CN105973492A - 数字化排气温度自动巡回检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数字化排气温度自动巡回检测装置，包括：处理器，与其电连接的控制面板、参数存储器、显示器和继电器报警电路；依次电连接的温度传感器、数据转换器和所述处理器；电源模块；所述处理器接收所述数据转换器转换的温度传感器值的数字信号，在所述显示器显示温度信息，并判断设备故障时，还通过所述继电器报警电路输出报警信号给上位机。由上，实现了全数字化，提高了测量精度，且加强了装置的抗干扰能力。可直观的显示出13个通道的温度和故障信息，方便操作人员观查、记录和操作。

Description

数字化排气温度自动巡回检测装置

技术领域

本发明涉及一种核电仪控技术领域，特别是指一种数字化排气温度自动巡回检测装置。

背景技术

对于核电仪控领域内的排气温度自动巡回检测系统，由安装于应急柴油机内的铠装K型热电偶探测器与排气温度自动巡回检测装置两部分组成。现有的设备都是由国外厂家提供，属于上个世纪八、九十年代的产品，大部分由模拟电路搭建而成。由于使用周期长，导致设备老化，出现了各种问题：产生误报警、测量精度下降、测量温度超差、报警信号无法消除等；再加上大亚湾、岭澳已无备件，且国内尚无此类设备能在恶劣电磁环境下取得应用。

因此，需要一种数字化的排气温度自动巡回检测装置，以解决上述技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种数字化排气温度自动巡回检测装置，包括：

处理器，与其电连接的控制面板、参数存储器、显示器和继电器报警电路；

依次电连接的温度传感器、数据转换器和所述处理器；

电源模块；

所述处理器接收所述数据转换器转换的温度传感器值的数字信号，在所述显示器显示温度信息，并判断设备故障时，还通过所述继电器报警电路输出报警信号给上位机。

由上，实现了全数字化，提高了测量精度，且加强了装置的抗干扰能力。本发明数字化的排气温度自动巡回检测装置，实现全数字化，提高测量精度、加强了装置的抗干扰能力。可以直观的显示出13个通道的温度和故障信息，方便操作人员观查、记录和操作。

可选的，还包括与所述处理器电连接的LED报警指示灯，判断设备故障时还控制所述LED报警指示灯进行相应点亮。

可选的，所述温度传感器分别采集多路气缸、多路涡轮的温度；

所述LED报警指示灯包括分别对应气缸温度高故障、气缸温度低故障、涡轮温度高故障、涡轮温度低故障、平均值高故障、绝对误差高故障、断偶故障的LED灯。

可选的，所述参数存储器包括：存储用于判断气缸温度高故障、气缸温度低故障、涡轮温度高故障、涡轮温度低故障、平均值高故障、绝对误差高故障的温度参数阈值的芯片M24C01。

可选的，所述温度传感器包括采集多路K型热电偶信号的MAX6675温度采集芯片；所述数据转换器包括多路数据转换电路。

可选的，所述处理器包括：MSP430F149型单片机。

可选的，还包括与处理器电连接的看门狗电路，用于发出复位信号给工作异常时的所述处理器。

可选的，所述继电器报警电路包括：依次电连接的运放器、三极管和继电器。

可选的，所述电源模块包括依次电连接的保护电路、滤波电路和DC/DC模块，用于将48V直流转12V直流输出，以及

依次电连接的滤波电路、稳压芯片和滤波电路，用于将所述12V直流转3.3V直流输出。

附图说明

图1(A)为数字化排气温度自动巡回检测装置的主视图；

图1(B)为数字化排气温度自动巡回检测装置的后视图；

图2(A)、(B)为数字化排气温度自动巡回检测装置的组装示意图；

图3为数字化排气温度自动巡回检测装置的电路原理示意图；

图4为电源模块的电路原理示意图；

图5为数据采集模块的工作时序示意图；

图6为继电器报警模块的电路原理示意图；

图7为数字化排气温度自动巡回检测装置对外接口示意图；

图8为数字化排气温度自动巡回检测装置的工作原理示意图；

图9为数字化排气温度自动巡回检测装置的代码级工作流程示意图。

图例说明，1.箱体；2.上盖；3.M3×6沉头螺钉；4.前面板；5.前面板贴膜；6.白色按钮开关；7.M3×6十字槽盘头螺钉；8.M3平垫；9.M3弹垫；10.PCB板1；11.φ40航空插头；12.φ28航空插头；13.M3×10十字槽盘头螺；14.显示屏；15.PCB板2；16.内衬板；17.铍铜簧片。

