；ＴＸＥＮ＝“１”为发射模式；ＴＸＥＮ＝“０”为接收模式．接收 模式转换为发射模式的转换时间至少１ ｍｓ；发射模式转换为接收 模式的转换时间至少３ ｍｓ． 微控制器采用ＰＩＣ１６Ｃ５４．系统采用ＬＰ低频低功耗晶体振 荡方式，地址编码开关用于传感器的编号，ＲＢ Ｖ１分别与 ＡＤ７４１６和ｎＲＦ４０３的引脚相连，用于温度和无线收发控制．整 个电路采用低功耗设计． １．４ 主机系统 主机（上位机）采用ＡＴ８９Ｃ５１单片机，外接ｎＲＦ４０３无线收 发电路、键盘显示及微型打印机等电路．电路组成如图４所示． 图４ ２ 系统工作原理及软件设计 在这个多点温度测量系统中，系统采用查询方式对 各点的温度进行测量，使用多台ＰＩＣ单片机作为下位 开始 机，并按照上位机的要求将采得的温度数据传送给单片 置ｎＲＦ为接收状态ｌ ｌ启动ＷＤＴ 机ＡＴ８９Ｃ５１系统．上位机与各下位机之间采用主从式 的异步串行通信方式，即下位机接到上位机的通信信号 调用读数据子程序从ＲＢＯ ｌ Ｉ置电路为睡眠状态 ４读入命令存入ｇａｂ１ｅ寄存器ｌ————］——一 时才做出响应，否则将一直处于睡眠状态． 下位机与上位机的通信程序框图如图５所示．上位 机对下位机发送的命令只有２种：呼叫、发送温度测量 将本机地址读入 Ｉ 竺 置ＡＤ７４１６为测温状态 数据．呼叫命令即是上位机向与之通信的下位机发送的 与ｖａｂ１ｅ的值比较ｌ 编号，而发送命令只要不与呼叫命令重复，同样可作为 ｌ读ＡＤ７４１６｝￣Ｊ温数据ｌ 数据命令来发送．具体方法是，在单片机的程序中，设 Ｉ 置一个标志寄存器ＦＬＡＧ，将它的某一位（如第７位， ｌ二］二置ｎＲＦ４０３为发射状 即ＦＬＡＧ．７）作为控制位，先将其设为０．各下位机在 调用发送子程序将测 接收到上位机命令之后，首先查看ＦＬＡＧ．７为１还是 簧ｎＲＦ４０３为发射状态 温数据发送给上位机 为０，如果ＦＬＡＧ．７为１，则转入温度测量数据段；若 调用发送子程序将本 为０则将接收到的命令与本机地址相比较，若不同，则 机地址发送给上位机 返回睡眠状态，ＦＬＡＧ．７仍为０；若相同，这种情况说 明：上位机此时确实发送的是呼叫命令，则将ＦＬＡＧ．７ 图５ 维普资讯 http://www.cqvip.com
宋剑英，等 数字温度传感器ＡＤ７４１６在多点温度测量系统中的应用 ７９ 置为１，表示已得知上位机要与自己通信，同时将本机地址传给上位机作为回应．当上位机再次发来命令 时，即可实现一对一的通信． ３结束语 本文所设计的无线多点温度测量系统采用数字温度传感器等专用集成电路，可使设计者完全打破传统 的设计模式：传感器一运放一Ａ／Ｄ转换，从而大大简化了设计方案，提高了电路的可靠性，使电路结构简 单，并且轻松地实现了标度变换过程．设计中充分利用了各芯片的低功耗特性，有效地延长了电池的使用 时间，无线数据传输方便灵活，在烟草、粮食等仓库中应用效果良好． （责任编辑 胡 坤，王巍） （上接６８页）成；使用既定的网络通讯协议、程序语言标准，保障用户 的投资及供应商的网络数据交换．ＰＡＣ的这些功能为供暖系统的热平 衡控制提供了方便和可能． ２．１热平衡控制模型 热平衡的控制实际上是各节点的温度采集．各节点温度与回送水进 入加热站（锅炉房）前水温进行比较，根据比较的温度差进行控制量的 换算，输出控制指令．各节点伺服系统动作调整回送水的流量，实现调 节热平衡的目的．其控制模型如图２所示． 经温度采集系统得到的各节点的回送水温度，经ＰＡＣ比较，得到 各节点温度与回送水到供热源处温度的差值△Ｆ，当△Ｆ＞０时表示节 点处的水温高于热源处回送水温度 否则低于热源处回送水温度． 当△Ｆ＞０且ｌ ＩＦ ｌ＞Ａ（预设值）时，经ＰＡＣ计算出伺服系统动 作指令，使该节点处的阀门往小关闭一定量，以减小回送水流量； 当△Ｆ＜０且ｌ ＩＦ ｌ＞Ｂ（预设值）时，经ＰＡＣ计算出伺服系统动 作指令．使该节点处的阀门往大打开一定量，以增加回送水流量． 经过上述的反复调整，最终使各节点间的温度差控制在（Ａ＋Ｂ） 以内，当然这里没有考虑测温误差． 图２ ＰＡＣ控制模型示意图 ２．２ ＰＡＣ自动控制方案 ＰＡＣ控制方案中可选用ＩＣＰＤＡＳ的Ｉ一７１８８ＰＡＣ控制器作为主控制器；采用通用数据采集卡进行温度 的数据采集；利用Ｉ一７１８８的计算功能进行温度比较，计算出控制指令，送节点伺服系统；伺服系统可用 步进电动机及步进电动机控制系统来实现；利用ＰＡＣ的通讯功能， 进行指令传送和运行状态码的传送．其方案示意图如图３所示． ３需要注意的几个问题 ３．１ 方案实现的关键 （１）由于供热系统反映的缓慢性，温度的采集的时间间隔不宜 太短．因为回送水温度的升高是缓慢的，尤其是节点后的用户群越 大升温越缓慢，用户群中的热平衡越好，升温越缓慢；预设值Ａ、 Ｂ不宜太小，否则调整系统将频繁动作，但也不要过大，否则影响 控制精度．另外预设值太小也没有太大的实际意义． 图３ ＰＡＣ控制方案示意图 （２）伺服系统的动作区间要设定最大和最小限定，尤其最小限定不能缺省．因为调节阀长期处于最 小状态将可能使用户结冰损坏供暖系统．启动初期应使调节阀处于中等偏大的位置． （３）伺服系统控制量应经过反复调试，找出合适的调整步幅，避免调整过度． （４）各各节点的伺服系统要定期检查，以确保伺服系统可靠运行． ３．２ 系统规模的影响 本文所述的控制系统，适于较大的或者供暖区域内的地势高差较大的供暖系统，其原因是：（１）当系 统较小时，手动调整基本可以实现，没有必要采用自动控制．（２）当系统较大时，距供暖源最近的节点和 最远的节点距离较大，最近的节点回送水温度已经达到较高温度时，而远处节点的回送水温度可能还很 低，此时供暖系统远处的回送水温度受近处节点回送水温度的影响，出现虚假高温，影响总控制的决策． 对于地势高差较大的供暖系统近处和与供暖设备处于同一水平面的节点回送水温度变化近似于大系统近处 节点的情况，而高处节点和远处节点温度变化情况近似于大系统远处节点的情况，采用ＰＡＣ自动控制后 各供暖区域内温度均衡，可收到良好的经济效益和社会效益 （责任编辑 胡 坤，王巍）
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