CN1920893A - 一种低功耗地温自动检测仪及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗地温自动检测仪及检测方法，用于大面积冻土地温检测。该检测仪包括一台自动采集设备，一台手持设备，两台无线数据传输设备和一台管理计算机。自动采集设备由电源管理模块、单片机系统、AD转换模块、信号获取模块、串口通信模块、存取模块、时间系统组成。手持设备可通过串口将自动采集设备中的数据导入管理计算机中。本发明具有采集电阻范围宽，测温精度高，准确度达到0.05℃；接口多，最多外接36路热敏电阻；供电方式灵活，功耗低，月耗电量小于10Ah；配有串口通信传输数据，数据读取灵活多样，可以用计算机直接读取，也可以用手持设备将数据转储到USB盘，还可以利用无线通信传输。

Description

一种低功耗地温自动检测仪及检测方法

技术领域

本发明涉及冻土地温检测技术，特别是涉及一种低功耗地温自动检测仪及检测方法。

背景技术

《自动化仪表》1999年第3期，发表了一篇题为《不确定度为0.02℃的低成本精密多路测温仪》的文章，该测温仪测试用的传感器为铂电阻Pt100。检测仪器主要包括采样电路与转换单元、单片机系统两部分。采样与转换电路中采用继电器作为切换开关，铂电阻采用二线制接法。单片机采用AT89C52。工作原理是通过一个精密电阻和铂电阻传感器分压，将铂电阻的电阻变化转换为电压变化，利用AD转换得到电压变化的数字量，通过单片机对数字量分析计算，通过键盘和显示器控制显示温度变化。文中提到的提高测试温度的精度的方法主要采用严格筛选铂电阻传感器，将每只传感器的误差参数写入单片机EEPROM，通过软件对传感器进行校正。这种方法工作量大且复杂。继电器电路不仅会使仪器体积变得庞大，还增加了设备的功耗。无法适用于低功耗要求的场合。《仪表技术》2001年第1期发表了一篇题为《智能化高精度多路测温仪的研制》文章，该测温仪用测试传感器为铂电阻Pt100。检测仪器包括多路采集电路、AD转换电路、单片机系统及通信电路。采用多路模拟开关矩阵作为切换开关，铂电阻采用4线制接法。ADC采用AD574，单片机采用51系列单片机。该仪器工作原理是通过一个精密电阻和铂电阻传感器分压，将铂电阻的电阻变化转换为电压变化，利用AD转换得到电压变化的数字量，通过单片机对数字量分析计算，并通过串口将数据传输给计算机。这种方案在实现上采用多路开关作为选择部件，有了很大的改进。但它仍是以铂电阻作为传感器，而且大量采用分立的放大器、ADC等芯片，使电路变得复杂还会影响采集的精度。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种新的地温自动检测仪及检测方法。该检测仪及检测方法采集电阻范围宽，测温精度高，接口多，功耗低，通讯方式灵活，数据传输快速可靠。

为达到上述目的，本发明提供一种低功耗地温自动检测仪及检测方法。该检测仪由自动采集设备、手持设备(即手持数据转储设备)、无线数据传输设备及计算机管理计算机四分组成。所述自动采集设备由电源管理模块、单片机系统、AD转换模块、信号获取模块、串口通信模块、存取模块、时间系统组成。单片机系统通过接口分别与电源模块、AD转换模块、信号获取模块、串口通信模块、存取模块、时间系统连接。电源管理模块由太阳能电池板、锂电池、稳压模块、充电管理模块和放电管理模块组成，用于现场为自动采集设备提供长期稳定电流。信号获取模块和AD转换模块负责信号获取和将其数字化。时间系统为系统提供时间信息，并提供定时采集中断信号；所述手持设备由CPU、串口、USB控制模块，SDRAM键盘等构成。手持设备与自动采集设备、手持设备与管理计算机通过串口相连，通过手持设备可将自动采集设备中的数据导入管理计算机中；所述无线数据传输设备在自动采集设备和管理计算机端各配置一台，通过无线网络实现自动采集设备和管理计算机之间的通信。