具体实施方式

本发明属于核电仪控技术领域，利用基于MSP430F149+MAX6675+LCD的单片机、K型热电偶温度测量、LCD显示技术，通过MAX6675采集核电站应急柴油机气缸、涡轮内13个通道的温度，MSP430F149对这些数据进行计算和处理，将各个通道的温度信息、故障信息通过LCD液晶屏和LED指示灯显示出来，并通过继电器报警电路向上位机输出报警信号。

此外，本发明可以通过面板按键实现相关温度参数的设置和保存功能(设置参数包括平均温度高报警值、气缸温度高报警值、气缸温度低报警值、涡轮温度高报警值、涡轮温度低报警值、绝对误差报警值)、13个通道温度信息的轮回显示和手动查询功能、消除报警功能、掉电故障报警参数存储的功能、LCD显示屏屏保功能、设置参数输入密码防误操作功能、自检功能、正负温度校正功能。

下面对本发明数字化排气温度自动巡回检测装进行详细说明：

1.总体设计介绍

本发明为一个箱式的结构，它包括箱体、内部硬件电路、内外部接口和人机面板。内部硬件电路由电源模块、信号采集模块、MUC数据处理模块、LCD显示模块、状态报警指示灯模块、面板按键模块、继电器报警输出模块、掉电参数存储模块组成。人机界面包括1个LCD、7个LED和4个按钮。

(1)外部供电电源：48V±4％；最大纹波≦1％峰-峰值。

(2)输入信号：热电偶输入测量范围为0～720℃。

(3)输出方式：LCD液晶显示屏指示方式；LED报警灯指示方式。

(4)精度：测量精度：≦满量程的1％；显示精度：≦±3℃。

(5)报警方式。

平均温度高报警；(有继电器接点输出，故障灯点亮)

绝对误差报警；(有继电器接点输出，故障灯点亮)

气缸高温报警；(有继电器接点输出，故障灯点亮)

气缸低温报警；(有继电器接点输出，故障灯点亮)

涡轮高温报警；(有继电器接点输出，故障灯点亮)

涡轮低温报警；(有继电器接点输出，故障灯点亮)

断偶报警(无继电器接点输出，故障灯点亮)

(6)显示扫描速度：2s/每通道。

(7)工作环境温度：0℃至+50℃。

(8)贮存温度：-40℃至+70℃。

(9)相对湿度：≤93％无冷凝。

排气温度自动巡回检测装置的功能包括：13路通道温度测量、LCD故障信息显示、LED故障指示、故障报警参数设置、继电器报警输出、LCD液晶屏屏保、LED自检、13路通道温度信息的轮回显示和手动查询、消除报警、掉电故障报警参数存储、设置参数输入密码防误操作、正负温度校正。

结构上，排气温度自动巡回检测装置的尺寸为196mm×180mm×100mm(长×宽×高)。

2.设计方案

排气温度自动巡回检测装置的研制分结构设计、电路设计和软件设计三个方面。

2.1结构设计

排气温度自动巡回检测装置的外形尺寸为196mm×180mm×100mm(长×宽×高)，外形结构尺寸图如附图1(A)、图1(B)所示，其中，图1(A)为主视图，图1(B)为后视图。排气温度自动巡回检测装置的组装图如附图2(A)、图2(B)所示，主要包括以下几个部件：箱体、箱子上盖、前面板、前面板贴膜。各部分技术要求如下：

(1)箱体技术要求：材料为20优质薄钢板，厚度t＝1mm，折弯焊接而成，折弯内经R＝0.5t；未标注公差符合GB/T1804-M；注意焊接条件，防止冷却后箱体变形，焊缝均匀，无虚焊，气泡现象，要求焊缝处打磨均匀光滑；销钉加工完成后，在箱体对应位置打孔，把销钉插入孔内，从内测把销钉和箱体焊接牢固；压铆螺柱压接牢固，不允许有松动现象；表面整体镀彩锌，膜厚不小于8um，然后喷塑，颜色为RAL7035浅灰色；符合ROHS。

(2)箱子上盖技术要求：材料为20优质薄钢板，厚度t＝1.5mm；未标注公差符合GB/T1804-M；表面光滑无毛刺，镀彩锌，膜厚不小于8um，然后喷塑，颜色为RAL7035浅灰色；符合ROHS。

