CN102155999A - 实时无线通讯工业热电阻温度变送器 - Google Patents

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王洪元
王天成
刘仁广
陈云
龙霄
万军
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JIANGSU HONGGUANG METER FACTORY CO Ltd
Changzhou University
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Abstract

本发明公开了实时无线通讯工业热电阻温度变送器,该热电阻温度变送器包括三通外壳、WIAPA-M1800无线适配器、主控制器电路板、显示器、3.3V电源、WIA网关,在外壳的两个较大开口处安装显示器和连接电源,在外壳内部安装WIAPA-M1800无线适配器和主控制器电路板,在外壳较小开口处安装无线天线,温度传感器直接连接到主控制器电路板,显示器通过插针连接至主控制器电路板。本发明无线变送器基于智能无线网络WIA技术体系,符合IEEE802.15.4无线通信标准,主要面向设备间信息的无线通信,特别适合在恶劣的工业现场环境使用,具有很强的抗干扰能力、超低功耗、实时无线通信等技术特征。

Description

实时无线通讯工业热电阻温度变送器
技术领域
[0001] 本发明涉及温度变送器,具体涉及一种实时无线通讯工业热电阻温度变送器。 背景技术
[0002] 温度是工业生产中常见和最基本的参数之一,人民的生活与环境的温度息息相关,在生产过程中常需对温度进行实时检测与监控。在农业生产中也离不开温度的测量, 因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键是温度传感器,温度传感器的发展经历了三个发展阶段:①传统的分立式温度传感器,②模拟集成温度传感器,③ 智能集成温度传感器。目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式,从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。
[0003] 电阻值随温度的变化程度称为温漂系数,大部分金属材料的温漂系数是正数,而且许多纯金属材料的温漂系数在一定温度范围内保持恒定,具体应用中选用哪一种金属材料(钼、铜、镍等)取决于被测温度的范围。金属钼(Pt)电阻的温度响应特性较好,成本较低,可测量度较高;它在0°c的额定电阻值是100欧姆,是一种标准化器件,工作温度范围:-200°C、50°C。因为热电阻的阻值和温度呈正比关系,只需知道流过该电阻的电流就可以得到与温度成正比的输出电压。根据已知的电阻一温度关系,可以计算出被测量的温度值。
[0004] 上世纪70〜80年代开始,工业无线技术还是一种单纯的通信手段,作为有线技术的补充以解决长距离的数据传输为目的,可实现点对点、点对多点通信。本世纪初,为了实现泛在感知,推动工业测控模式变革,解决低成本的信息获取,工业无线技术开始实现大规模网络化。
[0005] 在工业领域,相对于有线网络,无线传感器网络具有低成本、灵活性、移动性等众多优点,这对那些不适宜连线的场合提供了技术支持和实现的可行性。但是在工业领域,无线传感器网络的应用仍然处于起步阶段,制约无线传感器网络的主要因素包括能耗、实时性和安全性等。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于:提供一种实时无线通讯工业热电阻温度变送器,在满足工业测量范围和精度要求的基础上实现低功耗,是可根据不同型号传感器实时调整参数的无线温度采集仪表,该仪表根据电阻式温度传感器的测温原理,结合信号调理电路以及高精度模数转换器件,通过WIA网络从远程上位机下载热电阻相应的温度系数准确计算出温度数据,并将数据实时上传,同时利用微控制器自身的功耗控制特性以及外围模拟开关电路,使整个仪表有较好的能耗表现。
