主流温度测量方案对比分析(含国产温度传感器芯片GX18B20) |
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温度测量方案对比分析 一、概述 温度测量存在于我们生活与工作的方方面面,我们可以测量单点的温度体现整体环境温度,也可以测量多点温度,综合反应环境情况。本文针对单点测量的情况进行分析,如何从一点扩展到多点不做讨论。 我们针对以热电偶,热电阻,半导体温度传感器为前端,MCU为数据处理核心的电路测量系统。首先分析其基本结构,再大致分析其特点与成本。我们的目标就是得到一个数字的温度信息,比如测量室温是25摄氏度,我们认为在单片机内得到这个温度,算是我们工作完成,至于这个数字如何显示出来,或者通过有线无线传输到云平台之类,如何存储,我们不再进行分析。 由于结构的不同,成本会有很大的变化,本文力求给出一个概略的成本范围,方便读者简单判断。(这里成本价格是个参考值,并非绝对值。) 二、测温系统的构成 我们感知一个点的温度,首先要有个敏感的前端测温部件,这个部件可以是接触式的或非接触式的。当温度变化时,此部件可能产生电压的变化,电阻的变化或者其它信号的变化。之后,我们将这个变化的信号进行调理,变换成我们方便采集的信号,最后将这个信号进行采集,变为一个数字信号。当然某些传感器,尤其是新型的半导体传感器,可能综合了以上一个或几个部分,直接输出了数字温度信息。 三、热电偶构成的温度测量系统与成本分析 基本结构 热电偶将环境温度转换为电压信号,我们将小信号进行放大,数据采集,数据变换,得到一个温度值。整体结构如下: 成本分析 (1) 热电偶根据类型,成本如下: (2) 电路部分成本估算 此部分包括信号放大、ADC、MCU和其它配套成本。 如果利用模拟放大电路,自己建立信号放大,大约成本在3元到5元不等,ADC加MCU用最经济的,大约5块以内。整体成本如下: 四、热电阻构成的温度测量系统 基本结构 热电阻将环境温度转换为电阻信号,我们将电阻信号变换为电压信号,之后数据采集,数据变换,得到一个温度值。整体结构如下: 针对以上,热电阻常见有PT100, PT1000,Cu50, NTC, PTC等类型。信号转换可以自己用模拟电路构建,也可以使用厂家集成电路,很多IC同时集成了信号放大与ADC,有些则集合了ADC与MCU。 针对热电阻测量,我们也可以采用另外一种结构,将电阻信号变换为时间信号测量。即通过对比参考电阻与被测电阻在同一电容上的放电时间,测量热电阻的阻值,从而测量温度。整体结构如下:
(2) 电路部分成本估算 此部分包括信号转换、ADC、MCU和其它配套成本。 如果利用模拟放大电路,自己建立信号放大,大约成本在3元到5元不等,ADC加MCU用最经济的,大约5块以内。整体成本如下: 举例说明 还是假设之前的例子,假设我们测量环境温度,比如仓库温度,空调出风口温度或者室温情况。测量精度不高,误差±1摄氏度。采用PT100热电阻,比较经济的测量电路。整体硬件成本大约在13-29元左右。 这里可以进行一个简单的极限考虑,比如我们对环境的测温要求特别的不高,误差正负两三度都问题不大,测量速度也没有要求,成本要求很低,要求测量点特别多,对产品一致性使用寿命都没有特别的要求。整体成本大约如下: 基本结构 半导体测温芯片将环境温度转换为电压信号或者数字信号,我们利用MCU直接采集或读取温度值。整体结构如下: 成本分析 (1) 常见数字温度传感器,成本如下: 举例说明 还是假设之前的例子,假设我们测量环境温度,比如仓库温度,空调出风口温度或者室温情况。误差±0.5摄氏度。我们采用比较经济的不需要电源芯片的GX18B20温度传感器(北京中科银河芯科技有限公司),整体硬件成本大约在7.3-10.8元左右。 七、比较三种测温方式功耗 热电偶: 这个文章写到最后,感觉测量温度的情况太多了,温度传感器种类太多,封装类型太多,精度差别太多,这样笼统的分析,想得到一个简单的答案或者价格趋势是非常牵强的。但是对于测温精度要求较高的场合,半导体芯片测温方式是功耗最低,价格也相对便宜的。 |
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