CN102305670A - 实时无线通讯工业热电偶温度变送器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了实时无线通讯工业热电偶温度变送器，该温度变送器包括四通外壳、K型热电偶、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，在外壳两个较小开口处安装热电偶和无线天线，温度传感器通过信号线联接到WIAPA-M1800无线适配器所在的电路板上，再由插针连接至主控制器电路板，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。
Description
技术领域
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偶温度变送器。
背景技术
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。
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。
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
本发明的目的在于：提供一种实时无线通讯工业热电偶温度变送器，在满足工业测量范围和精度要求的基础上，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，该仪表根据有源差分电压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的传感器分度表以软件查表的方式准确采集温度数据，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。
本发明的技术解决方案是：该温度变送器包括四通外壳、K型热电偶、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，在外壳两个较小开口处安装热电偶和无线天线，温度传感器通过信号线联接到WIAPA-M1800无线适配器所在的电路板上，再由插针连接至主控制器电路板，显示器通过插针连接至主控制器电路板。
其中，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。
工作时，上位机将温度传感器对应的分度表通过WIA网络下载到仪表，主控制器将分度表保存至电路板上的片外存储器中，热电偶直接接触测量测温点处的温度，由电路板的信号调理电路对传感器产生的电压信号进行放大、阻抗匹配、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片外存储器分度表中的数据进行查询匹配，已得到准确的温度值，并将数据实时上传。
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。模数转换芯片采用16位A\D，可以使分度号为K型热电偶的非线性校正采集精度在０．１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。
本发明具有以下优点：
1、热电偶温度变送器是工业仪表中现场安装的温度变送器单元，其中传感器信号采集电路相接有放大电路、阻抗匹配电路及滤波电路，将热电偶输出的毫伏级信号变换为A\D器件可采集的标准电压信号，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。
2、根据工业应用中常见的温度参数，采用K型热电偶设计，实现大量程、低功耗的无线温度变送，该温度变送器可以对-50℃～900℃的温度范围进行测量，测量精度0.25℃，通过更换感温元件，可调整变送器的测量范围。
3、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，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。
4、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，达到提高产品质量和节能降耗的目标。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的控制器及其外围电路原理示意图。
图3为图1的数据采集电路原理示意图。
图4为图1的无线通信及功耗控制接口原理图。
图5为图1的数据处理电路原理示意图。
图中：1、天线，2、液晶显示器，3、热电偶探头，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1-5所示，该温度变送器包括四通外壳、K型热电偶、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，在外壳两个较小开口处安装热电偶和无线天线，温度传感器通过信号线联接到WIAPA-M1800无线适配器所在的电路板上，再由插针连接至主控制器电路板，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；
K型热电偶：热电偶的输出正端分为两路，其中一路正极与负极一起与2片稳压芯片的3号管脚相连，另一路正极通过R13与另一个稳压芯片相连。稳压芯片的2号管脚接3V电源，1号管脚接地；
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；
信号调理电路：热电偶的正极与滤波电阻R31的一端连接，R31的另一端分别与滤波电容C31的一端、滤波电阻R32的一端连接，R2的另一端与第一运算放大器OP1的同相输入端连接，OP1的反相输入端分别与反馈电阻R33的一端、R34的一端、反馈电容C32的一端连接，R34的另一端分别与C32的另一端、OP1的输出端、滤波电阻R35的一端连接，R35的另一端分别与滤波电容C33的一端、第二运算放大器OP2的同相输入端连接，OP2的反相输入端分别与反馈电阻R36的一端、反馈电容C34的一端连接，R36的另一端分别与C34的另一端，OP2的输出短连接，热电偶的负极、滤波电容C31的另一端、反馈电阻R33的另一端、滤波电容C33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.实时无线通讯工业热电偶温度变送器，其特征在于：该温度变送器包括四通外壳、K型热电偶、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，在外壳两个较小开口处安装热电偶和无线天线，温度传感器通过信号线联接到WIAPA-M1800无线适配器所在的电路板上，再由插针连接至主控制器电路板，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；
K型热电偶：对热电偶进行稳压采集测温点的温度，经放大电路和阻抗匹配电路后传送至A/D，转换为数字信号后输出到控制器；
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，查表计算出温度，通过无线模块与远程PC通信，接收温度标定参数表，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；
信号调理电路：对热电偶采集的毫伏级信号进行放大、滤波、阻抗匹配；
EEPROM存储器：由于热电偶的输出电压与温度的关系为非线性，故使用64K的EEPROM存储热电偶温度分度表；
显示器：显示热电偶采集的测温点的温度以及仪表所在当前环境下的温度，测量精度0.25℃；
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；
K型热电偶：热电偶的输出正端分为两路，其中一路正极与负极一起与2片稳压芯片的3号管脚相连，另一路正极通过R13与另一个稳压芯片相连，稳压芯片的2号管脚接3V电源，1号管脚接地；
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；
信号调理电路：热电偶的正极与滤波电阻R31的一端连接，R31的另一端分别与滤波电容C31的一端、滤波电阻R32的一端连接；
R2的另一端与第一运算放大器OP1的同相输入端连接，OP1的反相输入端分别与反馈电阻R33的一端、R34的一端、反馈电容C32的一端连接；
R34的另一端分别与C32的另一端、OP1的输出端、滤波电阻R35的一端连接，R35的另一端分别与滤波电容C33的一端、第二运算放大器OP2的同相输入端连接，OP2的反相输入端分别与反馈电阻R36的一端、反馈电容C34的一端连接，R36的另一端分别与C34的另一端，OP2的输出短连接，热电偶的负极、滤波电容C31的另一端、反馈电阻R33的另一端、滤波电容C33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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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120104 |