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摘要：随着生产科技化发展，温度参数的准确测量在生产品质、效率和安全性等方面发挥着重要作用。温度传感器被广泛应用于工农业生产、科学研究及生活等领域，在某些密闭空间温度计量校准应用中，传统温度传感器已经不能满足需求。研究的主要步骤为先设计小型高稳定性纽扣电池设计精密恒流源及高精密运放电路。接着利用ZigBee芯片设计无线数据传输功能模块，研发温度数据读取软件，通过USB等连接方式读取温度采集器内存储的温度数据，并进行显示和统计分析。最后，选取Pt1000工业铂电阻作为传感元件，考虑外部压力、湿度等环境因素，对传感器进行相应的封装设计，并通过仿真与实验验证理论分析的正确性与有效性。

关键词：温度传感器;密闭空间;高度集成小型化;高精度;无线数据传输;

一、项目分析设计

1.1项目背景

国内对于温度采集研究精力多集中于高精度、探头和采集系统分离式温度采集设备，体积较大。对于密闭环境中使用的温度记录仪研究较少。具备宽温度范围、高精度、小型化、全密闭、低功耗的可计量功能的可用成品稀少。

国外对于密闭空间的温度记录仪的研究较为成熟，美国MadgeTech公司开发了一款微型可潜水的温度记录仪MT-MicroTemp，体积特别小巧，仅为66毫米高和18毫米直径，可以适应任何狭小的空间。其工作温度范围为（-40～+80）℃，测量精度为±0.5℃。在典型使用条件下，电池寿命长达一年，同时可更换电池，其数据容量为32767组。法国TMI-Orion公司研发了多款温度验证仪，测量精度可达±0.1℃。针对不同的使用环境设计了不同型号的温度记录仪。温度使用范围较广，可配置多探头。除了防水型，针对特殊应用，还设计了防爆型。在新一代的TMI-Orion实时温度记录仪中，采用基于IEEE 802.15.4的技术，允许多个记录仪在同一空间工作。德国TESTO的Testostor 171-3是一个配有内置式探头的精密数据记录仪，内置相对湿度传感器、NTC温度传感器，相对湿度测量精度±2%RH，温度精度±0.6℃;内存容量55000个测量值，尺寸131×68×72mm。上述温度记录仪，售价极高，每只售价近3万元人民币。在一些应用中，如真空干燥箱温度校准时，要同时使用9个温度记录仪，校准成本较高。在一些大空间，如冷链运输车、大型冷库的温度校准需要的记录仪更多，其计量校准成本更为巨大。目前，国内使用的密闭空间中的温度记录仪多为国外产品或国内代理商进口后贴牌。随着国内工业的转型升级，工业中的温度监测与验证需求日益增长，使用量将急速增长。在经济利益的驱动下，国外温度记录仪生产厂家垄断经营，其生产的温度记录仪价格昂贵。

1.2项目规划发展意义

温度传感器被广泛应用于工农业生产、科学研究及生活等领域，数量高居各种传感器之首。在精密化学、生物医药、精密仪器等领域对温度控制精度的要求也日益严苛。现代医疗和工业不仅对温度测量的精度提出要求，同时也对温度采集的实时性提出要求。特别是在某些密闭空间温度计量校准应用中，传统温度传感器与测量电路和数据采集存储系统分离的测量装置已经不能满足需求。如制药（大输液灭菌、胶塞清洗灭菌、冻干、高温除热源等）、食品加工（肉制品、罐头、果冻、番茄酱等）、医疗（清洗、消毒、灭菌控制）、饮料（清洗、热灌装、恒温控制等）、烟草（恒温恒湿控制）等行业相关仪器设备，要求温度传感器与测量系统、数据采集存储系统高度集成小型化。这不仅要求温度记录仪具有较宽的温度测量范围，还需求其能长时间在较高或较低温度、高湿度环境中能够保持可靠性。

针对这一现状，本研究提出开发一种具有自主知识产权的小型化高精度温度记录仪。该装置将具备自主知识产权，可批量化生产，有助于降低大型密闭空间的温度校准成本，具有重大的研究价值。

