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摘要：智能手機已經在人們生活中得到廣泛的應用，很多應用程序可以在手機上進行安裝運行。應用之一就是人們獲得外界溫度，目前多數方式是通過應用程序，直接或者間接地通過國家氣象局獲得外界溫度。但是由于數據更新較慢并且溫度是一個較大地域范圍內的溫度，不能實時反應使用者周圍溫度，還需要數據網絡暢通。本文介紹一種通過手機上的溫度傳感器對使用者周圍環境溫度實時準確測量方法。 引言 本文提供一種利用手機溫度傳感器(后文的圖、表中簡稱為溫感) [1]比較精確測量環境溫度的方法，利用手機內部的兩個溫度傳感器，通過一系列實驗室校準測試，達到準確測量環境溫度的目的。用此方法在部分終端設備中可用晶體[2]代替溫補振蕩器[2] 。 1 目前手機測量環境溫度現狀 目前市面上多數手機不具備環境溫度測量功能。經過試用發現，帶溫度測量功能的手機測試結果也不夠準確，而且隨著手機運行應用程序的不同，測量的結果也會發生變化，說明手機本身的發熱對溫度傳感器的測量有影響。如果需要比較準確的測量外界環境溫度，則需要考慮手機本身發熱對溫度傳感器的影響。如何消除這種影響，將是本文討論的重點。 2 手機主板結構 目前市面上常見主板結構分為兩種。2.1 單一主板結構 手機所有的器件、傳感器均放在同一電路板上，由于手機印制電路板[3]具有良好的導熱性，手機處理器等器件工作時發熱，熱量通過印制板向四周輻射，對溫度傳感器測量結果的影響尤為明顯。2.2 主板+板結構 目前多數較大屏幕尺寸的手機、平板電腦采用此方式，子板上有天線連接器等與主板之間通過柔性連接器或者射頻電纜等相連接。如果將測量環境溫度的溫度傳感器放在子板上，則可以很大程度降低主板的影響，但是由于主板、子板是在同一手機殼中，主板的熱量會輻射到手機殼內的空氣中，導致手機殼內的溫度上升，手機殼內的溫度又會影響子板上溫度傳感器的測量，故主板的影響仍然不能忽略。 3 主板對溫度傳感器測量的影響 由于主板上有處理器、電源管理等芯片。在手機運行應用程序時，比如看視頻、玩手機游戲等，這些芯片將會產生大量的熱量。如果想消除這些芯片發熱對溫度傳感器的影響，必須測量出主板溫度與溫度傳感器測量誤差間的關系。 假設溫度傳感器放置在主板上(如果放在子板上，分析方法相同。)，相對位置見圖1。 圖1僅畫出部分器件的示意圖及相對位置。溫度傳感器2用來進行使用者周圍環境溫度的測量，故其要盡量遠離單板上的熱源。溫度傳感器1用來進行主板溫度的測量，這樣可以確定出主板溫度對環境溫度測量的影響。手機中某些芯片(如：射頻接收機芯片)內部帶有溫度檢測單元，可以用來替代溫度傳感器1。3.1 校準溫度傳感器1與溫度傳感器2 在溫度傳感器上貼熱電偶[1](熱電偶1貼在溫感1上，熱電偶2貼在溫度傳感器2上。)，放置在溫箱中，改變溫箱的溫度，讀出各熱電偶的值與溫度傳感器的值進行比較，對溫度傳感器進行補償。溫度傳感器的補償以熱電偶讀數為基準。溫度傳感器在不同溫度的讀數見表1。 根據表1求出溫度傳感器1、溫度傳感器2在不同溫箱溫度的補償值，見表2。 根據表2可以得到不同溫度范圍的補償值，在同一溫度區間的每一溫度，認為溫度補償值相同。根據實際測試發現，不同溫度范圍的補償值相差甚微，可以采取平均值方法[4]，對所有溫度范圍的補償值用一個平均補償值，即：溫度傳感器1補償值： (1) 溫度傳感器2補償值： (2) 此補償值也即是溫度傳感器測量誤差，測試結果為測試值加上該補償值，即為實際的溫度值。 3.2 測試主板溫度對溫度傳感器2的影響 整機上電，溫箱溫度為一確定溫度，此處不考慮整機對溫箱溫度的影響，實際中選擇較大體積的溫箱，此影響完全可忽略。在手機上運行專用性能測試軟件，傳感器1在不同穩態溫度時，記錄溫度傳感器2的讀數。 