该检测方法通过所述地温检测仪执行如下步骤：单片机系统首先进行系统初始化，确定各端口的功能，然后设置串口波特率、A/D采样率、采样间隔，打开采样定时器，并打开串口中断和外部中断，系统进入休眠状态，当侦听到中断时，系统则进入相应的中断服务程序：如果是采样时间到，则系统进入采样定时中断服务程序，采样定时中断服务程序中完成对热敏电阻阻值参数的采集和处理，并将本次采集所有通道的阻值连同时间信息记录到存储器中，完成后返回主程序，等待下一次采样时刻的到来；如果是串口中断，系统进入串口中断服务程序，首先判断是“取数”还是“校准”命令，如是“取数”命令则将所有保存在存储器的记录传给手持设备，如是“校准”命令，则从数据管理计算机接收当前时间和设备号、通道总数信息；中断处理完成后，系统继续休眠。

本发明具有以下有益效果：

(1)采集电阻范围宽，适合测试500Ω～7000Ω的热敏电阻；

(2)测温精度高，采集热敏电阻准确度达到0.05℃；

(3)接口多，最多外接36路热敏电阻；

(4)供电方式灵活，适用于电池供电，并有太阳能电池接口；

(5)系统功耗低，月耗电量小于10Ah；

(6)配有串口通信，传输数据，数据读取灵活多样，可以用计算机直接读取，也可用手持设备将数据转储到USB盘，还可以利用无线通信传输。

附图说明

图1为本发明组成结构框图图            2为自动采集设备模块关系图

图3为电源管理模块原理图图            4为AD转换和信号获取模块原理示意图

图5为AD转换模块原理图           图6为信号获取模块原理图

图7为单片机系统工作流程图       图8为采样定时中断服务程序流程图

图9为串口中断服务程序流程图

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明做进一步描述：

参照图1，本发明由自动采集设备、手持数据转储设备、无线数据传输模块、计算机管理软件四部分组成。自动采集设备与手持设备、手持设备与管理计算机都是通过串口相连。无线数据传输模块在自动采集设备和管理计算机端各配置一台，通过无线网络进行通信。自动采集设备由电源模块、AD转换模块、信号获取模块、存储模块、单片机系统(CPU)、时间系统等主要功能模块组成。每台自动采集设备出厂前，首先由计算机管理软件校准设备内部时钟，并写入设备的设备号信息，以便使用中识别。安装到现场后，自动采集设备就根据设定好的采集时刻(02、08、14、20)每日按时采集地温数据，采集完成后保存到存储器中。一段时间(几个月至一年)后，利用手持转储设备或无线收发设备将现场的数据取回管理实验室的计算机数据库中，由数据管理软件分析处理。

参照图2，HDQ接口是美国TI公司为电池管理芯片开发的一线制串行数据接口，CPU通过该接口可访问电池管理芯片的内部寄存器；串行通信模块MAX3222通过UART接口与CPU相连，使用中的UART采用了三线制，即使用了TXD/RXD/GND三根信号线；存储器和ADC通过SPI接口与CPU相连，SPI口只用到CPU的三个I/O口，每个串行外设对应一个片选信号，并共用SPI接口，这样就节省了CPU的I/O口；信号获取模块需要用到较多的地址信号和使能信号，CPU通过改变地址信号来选通不同的采集通道。时间系统为系统提供准确的时间信息，并提供定时采集的中断信号，它通过IIC接口与CPU相连。

系统工作时，首先由信号获取模块和AD转换模块完成信号的获取和数字化，得到的数字量存入存储器AT45DB161B中，需要时通过串口通信MAX3222将数据传输到管理计算机。时间系统通过IIC总线与单片机通信，ADC与存储器通过SPI接口与单片机通信，MAX3222通过UART接口与单片机通信。

为了降低系统功耗，在各模块主要芯片的选型上选用低功耗且有电源开关的芯片：串口通信模块的MAX3222和电源稳压模块的LP2985都是带有电源开关的芯片；存储器、AD转换芯片和多路模拟开关当没有片选信号时，模块自动进入微功耗状态；单片机和时间系统在系统休眠状态功耗都很低。同时，为了适应青藏高原的低温环境，芯片选用军品或工业级产品。

另外，为进一步降低功耗，为自动采集设备设计了两种状态：工作状态和休眠状态。工作状态完成每日的采集工作；休眠状态下系统侦听中断信号并计时等待采集时刻的到来，同时将系统功耗降到最低。根据气象特征，设定在每目的02、08、14、20时刻对冻土地温数据进行采集，定时由时间系统的中断信号产生，单片机收到中断信号后，进入采集程序，对外接的热敏电阻采集一遍，并保存采集数据，整个采集工作历时约3分钟。之后系统进入休眠状态，该状态下，关闭ADC、模拟开关、存储器的供电，同时关掉MAX3222的发送模块，保留其接收模块，并可以产生接收中断信号；关掉单片机的大部分功能模块，只侦听外部中断和串口接收中断。时间系统正常工作，为系统计时和产生定时中断信号。等下次采集时刻到来时，时间系统给单片机提供一个外部中断信号，收到中断后，单片机首先自唤醒，然后打开所有外设的供电开关，系统进入工作状态。

