一體化智能溫度變送器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要:針對傳統(tǒng)溫度儀表存在測量精度低、傳輸距離遠(yuǎn)以及非智能等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種一體化智能溫度變送系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103為主控制器，以XTR108為溫度檢測處理核心，采用陶瓷Pt100鉑熱電阻作為溫度傳感器，利用STM32F103內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集,通過WiFi方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)還預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流接口供其他工業(yè)儀表使用。實(shí)際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)測量的相對誤差小于0.05%,可實(shí)現(xiàn)測量結(jié)果無線傳輸?shù)墓δ?，具有測量精度高、傳輸便捷等優(yōu)點(diǎn)。

0引言

溫度是工業(yè)檢測中一個(gè)重要的參數(shù)。傳統(tǒng)的溫度變送系統(tǒng)是測溫元件通過大量補(bǔ)償導(dǎo)線，經(jīng)長距離引入控制室，再將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA信號(hào)早。此種溫度變送系統(tǒng)存在傳輸距離長、測量精度低、非智能以及維護(hù)困難等缺點(diǎn)。隨著集成電路和嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，溫度檢測也朝著智能化的方向發(fā)展,本文設(shè)計(jì)了一種一體化智能溫度變送系統(tǒng)。該系統(tǒng)將測溫元件、溫度傳感器、無線傳輸模塊集成到一起，從而形成一體化智能變送系統(tǒng)。該智能變送系統(tǒng)可以通過WiFi通訊方式與PC機(jī)連接，通過PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對變送器量程管理、變量監(jiān)測和維護(hù)的功能，與此同時(shí)，該系統(tǒng)還可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC中進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)”。

1熱電阻測溫原理

系統(tǒng)利用熱電阻的三線制接法來消除連接導(dǎo)線電阻引起的測量誤差。三線制接法的要求是3根導(dǎo)線的材質(zhì)和長度必須保持一致，目的是為了保持3根導(dǎo)線的接入電阻相同,即R_=R2=R3。通過導(dǎo)線L、L2給熱電阻傳感器R,施加一個(gè)恒定激勵(lì)電流I,在導(dǎo)線末端測得電壓為V、V2、V;,其中導(dǎo)線L,接入高阻抗電路使得13=0。檢測原理圖如圖1所示。

由上述測量原理可得:

由式(4)可知，采用三線制接法后，熱電阻阻值的變化與接入導(dǎo)線的電阻無關(guān)，提高了測量精度。

2一體化智能溫度變送系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)是將溫度檢測電路、MCU控制電路、WiFi傳輸電路以及信號(hào)輸出電路集成在一-起形成一體化智能溫度變送系統(tǒng)界。其具有測量精度高、測溫范圍廣以及可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2.1溫度檢測模塊

溫度檢測模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的測量精度回。溫度檢測模塊主要包括XTR108信號(hào)調(diào)理電路、EEPROM接口電路等。利用熱電阻傳感器檢測溫度的變化，XTR108信號(hào)調(diào)理電路可將溫度的變化量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號(hào)的變化量。EEPROM電路用來存儲(chǔ)當(dāng)前的測量量程以及數(shù)據(jù)，溫度檢測電路原理圖如圖3所示。

XTR108芯片是專為橋式和溫度傳感器設(shè)計(jì)的，該芯片可通過SPI方式與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信留。上電后,XTR108可自動(dòng)從EEPROM讀取設(shè)定的參數(shù),對系統(tǒng)的設(shè)定和校正參數(shù)也可以通過串行總線SPI接口存儲(chǔ)到EEPROM芯片中。CS1為片選輸入信號(hào)，當(dāng)其為低電平時(shí)，表示XTR108芯片被選中,可以對芯片的內(nèi)部寄存器進(jìn)行操作。溫度檢測電路圖如圖4所示。

系統(tǒng)采用三線制接法來消除接入導(dǎo)線電阻引起的測量誤差，當(dāng)傳感器短路或開路時(shí),XTR108內(nèi)部的比較器就會(huì)輸出一個(gè)高電平標(biāo)志信號(hào)，該信號(hào)發(fā)送給MCU提示傳感器處于故障狀態(tài)。EEPROM存儲(chǔ)電路采用AT25010芯片實(shí)現(xiàn)，XTR108芯片會(huì)自動(dòng)通過SPI接口讀取AT25010中的數(shù)據(jù)。

2.2信號(hào)輸出電路

系統(tǒng)可以通過USB接口與PC機(jī)通訊,還預(yù)留4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流接口供其他儀器設(shè)備使用8一里.般的4~20mA電流輸出電路采用三極管+放大器的形式，此種方法結(jié)構(gòu)簡單、成本低,但是輸出電流精度較低。因此系統(tǒng)選用專用電流輸出芯片XTR111，XTR111采用12V供電,通過單片機(jī)的DAC控制器輸出模擬的0~3.3V電壓，經(jīng)過電流轉(zhuǎn)換芯片XTR111轉(zhuǎn)換后線性輸出0~20mA電流信號(hào),該電路具有線性度好、電路簡單以及高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電流輸出電路中。具體電路圖如圖5所

