一體化智能溫度變送器系統(tǒng)設計

摘要:針對傳統(tǒng)溫度儀表存在測量精度低、傳輸距離遠以及非智能等缺點，設計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轉換器實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集,通過WiFi方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)還預留標準4~20mA標準電流接口供其他工業(yè)儀表使用。實際測試結果表明，系統(tǒng)測量的相對誤差小于0.05%,可實現(xiàn)測量結果無線傳輸?shù)墓δ?，具有測量精度高、傳輸便捷等優(yōu)點。

0引言

溫度是工業(yè)檢測中一個重要的參數(shù)。傳統(tǒng)的溫度變送系統(tǒng)是測溫元件通過大量補償導線，經(jīng)長距離引入控制室，再將其轉換為標準的4~20mA信號早。此種溫度變送系統(tǒng)存在傳輸距離長、測量精度低、非智能以及維護困難等缺點。隨著集成電路和嵌入式技術的飛速發(fā)展，溫度檢測也朝著智能化的方向發(fā)展,本文設計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機連接，通過PC機實現(xiàn)對變送器量程管理、變量監(jiān)測和維護的功能，與此同時，該系統(tǒng)還可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC中進行顯示、存儲”。

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線電阻引起的測量誤差。三線制接法的要求是3根導線的材質(zhì)和長度必須保持一致，目的是為了保持3根導線的接入電阻相同,即R_=R2=R3。通過導線L、L2給熱電阻傳感器R,施加一個恒定激勵電流I,在導線末端測得電壓為V、V2、V;,其中導線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線的電阻無關，提高了測量精度。

2一體化智能溫度變送系統(tǒng)總體設計

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現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)葍?yōu)點。系統(tǒng)總體設計框圖如圖2所示。

2.1溫度檢測模塊

溫度檢測模塊是整個系統(tǒng)的核心部分，直接影響著整個系統(tǒng)的測量精度回。溫度檢測模塊主要包括XTR108信號調(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信號調(diào)理電路可將溫度的變化量轉換為相應電信號的變化量。EEPROM電路用來存儲當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計的，該芯片可通過SPI方式與MCU進行數(shù)據(jù)通信留。上電后,XTR108可自動從EEPROM讀取設定的參數(shù),對系統(tǒng)的設定和校正參數(shù)也可以通過串行總線SPI接口存儲到EEPROM芯片中。CS1為片選輸入信號，當其為低電平時，表示XTR108芯片被選中,可以對芯片的內(nèi)部寄存器進行操作。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線電阻引起的測量誤差，當傳感器短路或開路時,XTR108內(nèi)部的比較器就會輸出一個高電平標志信號，該信號發(fā)送給MCU提示傳感器處于故障狀態(tài)。EEPROM存儲電路采用AT25010芯片實現(xiàn)，XTR108芯片會自動通過SPI接口讀取AT25010中的數(shù)據(jù)。

2.2信號輸出電路

系統(tǒng)可以通過USB接口與PC機通訊,還預留4~20mA標準電流接口供其他儀器設備使用8一里.般的4~20mA電流輸出電路采用三極管+放大器的形式，此種方法結構簡單、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,通過單片機的DAC控制器輸出模擬的0~3.3V電壓，經(jīng)過電流轉換芯片XTR111轉換后線性輸出0~20mA電流信號,該電路具有線性度好、電路簡單以及高性價比等優(yōu)點，廣泛應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!，手機可以通過WiFi與系統(tǒng)進行連接，在手機APP.上實現(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,可獨自運行獨特的“自托管WiFi網(wǎng)絡庫和軟件應用程序堆棧”。EMW3162具有1MB字節(jié)閃存,128KBRAM和豐富的外圍設備。系統(tǒng)的MCU通過UART串口與EMW3162模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，節(jié)約了開發(fā)時間，硬件電路圖如圖6所示。

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

3軟件設計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，編譯環(huán)境為Keil。軟件是檢驗系統(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,按下按鈕啟動系統(tǒng)，系統(tǒng)自動讀取EEPROM中的配置信息,將傳感器電阻值的變化線性地轉換為相應的電信號,最終轉換為溫度信號。--方面，系統(tǒng)利用WiFi無線傳輸方式將采集的溫度信號發(fā)送到手機APP中顯示，另--方面系統(tǒng)將溫度信號轉換為4~20mA標準電流信號供其他工業(yè)儀表使用。系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。

4實驗數(shù)據(jù)分析

4.1熱電阻傳感器輸出電阻與溫度關系.

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--定的線性關系。當環(huán)境溫度為-200~0C時，傳感器輸出的電阻值為

R,=R。[1+Al+Bl2+Cix(1-100)](5)

當環(huán)境溫度為0~850C時,傳感器輸出的電阻值為

R,=1+Al+Br

式中:R0為溫度為0C時熱電阻傳感器的阻值;R,為環(huán)境溫度為1C時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

測試時利用標準電阻箱模擬環(huán)境溫度變化時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0.02%,利用Agilent34401A6型數(shù)字萬用表讀取系統(tǒng)輸出的電流信號。按照圖8的方式搭建測試電路,將計算得到的標準電流輸出值與實際測得的電流大小進行對比，分別記錄實驗數(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個量程，驗證其輸出電流值與實際值的區(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)輸出的標準電流信號處于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%,本文設計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)的性能達到設計要求的性能指標。

5結束語:

本文設計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。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實現(xiàn)傳感器溫度數(shù)據(jù)的采集以及實現(xiàn)溫度到電壓信號的轉換，采用專用電流輸出芯片XTR111實現(xiàn)電壓信號到4~20mA電流信號的轉換，利用WiFi模塊實現(xiàn)系統(tǒng)與手機的智能連接。系統(tǒng)整體設計符合預期，具有廣闊的市場前景。