(3)前面板技术要求：材料为PC510，颜色为黑色；未标注公差符合GB/T1804-f；表面光滑无毛刺；外棱边倒圆角，倒角半径R＝1mm。

(4)前面板贴膜技术要求：材料PC塑料，颜色RAL7035浅灰色，厚度t＝0.5mm；未标注公差符合GB/T1804-M；丝印文字排列均匀美观；φ19孔为通孔，φ3.5的孔为表面覆透明膜的孔，中间的矩形孔表面覆透明膜；除要求为透明膜的区域外，其余区域在撕掉3M胶纸后，必须不透明；后备3M胶。

排气温度自动巡回检测装置整体需安装在模拟盘上，通过两个固定结构件将装置固定安装在模拟盘上。

2.2电路设计

2.2.1原理框图

排气温度自动巡回检测装置电路设计上有两块电路板，分别为主板和显示板，显示板只完成LED报警指示的功能，其他的功能都在主板上面实现。排气温度自动巡回检测装置的原理框图如附图3所示。

装置的供电电源为+48VDC，经过电源模块转成+12VDC(给继电器供电)和+3.3VDC(给数字电路供电)。13路K型热电偶信号经13路数据转换电路转换成数字信号，由MCU微处理器进行数据采集，这些数据在MCU内进行滤波、计算和处理，然后将处理后各个通道的温度信息发送到LCD显示。如果MCU判断有故障，相应的LED报警指示灯就会被点亮，同时激励继电器，从继电器输出报警信号给上位机。面板按键可以对温度参数进行设置和保存，可以查询各个通道的温度信息和故障信息，还可以在操作员确认无报警后消除继电器输出报警的功能。MCU会定时发送脉冲信号给看门狗电路，如果MCU运行不正常，看门狗电路发出复位信号给MCU。

2.2.2电源模块

电源模块原理框图如附图4所示。外部+48VDC电源滤波后，经过DC-DC隔离模块转换成+12VDC输出，+12VDC经稳压芯片，将电源稳压到+3.3VDC。其中DC-DC隔离模块输入电压范围为18～75VDC，隔离电压为1500VDC。

由于K型热电偶输出的是毫伏级信号，属于小信号处理，电源纹波的大小直接影响到温度测量的精度，因此，热电偶测温对电源纹波的要求很高。为了尽量减小电源纹波，设计时在+48VDC电源输入端加了专用滤波器和滤波电容，滤掉外部电源的噪声信号；在DC/DC模块输出端和稳压芯片输出端都加了电容、共模电感，来减小电源纹波。经测试，+3.3VDC电源输出的纹波小于5mV，温度测量精度达到了±2℃；当电源纹波超过50mV时，温度测量误差大，精度超过了满量程的1％。

2.2.3数据采集模块

K型热电偶是当前工业生产、科学实验较为常用的一种温度传感器，它可以直接测量各种生产中0～1300℃范围内的液体蒸汽，气体介质和固体表面温度。由于它的测量范围及其较高的性价比，使得K型热电偶应用广泛。然而K型热电偶存在非线性冷补偿等问题，特别是在处理补偿问题时，需要付出较高的代价且难以有较好的成效。MAX6675温度采集芯片，弥补了K型热电偶上述缺陷。将MAX6675和K型热电偶结合并用于工业生产和实验，能为工程带来诸多便利且减少繁琐的附加电路。

数据采集设计重点在测量电路MAX6675测温数据的读取，MAX6675与MCU通讯。MAX6675的工作时序如附图5所示，当CS引脚由高电平变为低电平时，MAX6675停止任何信号的转换并在时钟SCK的作用下向外输出已转换的数据；当CS从低电平变回到高电平时，MAX6675将进行新一轮转换。数据的读取在SCK的下降沿进行，一个完整的数据读取需要16个时钟周期。

MAX6675的输出数据为16位，输出时高位在前，低位在后。第一位D15为无用位；第D14-D3为热电偶模拟输出电势转换的12位数字量；D2位为热电偶断线检测位，当D2位为1时表明热电偶断线；D1位为MAX6675标识符；D0为三态。D14～D3为12位数据，其最小值为0，对应的温度值为0℃；最大值为4095，对应的温度值为1024℃；由于MAX6675内部经过了激光修正，因此，其转换结果与对应温度值具有较好的线性关系。温度值与数字量的对应关系为：