1.3项目设计技术分析

本项目提出的温度记录仪的关键技术瓶颈是测量温度范围较宽，达到（-40～+140）℃，温度测量精度要求高，达到±0.1℃;尺寸小，功耗要求低，续航时间长;测量电路和传感头同在待测环境中，测量电路的温度适应性要求高。针对上述三点关键技术瓶颈，逐项进行可行性分析。采用铂电阻测温是高精度测温的常用方法，方法具有普适性和通用性。二线、三线和四线式电路都有相关报道。铂电阻的测温范围可达-200～800℃，完全可以满足测量范围要求。1/10B级PT1000虽然在（-40～+140）℃精度上不能完全满足±0.1℃，但是可以通过后期数据处理和标定的方式进行精度提高。系统功耗上，通过软件方法实现系统工作和非工作切换，降低系统的平均功耗，提高系统续航时间。测量电路和探头都在待测环境中，测量电路的温度效应较明显，这与传统的探头和测量电路分离式有较大不同。通过选取低温漂元器件，辅助局部隔热技术、电路补偿等技术，可降低测量电路的温度影响。

1.4项目工作原理分析

温度记录仪采用316L不锈钢作为外壳加工材料，通过精密机床加工，实现其防水和抗压力性能。提出拟采用Pt1000作为温度传感器，并进行特殊的封装，同时匹配对环境温度变化不敏感的高精度高稳定小型化测量电路，实现（-40～+140）℃的宽测量范围，实现±0.1℃的测量精度。采用纽扣电池，低功耗的测量电路，通过程序实现非采集信号时系统待机，采集时唤醒等降功耗方法，将温度记录仪的工作时间延长至480小时。内部存储模块通过USB等接口与计算机相连，并通过上位机软件对存储数据进行读取和分析。软件内置校正曲线可以对验证仪进行定期校准，以保证验证仪的测量精度和可靠性。

二、技术特点与创新

2.1主要技术特点

1.测量温度范围较宽，达到-40～+140℃，分辨率达到0.01℃，精度达到±0.1℃，适用范围广;

2.密闭空间长时间温度数据记录存储。

2.2优势与创新点

传统的温度记录仪测温范围窄且精度低，不能保持在密封环境中的稳定测量。在温度方面要求严格的场合下不能适用。本项目从以下三方面进行了创新：

1.低功耗

在芯片的选型，选择使用低功耗芯片，且程序设计高效简洁重复可利用，减少电量损耗。

2.高集成度

高集成度主要体现在芯片封装的选择上，选择小型化封装，芯片选择多功能高集成度芯片，保证产品的体积小型化、集成度高。

3.耐高低温

本设计所选择的主控芯片、温度采集芯片、电源管理芯片和电池都可以-40℃～+140℃宽范围的环境下进行正常工作。

通过这三方面设计了一种体积非常小，可以长时间保持在较高或较低温度、高湿度环境中可靠测量的小型化温度记录仪。产品的实物图如图2-1所示。

三、功能设计

3.1主控模块

本设计采用ST公司的STM8AF6223作为系统的主控芯片，用于获取并存储温度数据、工作模式选择、恒流源校准、数据的传输、电池电量检测及指令接收。STM8AF6223是一款多协议、宽工作电压范围（3～5.5）V、宽工作温度范围（-40～150）℃的8-bit MCU。主控MCU通过单总线与数据传输模块进行数据传输，通过片上10-bit ADC对电池电量进行采集检测。主控模块的硬件电路与原理图如图3-1所示。

3.2温度采集模块

选取系统的RTD温度采集模块时，考虑到低功耗、高精度、小尺寸、低噪声等设计要求，选用了PGA900芯片。以3.6V电源供电。PGA900芯片针对温度信号进行放大、模数转换，每路采集精度均为24位，本设计通过寄存器配置为16位进行模数转换输出，用片上ARM Cortex M0处理器进行温度标定、非线性补偿运算。温度传感器的放大倍数可供选择为1.33、2、5、20倍。温度传感器使用VINPP和VINPN两个差分信号接口，芯片在与FPGA进行通信时使用IIC接口SDA、SCL。在设计中将公共地GND与模拟AGND以0Ω电阻连接，确保有共同的参考地。PGA900模数转换芯片的外围详细电路设计如图3-2所示。

3.3 数据存储模块

本产品采用MICRCHIP公司的25LC256-H作为数据存储芯片，25LC256-H是一款SPI串行数据通信协议、电可擦写（大于1000000次）、宽温度范围（-40～150）℃的存储芯片。25LC256-H的存储有256KB，32，768个8位存储空间，若以10秒一个数据进行存储，可存储至少30个小时的数据，即其数据存储可以满足本设计采用的10秒1天，20秒两天及1分钟一周的数据总量。EEPROM存储模块硬件电路原理图如图3-3所示。

