基于石英传感器的数字遥测温度系统设计

论文摘要

随着工业的不断快速发展,温度作为工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一,测量要求越来越高,测量范围越来越广。我们希望在大多数情况下都能快速、准确地测量温度。特别是在一些人类不能或不便进入的场合,温度测量如何达到快速、精确、稳定、便利就成了人们近年来的研究课题。石英晶体温度传感器由于其高分辨率的特点而发展迅速,但我国的研究距离高精产业化尚远。随着电子信息产业的飞速发展,数字电路的广泛应用,对石英晶体温度传感器的数字化、小型化、高频率稳定度及一些特殊要求也越来越高。本文首先从理论上阐述了石英晶体测温的原理,并通过Christoffel方程讨论了Y切型（YXL+5o）石英晶体的频率-温度特性,结果显示在一段较宽的温度范围内,Y切型（YXL+5o）石英晶体的频率都同温度成线性比例,且灵敏度高达94×10-6/℃。唯一不足的是这种石英晶体有一定的非线性误差,我们通过迭代法对其进行了误差修正。Matlab的仿真结果显示当ΔT =100℃时,其误差小于2.8‰℃。由这种石英晶体制成的温度传感器具有高精度、高灵敏度和高稳定性的特点,并且由于传感器输出的是频率,所以可以不用进行A/D转换而直接通过微处理器进行处理。本课题设计的数字遥测温度系统包括温度采集模块、信号处理模块、无线收发模块和显示模块。温度传感器是由Y切型（YXL+5o）石英晶体制成的,它将当前温度T转换成频率f （T ）输出,并经过混频,得到一个较低的频率。这个频率可以直接送入单片机AT89S52计数,通过数学计算模型将计数值N转换成温度码。接着将温度码通过无线收发芯片nRF401进行收发,最后在LCD上显示出来。由于本课题设计的是遥测系统,因此抗干扰显得尤为重要,本文最后分别从硬件角度和软件角度讨论了各种抗干扰的措施。实验结果显示,本课题设计的数字遥测温度系统的分辨率为0.001℃,有效通信距离可达50米。同时说明了利用石英晶体的频率-温度特性测温的方法是可行的,并且实现了遥测,数字温度遥测系统可应用于工业检测特别是某些人类不能或不便进入的场合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 温度测量技术的发展概况
• 1.2 石英晶体测温法的发展现状和趋势
• 1.3 本课题要解决的主要内容和目标
• 1.3.1 课题解决的主要内容
• 1.3.2 预期达到的目标
• 第二章 石英晶体测温的基本原理
• 2.1 石英晶体
• 2.1.1 石英晶体的物理特性
• 2.1.2 石英晶体的频率温度特性
• 2.2 双旋Y 切石英振子T 模的分析
• 第三章 石英晶振遥测温度系统的硬件设计
• 3.1 系统概况
• 3.2 温度测量模块设计
• 3.2.1 适应晶体的选择
• 3.2.2 振荡电路设计
• 3.3 信号处理模块设计
• 3.3.1 微处理器的选择
• 3.3.2 微处理器测温原理
• 3.4 无线收发模块设计
• 3.4.1 无线收发芯片的选择
• 3.4.2 单片无线收发模块nRF401
• 3.5 显示模块设计
• 第四章 石英晶振遥测温度系统的软件设计
• 4.1 主程序设计
• 4.1.1 发送端处理流程
• 4.1.2 接收端处理流程
• 4.2 温度采集及数据处理子程序设计
• 4.2.1 石英晶体测温的误差修正
• 4.2.2 单片机控制程序
• 4.2.3 误差修正后的频率-温度换算程序
• 4.3 nRF401 无线收发子程序设计
• 4.4 LCD 显示子程序设计
• 第五章 系统抗干扰设计
• 5.1 硬件抗干扰设计
• 5.1.1 芯片配置与抗干扰
• 5.1.2 总线的可靠性设计
• 5.1.3 时钟电路的配置
• 5.1.4 复位电路的设计
• 5.2 软件抗干扰设计
• 5.2.1 无线信道抗干扰方案设计
• 5.2.2 卷积码编码原理及Viterbi 译码
• 5.2.3 交织原理及方法
• 5.2.4 编译码测试
• 第六章 结论与分析
• 6.1 实验结论和分析
• 6.1.1 实验结果及分析
• 6.1.2 总结
• 6.2 实验用主要部分PCB 板和实验样品图
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士期间取得的主要研究成果