温度值＝1024×ADC_DATA/4095，其中ADC_DATA为转换后的数字量即D14～D3。

2.2.4MCU数据处理模块

MCU选用TI公司MSP430F149型单片机，之所以选择这款单片机作为系统数据处理单元主要基于其广泛的应用领域、强大的运算功能和超低功耗。

MCU将MAX6675输出的D14-D3数据进行处理，根据公式：T_i＝1024×转换后的数字量/4095，T_i为通道温度值(i是通道标识号)，计算出各通道的温度值。每个通道采集5组数据，通过递推平均滤波法，计算出滤波后的通道温度值T_j(j是通道标识号)，计算公式为：其中T_ji表示j通道第i组采集的温度值。根据公式：计算出1～12路通道温度的平均值。根据公式ΔT_j＝|T_j-T_ave|，计算各通道温度的绝对误差。然后将各个通道的T_j与设定的高、低温阈值进行比较判断；T_ave与设定的平均值进行比较判断；ΔT_j与设定的偏差值进行比较判断。比较判断完后，温度信息通过MCU的I/O口并行将数据送往LCD显示(各个通道的温度值、绝对误差及12个通道的平均值、故障信息)，故障状态通过LED指示灯显示。

2.2.5LCD显示模块

LCD显示模块选用LCD12864液晶显示器，该液晶显示器具有4位/8位并行、2线或3线串行多接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块：其显示分辨率为128×64，内置8192个16×16点汉字，和128个16×8点ASCII字符集；此款液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗系统中得到了越来越多的应用。

MCU将采集到的温度数据处理后，由LCD动态显示13路通道的温度值、综合故障信息、1～12通道的平均值和各个通道的绝对误差值。LCD显示模块第一行显示的是平均值，第二行显示的是通道的温度值和该通道的故障类型，第三行显示的是该通道的绝对误差值，第四行显示的是综合故障信息。在巡检模式下，2s切换一个通道，以此循环显示13路通道的温度信息。如果发生故障，LCD定屏，显示故障通道和相应故障类型。如：通道温度值超过上下限或绝对误差超差，LCD定屏到故障通道，显示该通道的温度信息和故障信息，直到报警清除才巡检。

2.2.6面板按键模块

电路中每个按键都加了去抖动电容，四个按键分别为“参数设置/确认”、“右移/翻页”、“下移/增加”、“消除报警”。

四个按钮功能如下：

(1)“参数设置/确认”按钮

a.用于进入参数设置菜单界面；

b.进入参数值设置界面；

c.保存参数设置值；

d.输入密码确认。

(2)“右移/翻页”按钮

a.在有故障模式下，具有翻页的功能，用于查看13通道的相关信息；

b.在设置菜单界面，具有翻页的功能，按下可查看下一页设置菜单项；

c.在设置参数值界面，具有右移的功能，按下按钮，光标向右移，选中需要修改的参数位；

d.正常巡检模式下，具有定屏和翻页(向左翻页)的功能；

e.输入密码模式下，具有右移的功能，按下按钮，光标向右移，选中需要修改的密码位。

(3)“下移/增加”按钮

a.在设置菜单界面，具有下移的功能，按下按钮，可以选择需要修改的参数设置项；

b.在设置参数值界面，具有增加的功能，按下按钮，可以增加相应位的数值；

c.正常巡检模式下，具有定屏和翻页(向右翻页)的功能；

d.输入密码模式下，具有增加的功能，按下按钮，可以增加选中位的数值。

(4)“消除报警”按钮：用于消除继电器输出报警信号。

排气温度自动巡回检测装置温度设置参数默认值包括：高平均温度、气缸高低温、涡轮高低温、绝对误差等的报警值的设定值。

2.2.7状态报警指示灯模块

状态报警指示灯模块总共有7个LED指示灯，分别为气缸温度高故障、气缸温度低故障、涡轮温度高故障、涡轮温度低故障、平均值高故障、绝对误差高故障、断偶故障。MCU通过I²C总线将故障信息写入到串口转并口的芯片中，然后通过三极管驱动LED的亮灭。若故障信息无变化，则不写数据；有变化，则更新串口转并口芯片中的数据。