参照图3，根据现场电力供应缺乏，而日照非常充足的环境情况，利用太阳能电池板作为自动采集设备的外接电源，并用锂离子蓄电池对自动采集设备直接供电，这样既保证了无论白天夜晚都有充足的可用电量，又为设备提供恒定的供电电压，保护了内部元器件免受电压波动的影响。充电控制芯片采用BQ2057。它集成了高精度的电流、电压校准，环境温度监控，充电完成监控，充电状态指示和充电速率自动补偿等多项功能。该控制芯片外接元器件较少，可直接控制对两节串连锂电池充电管理。放电管理芯片BQ2052随时监控锂电池的电压、平均放电电流等，根据电池初始电压和初始容量的设定，芯片内部计算出电池的剩余容量，并将剩余容量值存放在特定的内部寄存器中，可以通过HDQ接口与控制器通信，向其传递剩余容量等可用信息。一旦太阳能电池板遭到破坏，锂电池的电量可以供设备使用三个月的时间，这样就可以从锂电池每日减少电量的情况中看出太阳能电池已遭破坏，维护人员只要在三个月内将太阳能电池板维修好，就不会影响自动采集设备的正常工作。

参照图3，锂电池的电压一般在6V～8.4V之间，自动采集设备内部各模块均采用3.3V电压供电，其中单片机系统、串口通信系统和数据系统的供电是不间断的，而AD转换模块，信号获取模块和存储芯片的供电是可控的，这样不仅节省电量，还能避免热敏电阻因电流的影响而产生“自热”问题。设备采用两片LP2985进行稳压，一片对单片机、串口、时间系统供电(图中用VCC0表示)，另一片对AD、存储、和信号获取模块供电(图中用VCC表示)，单片机可以对VCC进行开关控制。

参照图4、5、6，AD转换部分和信号获取部分是一个统一的整体。ADC芯片内部集成了恒流源、轨到轨输入数据缓冲器、PGA(programmable gain amplifier.)、24位Σ-ΔA/D转换器和SPI接口控制器等。首先，ADC芯片为热敏电阻矩阵提供一个稳定的200uA的恒流源，该电流在信号获取模块模拟开关(图4中组一)的选择下流经一路热敏电阻，经分压电阻接地。热敏电阻高电势一端经第二组模拟开关选通输入到ADC的AIN+端；低电势一端，也是公共端，接到ADC的AIN-端。该电压信号经ADC内部的缓冲和PGA差分放大，再通过24位Σ-ΔA/D转换成数字量，通过SPI接口输入到ATmega16L单片机中进行数据处理得到热敏电阻数字量Nt。和热敏电阻矩阵并联有一路基准电阻，每次采集一路热敏电阻，同时采集基准电阻两端的电压。该基准电阻同样由信号获取模块的模拟开关(图4中组一)来选通，得到的基准电压信号经信号获取模块的第二组模拟开关送入ADC，经单片机数据处理得到基准电阻数字量Njz。设恒流源为I，则Rt(热敏电阻)和Rjz(基准电阻)的端电压分别为I×Rt、I×Rjz。

Vt＝I×Rt×A＝Nt*K

Vjz＝I×Rjz×A＝Njz*K

单片机根据采集到的Nt和Njz，上面两式求比例即可得到热敏电阻Rt的阻值；并且由于测温仪采用了与基准电阻求比例得到被测电阻的方法，整个计算处理过程与恒流源的值无关，所以对恒流源的准确性的要求并不是很高，只要求它具有较好的稳定性。

参照图4，图4中采用两组多路模拟开关来实现信号的获取，两组多路模拟开关共用一套地址线。第一组多路模拟开关选通要采集的热敏电阻，形成一条恒流源采集回路；同时，与第一组模拟开关共用相同地址的第二组模拟开关将热敏电阻的电压信号引入了ADC，由于ADC内部的差分放大器的输入阻抗可视为无穷大，第二组多路模拟开关的导通内阻就可以完全忽略了。由于采集回路采用恒流源，所以第一组多路模拟开关导通内阻对热敏电阻两端电压完全没有影响，而电压信号直接由热敏电阻两端引出，这样就完全避免了多路模拟开关导通内阻对热敏电阻阻值的影响。