[0007] 本发明的技术解决方案是:该热电阻温度变送器包括三通外壳、WIAPA-M1800无线适配器、主控制器电路板、显示器、3. 3V电源、WIA网关,在外壳的两个较大开口处安装显示器和连接电源,在外壳内部安装WIAPA-M1800无线适配器和主控制器电路板,在外壳较
4小开口处安装无线天线,温度传感器直接连接到主控制器电路板,显示器通过插针连接至主控制器电路板。
[0008] 其中,WIAPA-M1800无线适配器与主控制器均使用MSP430型号单片机,二者之间通过串口进行通讯;显示器采用1¾段位的液晶玻璃材料,主控制器通过HT1621对其进行驱动。
[0009] 本发明的测量方法是:在工业设备的测温点处安装此仪表,在WIA网络覆盖范围内安装WIA网关,并通过RS232串口或以太网与上位机相连。
[0010] 工作时,上位机将温度传感器对应的计算参数通过WIA网络下载到仪表,钼热电阻测量仪表所在的环境温度。由电路板的信号调理电路对传感器产生的电压信号进行差分信号采集、放大、去噪声处理,A/D将模拟电压信号转换为数字信号,主控制器将数字信号与下载的热电阻计算参数得到准确的温度值,并将数据实时上传。
[0011] 本发明具有以下优点:
1、本发明体积小,重量轻,传感器可与变送器一体化,可视化好,实时性强,安装使用方便。
[0012] 2、模数转换芯片采用16位A\D,可以使分度号为P t 1 O O热电阻的非线性校正采集精度在Q . ι级以上,数据处理控制器、通信控制器采用高性能超低功耗16位MSP430 微处理器,结合电路板上的信号调理电路、稳压电路、抗干扰电路和开关电路,是整个仪表具有较低的功耗和较高的稳定性。
[0013] 3、提供一种基于WIA无线网络的温度变送器,热电其中传感器信号采集电路相接有桥式电路、放大电路及滤波电路,将热电阻所在电桥输出差分信号变换为A\D器件可采集的标准电压信号。
[0014] 4、变送器基于智能无线网络WIA技术体系,符合IEEE 802. 15.4无线通信标准,使用符合中国无委会规定的自由频带,解决恶劣环境下遍布的各种大型器械、金属管道等对无线信号的反射、散射造成的多径效应,以及马达、器械运转时产生电磁噪声对无线通信的干扰,提供能够满足应用需求的高可靠、实时无线通信服务,特别适合在恶劣的工业现场环境使用,具有很强的抗干扰能力、超低功耗、实时通信等技术特征。
[0015] 5、本应用涉及的智能无线网络WIA技术基于短程无线通信IEEE 802. 15. 4标准, 通过使用智能无线网络WIA技术,用户可以以较低的投资和成本实现对全流程的“泛在感知”,获取传统由于成本原因无法在线监测的重要过程参数,并以此为基础实施优化控制, 来达到提高产品质量和节能降耗的目标。
附图说明
[0016] 图1为本发明的结构示意图。
[0017] 图2为图1的控制器及其外围电路原理图。
[0018] 图3为图1的数据采集电路原理图。
[0019] 图4为图1的无线通信及功耗控制接口图。
[0020] 图5为图1的数据处理电路图。
[0021] 图中:1、天线,2、液晶显示屏,3、钼热电阻探头,4、外壳。具体实施方式
[0022] 下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术解决方案,实施例不应理解为对技术解决方案的限制。
[0023] 如图1-5所示,该热电阻温度变送器包括三通外壳、WIAPA-M1800无线适配器、主控制器电路板、显示器、3. 3V电源、WIA网关,在外壳的两个较大开口处安装显示器和连接电源,在外壳内部安装WIAPA-M1800无线适配器和主控制器电路板,在外壳较小开口处安装无线天线,温度传感器直接连接到主控制器电路板,显示器通过插针连接至主控制器电路板;其中,电路连接如下:
