CN102297731A - 扩散硅智能温度变送器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩散硅智能温度变送器，该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，液位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；本发明是高精度、带数字通讯的扩散硅智能温度变送器，这种传感器利用同一压敏芯片，既测静压又测温度，变送器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，具有抗干扰能力、超低功耗、实时通信技术特征。

Description

扩散硅智能温度变送器

技术领域

    本发明涉及变送器，具体涉及扩散硅智能温度变送器。

背景技术

自八十年后期美国霍尼威尔公司推出ST3000智能压力传感器(变送器)以来，现在国外各大仪表公司都已开发并批量生产各自的智能传感器。这些传感器都采用HART通信技术，与现在大量应用的模拟变送器兼容，这些变送器都已进入我国市场。智能传感器(变送器)有许多优点，如精度高、可靠性高、功能全、可远距离校准、调整、设定等，所以越来越被工业部门重视，应用也逐渐广泛起来。

目前市场上的模拟扩散硅压力变送器具有价格低、灵敏度高等优点，但扩散硅传感器对温度的影响相当敏感，而且使用传统的方法难以实现理想的温度补偿，该特性大大影响了变送器的精度，并限制了变送器的应用场合。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种扩散硅智能温度变送器，为高精度、带无线数字通讯的扩散硅智能温度变送器，这种变送器利用同一压敏芯片，既测静压又测温度，压力、温度信号经A／D转换后输入单片机，经严格补偿校正运算后，通过无线的方式传送至接收端；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,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、实时通信等技术特征。

本发明的技术解决方案是：该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，液位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。

本发明的测量方法是：在工业设备的测量点处安装此仪表，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。

工作时，上位机将传感器对应的计算参数通过WIA网络下载到仪表，铂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扩散硅计算参数得到准确的温度值，并将数据实时上传；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128段位的液晶玻璃材料，主控制器通过HT1621对其进行驱动。

本发明具有以下优点：1、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。2、模数转换芯片采用16位A\D，可以使分度号为Ｐｔ１００热电阻的非线性校正采集精度在０．１级以上；3、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，使整个仪表具有较低的功耗和较高的稳定性；4、应用的智能无线网络 WIA技术基于短程无线通信IEEE 802.15.4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；5、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；6、基于WIA网络技术的扩散硅变送器，它不但具有智能变送器的所有优点，而且可以通过软件补偿传感器的温度漂移，达到全温度压力范围内的高精度，使扩散硅变送器具有了更大的使用范围；7、在满足工业测量范围和精度要求的基础上，可根据不同型号传感器实时调整参数的无线压力采集仪表；8、该仪表根据扩散硅式传感器的测量原理，结合非线性温度补偿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扩散硅相应的计算系数准确计算出压力数据，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。

附图说明

图1为本发明的温度变送器示意图。

图2为图1的控制器及其外围电路示意图。

图3为图1的数据采集及温度补偿电路。

图4为图1的无线通信及功耗控制接口图。

图5为图1的数据处理电路图。

图中：1、天线，2、液晶显示屏，3、扩散硅探头，4、外壳。

具体实施方式

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。

如图1-4所示，温度变送器的电路连接如下：

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，ADS1110的1脚与第二运算放大器OP2的输出端连接，ADS1110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ADS1110的5脚与+3.3V电源连接，ADS1110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、XT2OUT与晶振连接，之间连接电阻R17，经过C11、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；

传感器：R1、R2、R3、R4、R5 和扩散硅组成传感器电路，扩散硅的1脚连接-OUT和R1的一端，R1的另一端连接扩散硅的2脚、R2的一端，R5的一端和+IN，R2的另一端连接扩散硅的3脚、+OUT，R5的另一端连接R3的一端、R4的一端、-I，R3的另一端连接扩散硅的3脚，R4的另一端连接扩散硅的5脚；

信号调理电路：传感器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：片外存储芯片选用MicroChip公司的24LC64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SEG0～SEG23和COM0～COM3共24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P1.5口连接，WR管脚接上拉电阻R54的一端再与MCU的P1.6口连接，RD管脚接上拉电阻R55的一端再与MCU的P1.7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.扩散硅智能温度变送器，其特征在于：该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，液位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；温度变送器的电路连接如下：

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；

恒压电路：选用的扩散硅压力传感器是恒流供电型的，供电电流为1.5mA，恒流电源采用美国国家半导体公

司生产的三端可调恒流源LM334，具有1～40V宽的动态电压范围，恒流源的建立只需一只外接电阻，是无需独立电源供电的真正悬浮恒流源；由于LM334的输出电流具有与绝对温度成正比的敏感特性，只有在温度恒定时电流才恒定，因此需要进行补偿，只要在基本电路中再增加一只电阻和一只二极管，就可以构成抵消LM334温度漂移的零温度系数恒流源；

信号调理电路：对扩散硅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：显示传感器探头所在环境下的压力，测量精度0.01℃；

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所述的扩散硅智能温度变送器，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OP2的输出端连接，ADS1110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ADS1110的5脚与+3.3V电源连接，DS1110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、XT2OUT与晶振连接，之间连接电阻R17，经过C11、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；

传感器：R1、R2、R3、R4、R5 和扩散硅组成传感器电路，扩散硅的1脚连接-OUT和R1的一端，R1的另一端连接扩散硅的2脚、R2的一端，R5的一端和+IN，R2的另一端连接扩散硅的3脚、+OUT，R5的另一端连接R3的一端、R4的一端、-IN,R3的另一端连接扩散硅的3脚，R4的另一端连接扩散硅的5脚；

信号调理电路：传感器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：片外存储芯片选用MicroChip公司的24LC64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SEG0～SEG23和COM0～COM3共24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P1.5口连接，WR管脚接上拉电阻R54的一端再与MCU的P1.6口连接，RD管脚接上拉电阻R55的一端再与MCU的P1.7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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