3.4 电池管理模块

电池管理模块主要由LINEAR公司的LTC3124和LT3060-5构成，LTC3124是一款升压DC-DC转换器，其输入电压为（1.8V～5.5）V，用于给电池进行升压，其工作范围较宽（-40～150）℃。LT3060-5是一款微功率、低压差电压（LDO）线性稳压器，能够在1.6V至45V的输入电源范围内运作，其工作温度较宽（-40～150）℃，内部保护电路包括反向电池保护、反向输出保护、反向电流保护、具有折返电流限制和热停机。电池管理模块的原理图如图3-4所示。

四、系统实现

4.1采集系统实现

温度记录仪开始后上电自锁，对系统、PGA900、EEPROM进行初始化，主控芯片解析单总线发送指令，若为单次采集命令，则采集一个温度数据，通过单总线将温度数据传输并修正温度数据;若为启动采集指令，读取上位机发送的校正值和工作模式，判断采样延时时间，当触发等待延时，进行温度均值滤波，将温度值存储在EEPROM中;若为停止采集指令，则停止采集温度;若为保持开启指令，则进行复位掉电程序;若为掉电指令，则启动掉电程序，温度记录仪断电停止工作;若为修改工作模式指令，则将修改后的工作模式存储到EEPROM中;若为修改温度修正值指令，则将温度修正值存储到EEPROM中;若为电池电量指令;则读取电池电量，并将电量值存储到EEPROM中;若为擦除存储器指令，则将EEPROM中的温度数据擦除;若为读取存储器数据指令，则通过判断标志位，每次读取一位数据，通过单总线将数据传输出去，数据全部传输完毕后停止传输。

本项目的EEPROM存储信息数据信息分为电池电压信息、恒流源校准电流信息、数据末尾地址信息、工作模式选择信息及24-bit温度信息。其电池电压信息、恒流源校准电流信息、数据末尾地址信息、工作模式选择信息结构如图4-1可知。

4.2上位机实现

软件采用Visual Studio编写的标准Windows界面，界面上包括Stop、ClosePwr、采样时间、Erase、Start、ShutDown、W 025℃、W 125℃、BAT、Read、Single、Read_TxT等命令按钮。每点击一个命令就会完成特定功能。方便用户的操作，界面简单明了。读取界面如图4-2所示。

温度记录仪读取系统采集数据时首先选取合适的端口和传输波特率，根据被测物体的实际情况选择合适的采样节点，点击ClosePwr按钮开始供电。开始采集数据之前，如果只想读取本次温度采集的数据，可选择点击Erase按钮，那么之前所储存在EEPROM存储器中的数据将被清除，相反不点击Erase按钮那么之前储存在EEPROM存储器中的数据将会和本次测量的温度数据一起导出。将工业温度记录仪放入标准的25℃环境中点击W025℃按钮和125℃环境中W125℃按钮，完成对温度的标定，使得接下来测量的数据更加精确。标定完毕之后点击Start按钮开始采样，采集到的数据将会保存在EEPROM存储器中，根据温度记录需求如果温度数据足够想要停止采样，可点击Stop按钮停止采样，否则默认采样节点全部采集完毕结束采样。采样结束之后开始查看采样数据，通过点击Read按钮，将储存在EEPROM存储器中的数据导出在对应的TxT文档中，读取相应路径的文档，采集到的温度数据将会显示在Temp（℃）-Time（S）折线图上。同样也可通过点击Read_TxT按钮，选择保存好的相应路径打开TxT文档查看温度数据，该方法在工业温度记录仪断电之后仍可查看温度数据，使得读取温度数据更加方便。在查看完数据之后，点击ShutDown按钮，停止对温度记录仪的供电。

五、市场与分析

5.1 市场情况

据2020-2026年中国温度记录仪行业研究分析及市场前景预测报告显示，我国已成为国际温度记录仪行业规模最大的国家之一。国内对于温度记录仪的研究精力多集中于高精度。但是对于密封环境下、防水、低功耗等方面研究较少。现有产品多为国外产品或国内代理商从国外进口后贴牌。在经济利益的驱动下，国外温度记录器生产厂家垄断经营，其生产的温度记录仪价格昂贵，且部分温度记录仪不能达到超高温测量。

随着国内产业的转型升级，工业、食品制造业以及制药医疗行业等中的温度监测与验证需求日益增长，使用量将急速增长。本产品从外形、功能和使用等层面上均做出了突破性的创新，且价格低廉、功能齐全。另外随着国内工业的转型升级，工业中的温度监测与验证需求日益增长，使用量将急速增长，且在国内市场中没有绝对的龙头企业，因此本款产品的市场需求量将会庞大。