电源:3. 3V锂电池供电,主控制器电路板中使用3. 3V转3V可控开关芯片对模拟部分和数字部分提供所需的电源,3. 3V电源由C3、C14、C15、C16、C20、C21、C22、C24滤波,3V电源由 C1、C9、C10、C18 滤波;
16位A/D:选用美国德州电气公司的ADS1110芯片,采用I2C形式的接口,ADSl 110的 1脚与第二运算放大器0P2的输出端连接,ADSl 110的3脚、4脚与上拉电阻R37、R38的一端相连,R7、R8的另一端以及ADSl 110的5脚与+3. 3V电源连接,ADSl 110的2脚和6脚接地;
MCU :选用美国德州电气公司的MSP430F149芯片,晶振选用3. 6264MHz,程序下载使用标准JTAG接口,XT2IN、XT20UT与晶振连接,之间连接电阻R17,经过Cl 1、C12到地,MCU 的54、55、56、57脚分别与双排座JP2的1、3、5、7脚相连,MCU的12和22脚分别与JP2的2 脚和6脚相连,MCU的58脚与JP2的11脚相连;
钼热电阻:R42、R43、R44和PtlOO组成传感器测量电桥,为了保证电桥输出电压信号的稳定性,电桥的输入电压通过TL431稳至2. 5V,从电桥获取的差分信号对热电偶输出信号进行温度补偿,电桥的一个桥臂采用可调电阻R43,通过调节R43可以调整输入到运放的差分电压信号大小,通常用于调整零点;
信号调理电路:热电阻的一端即电桥的一个平衡点与电阻R45的一端连接,R45的另一端分别与运算放大器OP的同相输入端和放大电阻R47连接,OP的反相输入端分别与电阻 R46的一端、A/D的负输入端连接,R46的另一端电桥的另一个平衡点连接,R47的另一端分别与滤波电容C42的一端、运算放大器OP的输出端、滤波电阻R40连接,R40的另一端与A/ D的正输入端连接,滤波电容C42的另一端、运算放大器的负电源端接地,运算放大器的正电源端与+3. 3V电源连接;
EEPROM存储器:选用Microchip公司的MLC64芯片,采用I2C接口,由3. 3V电源供电, 5、6号管脚通过R20、R21上拉电阻与MCU的P4. 5、P4. 6 口相连,C25用于滤波,1、2、3、4号脚接地用于指示物理地址;
显示器:选用SPI总线结构的48管脚HT1621B驱动液晶屏幕,其中SEGO〜SEG23和 COMO〜COM3共M个管脚与液晶玻璃连接,DATA管脚接上拉电阻R52的一端再与MCU的 P5. 1 口连接,CS管脚接上拉电阻R53的一端再与MCU的Pl. 5 口连接,WR管脚接上拉电阻 R54的一端再与MCU的Pl. 6 口连接,RD管脚接上拉电阻R55的一端再与MCU的Pl. 7 口连接,上拉电阻R52、R53、R54、R55的另一端与VDD连接,VDD与VLCD管脚之间连接R51可变电阻,VDD与VSS分别于主控制器电路板上的3. 3V电源和地线连接,其余管脚悬空; 无线通信:MCU的P3. 4、P3. 5 口与WIAPA-M1800无线通信模块的串口接口相连。

Claims (2)

1.实时无线通讯工业热电阻温度变送器,其特征在于:该热电阻温度变送器包括三通外壳、WIAPA-M1800无线适配器、主控制器电路板、显示器、3. 3V电源、WIA网关,在外壳的两个较大开口处安装显示器和连接电源,在外壳内部安装WIAPA-M1800无线适配器和主控制器电路板,在外壳较小开口处安装无线天线,温度传感器直接连接到主控制器电路板,显示器通过插针连接至主控制器电路板;其中,电路连接如下:电源:3. 3V锂电池供电,主控制器电路板中使用3. 