2.3WiFi傳輸電路

系統(tǒng)除了提供有線的傳輸方式外,還提供了基于WiFi的無線傳輸方式00-1!，手機(jī)可以通過WiFi與系統(tǒng)進(jìn)行連接，在手機(jī)APP.上實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)測量參數(shù)的更改、量程管理以及數(shù)據(jù)記錄等功能。系統(tǒng)選用EMW3162WiFi模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。EMW3162是一款低功耗的嵌入式WiFi模塊,內(nèi)部集成了無線LANMAC、基帶、無線電以及Cortex-M3微控制器STM32F205,可獨(dú)自運(yùn)行獨(dú)特的“自托管WiFi網(wǎng)絡(luò)庫和軟件應(yīng)用程序堆棧”。EMW3162具有1MB字節(jié)閃存,128KBRAM和豐富的外圍設(shè)備。系統(tǒng)的MCU通過UART串口與EMW3162模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，節(jié)約了開發(fā)時(shí)間，硬件電路圖如圖6所示。

EMW3162的復(fù)位引腳與系統(tǒng)的MCU連接到一起,當(dāng)MCU復(fù)位時(shí)也會(huì)帶著WiFi模塊一起復(fù)位，除此之外，系統(tǒng)還預(yù)留外部硬件復(fù)位按鈕S1,按下S1也能使系統(tǒng)和WiFi模塊復(fù)位。

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，編譯環(huán)境為Keil。軟件是檢驗(yàn)系統(tǒng)硬件功能的重要組成部分之--,系統(tǒng)軟件包括A/D采集程序、定時(shí)器中斷程序、D/A輸出程序、SPI串行總線程序、UART串口傳輸程序以及WiFi通信程序等。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先執(zhí)行傳感器初始化，將熱電阻傳感器放置在待測介質(zhì)上,按下按鈕啟動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)讀取EEPROM中的配置信息,將傳感器電阻值的變化線性地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào),最終轉(zhuǎn)換為溫度信號(hào)。--方面，系統(tǒng)利用WiFi無線傳輸方式將采集的溫度信號(hào)發(fā)送到手機(jī)APP中顯示，另--方面系統(tǒng)將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)供其他工業(yè)儀表使用。系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。

4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1熱電阻傳感器輸出電阻與溫度關(guān)系.

熱電阻溫度傳感器阻值的變化量與所測量的環(huán)境溫度成--定的線性關(guān)系。當(dāng)環(huán)境溫度為-200~0C時(shí)，傳感器輸出的電阻值為

R,=R。[1+Al+Bl2+Cix(1-100)](5)

當(dāng)環(huán)境溫度為0~850C時(shí),傳感器輸出的電阻值為

R,=1+Al+Br

式中:R0為溫度為0C時(shí)熱電阻傳感器的阻值;R,為環(huán)境溫度為1C時(shí)熱電阻傳感器的阻值;1為被測溫度;A、B、C均為已知常數(shù)。

4.2測試數(shù)據(jù)對比

測試時(shí)利用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱模擬環(huán)境溫度變化時(shí)熱電阻溫度傳感器輸出電阻的變化量,電阻箱選用的是ZX99A高精度直流電阻箱，精度高達(dá)0.02%,利用Agilent34401A6型數(shù)字萬用表讀取系統(tǒng)輸出的電流信號(hào)。按照圖8的方式搭建測試電路,將計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出值與實(shí)際測得的電流大小進(jìn)行對比，分別記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

通過配置不同的測量量程，讀取系統(tǒng)輸出的電流.值的大小。分別將系統(tǒng)測溫的量程配置為0~100°C和0~200C2個(gè)量程，驗(yàn)證其輸出電流值與實(shí)際值的區(qū)別，測試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

由測量數(shù)據(jù)可知，分別配置系統(tǒng)不同的測溫量程使得系統(tǒng)輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)處于4~20mA之間。

由上述數(shù)據(jù)可得，電流測量的絕對誤差小于0.01,相對誤差小于0.05%,本文設(shè)計(jì)的一體化智能溫度變送系統(tǒng)具有較高的檢測精度,系統(tǒng)的性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的性能指標(biāo)。

5結(jié)束語:

本文設(shè)計(jì)了一體化智能溫度變送系統(tǒng),其具有檢測精度高、工作穩(wěn)定可靠、支持智能通訊以及一體化等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)利用三線制接法消除接線電阻引起的測量誤差,利用專用溫度檢測芯片XTR108實(shí)現(xiàn)傳感器溫度數(shù)據(jù)的采集以及實(shí)現(xiàn)溫度到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，采用專用電流輸出芯片XTR111實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)到4~20mA電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換，利用WiFi模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與手機(jī)的智能連接。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)符合預(yù)期，具有廣闊的市場前景。