溫箱溫度可以一個固定的間隔進行設置，比如以五攝氏度或者十攝氏度為間隔。同樣主板溫度也以一個固定的間隔進行測試，通常兩個間隔相同。記錄參數如見表3。 通過表3，可以計算出在不同主板溫度時，不同環境溫度(即為溫箱溫度)時溫度傳感器2的補償量。補償量見表4。 通過實際測量發現，在一個主板溫度區間(間隔為5、10攝氏度)內，不同溫箱溫度區間(間隔為5、10攝氏度)內，溫度傳感器2的補償值是固定的。 4 補償表的使用方法 表4中給出溫度傳感器2的補償量。前面假設在不同溫箱溫度區間內，溫度2的補償值是固定的，同時溫度傳感器2的溫度變化區間值與溫箱溫度區間值相同。假設：Te1溫箱溫度的區間大小為a，則對應溫度傳感器2的測量溫度值的區間也為a。由于每個溫度區間的補償值不一樣，可能會出現相鄰兩個溫度傳感器2的區間會出現部分重疊。下面分別舉例說明溫補表的使用方法。4.1 溫度傳感器2區間不重疊 假設溫度傳感器1的測量值為A，溫度傳感器2的測量值為B，則：溫度傳感器1根據(1)式的誤差補償，補償后其值為A+?1;溫度傳感器2根據(1)式的誤差補償，補償后其值為B+?2。假設：溫度傳感器1補償后對應的溫度區間為T112;溫度傳感器2補償后對應的溫度區間為Tm22，則對應溫度傳感器2的補償值為?2m，則對應的溫箱溫度Tt(環境溫度)為：Tt=B+?2+?2m4.2 溫度傳感器2區間重疊 重疊區間的補償值為相鄰兩個區間補償值的平均值。假設溫度傳感器1的測量值為A，溫度傳感器2的測量值為B則：溫度傳感器1根據(1)式的誤差補償，其值為A+?1;溫度傳感器2根據(1)式的誤差補償，其值為B+?2。假設溫度傳感器1補償后對應的溫度區間為T112;溫度傳感器2補償后的值在Te1、Te2的重疊區，則用T122、T222對應溫感補償值的平均值作為溫度傳感器2的補償值，則補償值?N為： 則溫度傳感器2對應的溫箱溫度Tt(環境溫度)為： 5 實際應用舉例5.1 溫度傳感器2補償表實例 應用本文中提到的方法，對一款大屏幕手機測量外界溫度的溫度傳感器進行了相應的補償測量實驗，由于中間測量數據非常龐大，本例中只給出溫感1、溫感2的校準值與最終的溫感2的測量補償數據(即表4對應的數據)。具體數據見表5(溫度間隔為10℃)。 注：表中的溫度值均為溫度區間的中間值;由于手機工作時其電路板上的器件會發熱，此款手機在非待機狀態下其主板的溫度不低于20℃，故此表中溫度傳感器1的最低溫度區間為25℃。 溫度傳感器1測量校準值為0.4℃;溫度傳感器2測量校準值為0.2℃。 5.2 實際測試驗證 用已完成補償表測試的手機進行實際溫度測量：專業溫度測量設備讀取值為28攝氏度;溫度傳感器1的讀數值為35℃，補償校準值后為35.4℃，溫度傳感器2的讀數值為29.3℃，補償校準值后為29.5℃。則根據表5查詢可得到補償值為-1.1攝氏度，則補償后溫度傳感器2的值為： T2=29.5+(-1.1)=28.4℃ 經過多次測量補償計算后，溫度測量的誤差均在±1℃內。能夠滿足日常使用要求。 6 結論 由于測量溫度的溫度傳感器對外界的影響較敏感，比如手握可能導致測量誤差較大;并且與整機的器件布局相關。本文提供的方法，在部分產品上已進行應用，均能獲得較準確的測試結果，測試精度能達到±1℃，滿足日常測量要求。 參考文獻： [1]程德福,王君,凌振寶等.傳感器原理及應用[M]. 北京:機械工業出版社,2008 [2]趙聲衡,趙英.晶體振蕩器[M]. 北京:科學出版社,2008 [3]周旭.印制電路板設計制造技術[M]. 北京:中國電力出版社,2012 [4]錢政,賈國欣.誤差理論與數據處理[M]. 北京:科學出版社,2013 [5]李泉用FPGA實現碼速變換[J].電子產品世界，2007(4)：34-36 |