3V转3V可控开关芯片对模拟部分和数字部分提供所需的电源;16位A/D :选用美国德州电气公司的ADS1110芯片,采用I2C形式的接口,由于内置1 一 8增益的低噪声可编程仪表放大器,可对来放大电路的电压信号进行放大处理并采样转化为数字信号;MCU :选对A/D输出的数字信号进行处理,计算出温度,通过无线模块与远程PC通信,接收热电阻计算参数表,将采集到的结果上传PC以及其他实时通信,通过对工作模式的切换进行能耗控制;钼热电阻:热电阻的阻值会跟随环境温度的变化而改变,以热电阻为核心的电桥进行温度的硬件或软件补偿;信号调理电路:对热电阻采集的信号进行放大、滤波;EEPROM存储器:由于不同的热电阻在计算时对应不同的计算参数,故使用64K的 EEPROM存储各种常用热电阻的计算参数;显示器:仪表所在环境下的温度,测量精度ο. ore ;无线通信:采集的数据通过串口发送到WIAPA-M1800无线通信模块,再接入 WIAPA-GW1498无线网关,在远程PC上对数据进行显示,同时在系统初次使用时由PC将对应于每个传感器探头的分度表经该无线模块传送至MCU,保存在外部存储器中。
2.根据权利要求1所述的实时无线通讯工业热电阻温度变送器,其特征在于硬件连接与工作方式如下:电源:3. 3V锂电池供电,主控制器电路板中使用3. 3V转3V可控开关芯片对模拟部分和数字部分提供所需的电源,3. 3V电源由C3、C14、C15、C16、C20、C21、C22、C24滤波,3V电源由 C1、C9、C10、C18 滤波;16位A/D:选用美国德州电气公司的ADS1110芯片,采用I2C形式的接口,ADS1110的1 脚与第二运算放大器0P2的输出端连接,ADSl 110的3脚、4脚与上拉电阻R37、R38的一端相连,R7、R8的另一端以及ADSl 110的5脚与+3. 3V电源连接,DSlllO的2脚和6脚接地; MCU :选用美国德州电气公司的MSP430F149芯片; 晶振选用3. 6264MHz,程序下载使用标准JTAG接口,XT2IN、XT20UT与晶振连接,之间连接电阻R17,经过C1UC12到地,MCU的54、55、56、57脚分别与双排座JP2的1、3、5、7脚相连,MCU的12和22脚分别与JP2的2脚和6脚相连,MCU的58脚与JP2的11脚相连;钼热电阻:R42、R43、R44和PtlOO组成传感器测量电桥,为了保证电桥输出电压信号的稳定性,电桥的输入电压通过TL431稳至2. 5V,从电桥获取的差分信号对热电偶输出信号进行温度补偿,电桥的一个桥臂采用可调电阻R43,通过调节R43可以调整输入到运放的差分电压信号大小,通常用于调整零点;信号调理电路:热电阻的一端即电桥的一个平衡点与电阻R45的一端连接,R45的另一端分别与运算放大器OP的同相输入端和放大电阻R47连接,OP的反相输入端分别与电阻 R46的一端、A/D的负输入端连接,R46的另一端电桥的另一个平衡点连接,R47的另一端分别与滤波电容C42的一端、运算放大器OP的输出端、滤波电阻R40连接,R40的另一端与A/ D的正输入端连接,滤波电容C42的另一端、运算放大器的负电源端接地,运算放大器的正电源端与+3. 3V电源连接;EEPROM存储器:选用Microchip公司的MLC64芯片,采用I2C接口,由3. 3V电源供电, 5、6号管脚通过R20、R21上拉电阻与MCU的P4. 5、P4. 6 口相连,C25用于滤波,1、2、3、4号脚接地用于指示物理地址;显示器:选用SPI总线结构的48管脚HT1621B驱动液晶屏幕,其中SEGO〜SEG23和 COMO〜COM3共M个管脚与液晶玻璃连接,DATA管脚接上拉电阻R52的一端再与MCU的 P5. 1 口连接,CS管脚接上拉电阻R53的一端再与MCU的Pl. 5 口连接,WR管脚接上拉电阻 R54的一端再与MCU的Pl. 6 口连接,RD管脚接上拉电阻R55的一端再与MCU的Pl. 7 口连接,上拉电阻R52、R53、R54、R55的另一端与VDD连接,VDD与VLCD管脚之间连接R51可变电阻,VDD与VSS分别于主控制器电路板上的3. 3V电源和地线连接,其余管脚悬空; 无线通信:MCU的P3. 4、P3. 5 口与WIAPA-M1800无线通信模块的串口接口相连。
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