参照图7，自动采集设备工作程序流程如下：上电复位后，单片机首先进行系统的初始化，然后确定各端口的功能，并设置串口波特率(19200bps)，定时时刻，并打开串口中断和外部中断，系统进入休眠状态。当侦听到中断时，系统则进入相应的中断服务程序。中断处理完成后，系统继续休眠。参照图8，定时采集中断服务程序流程为：如果每日的采样时间到，系统进入采样定时中断服务程序中，采样定时中断服务程序中完成对热敏电阻阻值参数的采集和处理，并将本次采集所有通道的阻值连同时间信息记录到存储器中，完成后返回主程序，等待下一次采样时刻的到来。参照图9，串口中断服务程序流程为：首先判断是“取数”还是“校准”命令，如是“取数”命令则将所有保存在存储器的记录传给手持设备，如是“校准”命令，则从数据管理计算机接收当前时间和设备号、通道总数信息。本设备安装在高原现场，安装前应该进行一次校准，即操作人员通过手持设备从管理计算机取得当前时间和该设备的编号以及该设备号对应的采集热敏电阻的通道总数，通过对冻土地温自动检测设备的校准操作，将这些初始化信息下载到本设备上。同时操作人员需要获取本设备的数据时，也可通过手持设备将本设备采集热敏电阻阻值数据传送到管理计算机进行分析、统计、打印和显示。这些通过手持设备的“校准”和“取数”操作都是通过串口通信实现的。本设备在初始化完毕后，除了进行热敏电阻的每日定时采样外，如有串口通信中断请求，则进入串口中断服务程序中。

Claims (7)

1、一种低功耗地温自动检测仪，包括一台自动采集设备和一台管理计算机，其特征在于：它还包括一台手持设备和二台无线数据传输设备，手持设备与自动采集设备、手持设备与管理计算机通过串口相连，通过手持设备可将自动采集设备中的数据导入管理计算机，两台无线数据传输设备分别通过串口与自动采集设备和管理计算机连接，通过无线网络实现自动采集设备和管理计算机之间通信；所述自动采集设备由电源管理模块、单片机系统、AD转换模块、信号获取模块、串口通信模块、存取模块和时间系统组成，电源管理模块通过HDQ接口与单片机系统相连，用于为自动采集设备提供长期稳定电流，存储器和ADC通过SPI接口与单片机系统相连，用于信号获取和将信号数字化，时间系统通过IIC接口与单片机系统相连，用于为系统提供时间信息及定时采集中断信号。

2、根据权利要求1所述检测仪，其特征在于：所述电源管理模块由太阳能电池板、锂电池、稳压模块、充电管理模块和放电管理模块组成，其中充电管理模块采用BQ2052芯片，放电管理模块采用BQ2057芯片，稳压模块采用LP2985芯片。

3、根据权利要求1所述检测仪，其特征在于：串口通信模块芯片MAX3222和电源稳压模块芯片LP2985具有可控制电源开关。

4、根据权利要求1所述的检测仪，其特征在于：所述AD转换模块选用AD7783作为ADC芯片，并为信号获取模块提供恒流源。

5、根据权力要求1所述的检测仪，其特征在于：所述信号获取模块采用两组多路模拟开关，一组用于完成多路信号通道的选择，另一组用于完成对选中信号的提取。

6、根据权利要求1所述的检测仪，其特征在于：所述自动采集设备具有工作和休眠两种状态，工作状态下完成每日的采集工作；休眠状态下系统侦听中断信号并计时等待采集时刻的到来，同时将系统功耗降到最低。

7、一种低功耗冻土低温自动检测方法，其特征在于：权利要求1所述地温检测仪执行如下步骤：单片机系统首先进行系统初始化，确定各端口的功能，然后设置串口波特率、A/D采样率、采样间隔，打开采样定时器，并打开串口中断和外部中断，系统进入休眠状态，当侦听到中断时，系统则进入相应的中断服务程序：如果是采样时间到，则系统进入采样定时中断服务程序，采样定时中断服务程序中完成对热敏电阻阻值参数的采集和处理，并将本次采集所有通道的阻值连同时间信息记录到存储器中，完成后返回主程序，等待下一次采样时刻的到来；如果是串口中断，系统进入串口中断服务程序，首先判断是“取数”还是“校准”命令，如是“取数”命令则将所有保存在存储器的记录传给手持设备，如是“校准”命令，则从数据管理计算机接收当前时间和设备号、通道总数信息；中断处理完成后，系统继续休眠。

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