2.2.8继电器报警输出模块

继电器报警模块原理图如附图6所示。当设备检测到有故障(断偶除外)，MCU输出一个电平信号到运放，经运放比较后驱动三极管，激励继电器输出触点信号给上位机系统。

2.2.9掉电参数存储模块

掉电参数存储模块主要由芯片M24C01组成，芯片用来存储温度参数阈值。

2.2.10人机界面

排气温度自动巡回检测装置人机界面包括三个部分：LCD显示、按键、LED指示灯故障类型指示。LCD显示方式及按键功能见第2.2.5和2.2.6节。

2.2.11内外部接口

排气温度自动巡回检测装置对外接口如附图7所示。设备左侧的17针航插为A列，中间的17针航插为B列，A、B列航插为热电偶输入接口，其型号为JAEGER的0383-220-06；右侧的12针航插为设备电源输入和继电器报警信号输出接口，其型号为JAEGER的0383-590-06。

2.3软件设计

2.3.1软件开发环境

操作系统：windows XP

开发语言：

下位机：C语言

开发平台：

下位机：IAR EW4305.3。

2.3.2软件设计原理

系统软件总体设计原理框图如附图8所示。软件功能主要包括以下几个部分：数据采集、MCU数据和信息处理、参数设置(气缸和涡轮高低温度报警阈值、平均温度高报警阈值、校正温度)、自检功能、掉电参数存储、LCD显示、LED显示及继电器报警。

数据采集：采集13路通道的温度数据。

MCU数据和信息处理：计算13路通道的温度值和偏差值、12路气缸温度的平均值、分析13路通道的故障类型、分析综合故障信息。

参数设置：可以设置气缸和涡轮高低温度报警阈值、平均温度高报警阈值、正校正温度值、负校正温度值。

自检功能：7个LED各闪烁两次，检测LED是否有故障。

掉电参数存储：掉电后，存储最后一次保存的参数设置值。

LCD显示：巡检界面显示通道温度值、通道故障类型、平均温度值、通道偏差值和综合故障信息；参数设置界面显示各故障报警值设置信息。

LED显示：指示故障类型。

继电器报警：延时输出继电器报警信号。

2.3.3程序设计

软件流程图如附图9所示。排气温度自动巡回检测装置上电后，先进行初始化，包括看门狗初始化、系统时钟初始化、IO口初始化、定时器初始化、液晶参数初始化、E2PROM初始化。接着调用上电自检程序，检查LED是否完好，然后开中断，进入while(1)循环。

while(1)循环里面包括5个部分：10ms定时中断函数、50ms定时中断函数、100ms定时中断函数、250ms定时中断函数、2s定时中断函数。

其中，10ms定时中断函数执行按键扫描和操作、LCD液晶屏自锁的功能；50ms定时中断函数执行自检功能；100ms定时中断函数执行继电器延时报警输出的功能；250ms定时中断函数主要执行数据采集、数据计算、LCD显示、故障判断、故障显示、故障消除、故障定屏的功能；2s定时中断函数执行LCD数据刷新的功能。

如果while(1)循环内不能定时给外部看门狗电路喂狗，外部电路就会复位MCU，程序重新开始执行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种数字化排气温度自动巡回检测装置，其特征在于，包括：

处理器，与其电连接的控制面板、参数存储器、显示器和继电器报警电路；

依次电连接的温度传感器、数据转换器和所述处理器；

电源模块；

所述处理器接收所述数据转换器转换的温度传感器值的数字信号，在所述显示器显示温度信息，并判断设备故障时，还通过所述继电器报警电路输出报警信号给上位机。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括与所述处理器电连接的LED报警指示灯，判断设备故障时还控制所述LED报警指示灯进行相应点亮。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述温度传感器分别采集多路气缸、多路涡轮的温度；

所述LED报警指示灯包括分别对应气缸温度高故障、气缸温度低故障、涡轮温度高故障、涡轮温度低故障、平均值高故障、绝对误差高故障、断偶故障的LED灯。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述参数存储器包括：存储用于判断气缸温度高故障、气缸温度低故障、涡轮温度高故障、涡轮温度低故障、平均值高故障、绝对误差高故障的温度参数阈值的芯片M24C01。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述温度传感器包括采集多路K型热电偶信号的MAX6675温度采集芯片；所述数据转换器包括多路数据转换电路。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器包括：MSP430F149型单片机。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括与处理器电连接的看门狗电路，用于发出复位信号给工作异常时的所述处理器。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述继电器报警电路包括：依次电连接的运放器、三极管和继电器。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源模块包括依次电连接的保护电路、滤波电路和DC/DC模块，用于将48V直流转12V直流输出，以及

依次电连接的滤波电路、稳压芯片和滤波电路，用于将所述12V直流转3.3V直流输出。