主流温度测量方案对比分析（含国产温度传感器芯片GX18B20）

温度测量方案对比分析分析
一、概述
温度测量存在于我们生活和工作的各个方面。我们可以测量单点的温度来反映整体环境温度，也可以测量多点的温度，综合反应环境状况。本文分析了单点测量，如何从一点扩展到多点。
我们针对以热电偶，热电阻，半导体温度传感器为前端，MCU电路测量系统是数据处理的核心。首先分析其基本结构，然后大致分析其特点和成本。我们的目标是获得数字温度信息，如测量室温为25摄氏度，我们认为在单片机中获得温度，是我们的工作，至于如何显示数字，或通过有线无线传输到云平台，如何存储，我们不再分析。
由于结构不同，成本会发生很大变化。本文努力给出一个成本范围的总体概述，方便读者简单判断。(这里的成本价格是参考值，不是绝对值。

二、测温系统的构成
当我们感知一个点的温度时，首先要有一个敏感的前端测温部件，可以是接触式或非接触式的。当温度变化时，该部件可能会产生电压、电阻或其他信号。之后，我们将这种变化的信号调整为方便采集的信号，最后将这种信号采集为数字信号。当然，一些传感器，特别是新的半导体传感器，可以将上述一个或几个部分结合起来，直接输出数字温度信息。

温度测量系统和成本分析由热电偶组成

1. 基本结构
   热电偶将环境温度转换为电压信号，放大小信号，收集数据，转换数据，获得温度值。整体结构如下:
   
   对于以上，热电偶是常见的K B E J T S N R类型。信号放大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，集成了信号放大和信号放大ADC，有的集合ADC与MCU。

2. 成本分析
   （1） 根据类型，热电偶的成本如下：
   
   根据类型、温度测量范围、温度测量精度、产品寿命、反应时间、引线方式、品牌、产地等因素，热电偶的价格会有很大差异。以上价格是一般参考价格范围。例如，常见的K J E热电偶，国产便宜几块钱左右，大部分从几块到二十块不等，进口产品从200到400不等。

（2） 部分电路成本估算
这部分包括信号放大，ADC、MCU与其其他配套成本。
若采用模拟放大电路，建立自己的信号放大，成本约为3元至5元，ADC加MCU最经济的，5元左右。总成本如下:

如果使用集成电路，例如MAX6675，信号放大和冷端补偿可以轻松实现，整体结构简单，稳定性增加，成本变化不大。ADC有放大能力的部分可以使用IC，比如TI的ADS热电偶电压信号可直接转换为数字信号。

3. 举例说明
假设我们测量环境温度，如仓库温度、空调出风口温度或室温。测量精度低，误差大±1摄氏度。采用K型热电偶，比较经济的测量电路。硬件总成本在16-31元左右。

再次，这里的测试是MCU有一个数据，比如环境是15摄氏度，这里就不讨论这个数据是如何传个数据了。
此外，成本将与生产量密切相关。我们在这里估计的价格约为一次生产500套左右的单价。而且不计算各种开工费。考虑以下其他成本。

四、由热电阻组成的温度测量系统

1. 基本结构
   热电阻将环境温度转换为电阻信号，我们将电阻信号转换为电压信号，然后收集数据，转换数据以获得温度值。整体结构如下：
   

   针对上述情况，常见的热电阻PT100, PT1000,Cu50, NTC, PTC等等。信号转换可以自己构建模拟电路，也可以使用厂家的集成电路。IC同时，集成了信号放大和信号放大ADC，有的集合ADC与MCU。

对于热电阻测量，我们也可以使用另一种结构将电阻信号转换为时间信号测量。也就是说，热电阻的电阻值是通过比较参考电阻和被测电阻在同一电容从而测量温度。整体结构如下：

2. 成本分析
（1） 成本如下：

根据类型、温度测量范围、温度测量精度、产品寿命、反应时间、引线方式、品牌、产地等因素，热电阻的价格会有很大差异。以上价格是一般参考价格范围。例如，常见的PT100热电阻，国产便宜5元左右，进口，做过各种保护，几千元。
NTC PTC如果是板载的，比如0603包装的，便宜的大概是0.1元，如果带外壳，带灌装，或带引线，2元到10元左右。

（2） 部分电路成本估算
这部分包括信号转换，ADC、MCU与其其他配套成本。
若采用模拟放大电路，建立自己的信号放大，成本约为3元至5元，ADC加MCU最经济的，5元左右。总成本如下:

如果用时间测量，成本会有一定程度的降低

3. 举例说明
   假设我们测量环境温度，如仓库温度、空调出风口温度或室温。测量精度低，误差大±1摄氏度PT100热阻，比较经济的测量电路。硬件总成本在13-29元左右。
   

   这里有一个简单的极限考虑。例如，我们对环境温度测量的要求特别低，正负误差问题不大，测量速度不要求，成本要求很低，测量点特别多，对产品一致性的使用寿命没有特殊要求。总成本如下：
   
   5.由半导体温度测量芯片组成的温度测量系统

4. 基本结构
   我们使用半导体温度测量芯片将环境温度转换为电压信号或数字信号MCU温度值直接收集或读取。整体结构如下：
   
   对于上述常见的温度测量半导体DS18B20, GX18B20, TMP112, LM75, SHT21等等。由这种传感器组成的系统结构非常简单，通过数字接口，如I2C, SPI,或者1wire连接，读取温度值。

5. 成本分析
   （1） 成本如下：
   
   （2） 部分电路成本估算
   此部分包括MCU与其其他配套成本。总成本如下：
   

6. 举例说明
   假设我们测量环境温度，如仓库温度、空调出风口温度或室温。±0.5摄氏度。我们使用更经济的无电源芯片GX18B20温度传感器(北京中科银河芯科技有限公司)总硬件成本约7.3-10.8元左右。
   
   六、比较三种温度传感器的结构和成本
   综合以上分析，环境温度测量采用热电偶、热电阻和半导体温度传感器。大致可以得出以下结论。
   如果测量低温(零下40℃以下)或高温(120℃以上)可采用热电偶或热电阻，半导体不合适。半导体测量结构最简单，如果是测量常见的环境温度。
   在精度要求不高的情况下，采用NTC或者PTC热电阻结构的测量成本最低。

七、比较三种测温方法的功耗

热电偶：

热电阻：

半导体芯片测温方法：

从上图结构来看，热电偶测温电路需要信号放大电路和ADC电路、信号放大电路功耗高，是三种方案中功耗最高的。半导体芯片的温度测量方法只是芯片温度测量电路的功耗和功耗MCU三个方案中功耗最低。热电阻测温方法需要R-V电桥或恒流源一般实现转换电路，功耗居中。

在这篇文章的最后，我觉得测量温度的情况太多了，温度传感器种类太多，包装类型太多，精度差异太大，所以一般的分析，想要得到一个简单的答案或价格趋势是非常牵强的。但对于温度测量精度要求较高的场合，半导体芯片温度测量方法功耗最低，价格相对便宜。