5.2 前景展望

通过本次的芯片选型、原理图设计、PCB 制板和逻辑功能控制，微功耗记录仪可以较好的实现传感器数据的完整采集存储，并通过上位机将其读取出来。但是对于设计的初期还依旧存在着一些缺陷，需要以后的改进和弥补：

1.沉浸式温度记录仪在数据传输方面有大致3种传输方式：串口传输方式;单总线传输方式;无线传输方式;对于小型化精密器件来说，USB串口硬件封装在设备体积上产生了巨大的局限性，且将束缚电路板面积，串口传输的设计风格占国内设计的主导方式，设计方法较为简单，且设备体积较大;而我们完成的是单总线传输方式，通过主从结构的单总线通信协议的设计，我们更方便且高效的完成了数据的传输和校验，我们给设备及电路体积进行了充分的优化，若能找到或定制更小体积的高温电池，我们的设备体积可以非常小; 无线传输方式对于本产品来说是一种挑战，商用或工业上的蓝牙、zigbee、WiFi等无线传输方案，无法满足耐高温的环境存储甚至工作，所以通过设计和利用线圈无线传能方式解算通信信号成为接下来要面临的设计挑战。在有线传输方面，我们的设计已经可以比肩国外知名大品牌的设计方式，后续我们将研发无线传输方式的沉浸式温度记录仪。

2.设备体积约束：设备的整体体积主要取决于耐高温的锂亚硫酰氯电池，在投入生产、上市之后，我们将定制小体积的耐高温电池，从而极大的减小设备体积，能更加灵活的应用和放置。

3.设备封装约束：本产品目前仍在研发阶段，设备封装是通过3D打印的不锈钢316L结构完成，在量产阶段将采用CNC加工或冲压方式，完成轻便、体积小的封装特征。

4.本次所设计的工业温度记录仪需将数据线端头插入记录仪内部才能读取温度，当橡胶圈密封不严时，液体会进入记录仪内部腐蚀电路，后面将继续改进，采用无线线圈和有线插座的方式传输数据以保证在读取数据时记录仪内部的密闭性。

参考文献

[1] 张轩， 黄明， 汪弈舟，等. 高精度温度采集系统的设计与实现——基于宽温度环境中[J]. 工业技术创新， 2019， 006（002）：96-100.

[2] 纪金龙. 食品冷链物流温度校准现状和方法探讨[J]. 计量技术， 2017（5）.

[3] 孟立凡，蓝金辉. 传感器原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2009.

[4] 刘强， 朱列书. 不同温湿度对片烟自然醇化过程中主要化学成分的影响[J]. 湖南农业科学， 2012（15）：99-102.

[5] 林燕，薛钰芝，周立梅，等. 高精度智能温控系统的实现[J]. 控制工程，2005，12（3）：273-275.

[6] 彭斌， 周平. 便携式温场测量仪的设计与实现 [J]. 微电子学， 2006， 36 （4）：529-532.

[7] 薛清华.高精度多通道温度测量技术研究[D].武汉：华中科技大学出版社，2007，5.

[8] 安海骄， 施鑫. 热量表检定装置多点位-实时温度测量方法[J]. 自动化与仪表， 2017， 032（003）：17-20，34.

[9] 翟亮， 钱晓平， 江剑辉，等. 多元阵肿瘤热疗系统的实时温度测量与控制[J]. 中国医疗器械杂志， 2004， 27（003）：56-57.

[10] 高雅妮， 刘志国， 张文昌，等. 基于ATmega48单片机的车载血库数字温度记录系统研究[J]. 医疗卫生装备， 2009（03）：35-37.

[11] 郑光辉， 刘记妹. 浅谈大容量注射剂中间产品的质量控制[J]. 机电信息， 2018， 000（005）：51-54.

[12] 狄科. 茶类食品加工过程中的温度控制条件分析[J]. 福建茶叶， 2018， 40（12）：20.

[13] 胡箭卫. 控制蜂胶加工的质量[J]. 中国蜂业， 2007.

[14] 王春芳. 超高压与温度的协同杀菌效应及其动力学研究[D]. 2019.

[15] 黄邵军，罗学辉，张建群，诸佳辉. 副溶血性弧菌的菌株特征分析及不同温度对杀菌效果的研究[J]. 中华微生物学和免疫学杂志， 2019， 39（7）：527-531.

[16] 吴阳佑. 流体超高温杀菌机的恒温控制方法及优化[D]. 2017.

[17] 廖欢. 双冷热源恒温恒湿空调机组在烟草检测室的应用[J]. 邵阳学院学报：自然科学版， 2012（03）：44-48.

基金项目：天津市大学生创新训练计划项目（项目编号：202110058079）