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一體化智能溫度變送器系統設計

發布時間:2019-12-10     瀏覽次數:

摘要:針對傳統溫度儀表存在測量精度低、傳輸距離遠以及非智能等缺點,設計了一種一體化智能溫度變送系統。該系統以STM32F103為主控制器,以XTR108為溫度檢測處理核心,采用陶瓷Pt100鉑熱電阻作為溫度傳感器,利用STM32F103內部的A/D轉換器實現溫度數據的采集,通過WiFi方式實現數據的傳輸,系統還預留標準4~20mA標準電流接口供其他工業儀表使用。實際測試結果表明,系統測量的相對誤差小于0.05%,可實現測量結果無線傳輸的功能,具有測量精度高、傳輸便捷等優點。

0引言

溫度是工業檢測中一個重要的參數。傳統的溫度變送系統是測溫元件通過大量補償導線,經長距離引入控制室,再將其轉換為標準的4~20mA信號早。此種溫度變送系統存在傳輸距離長、測量精度低、非智能以及維護困難等缺點。隨著集成電路和嵌入式技術的飛速發展,溫度檢測也朝著智能化的方向發展,本文設計了一種一體化智能溫度變送系統。該系統將測溫元件、溫度傳感器、無線傳輸模塊集成到一起,從而形成一體化智能變送系統。該智能變送系統可以通過WiFi通訊方式與PC機連接,通過PC機實現對變送器量程管理、變量監測和維護的功能,與此同時,該系統還可以將數據發送到PC中進行顯示、存儲”。

1熱電阻測溫原理

系統利用熱電阻的三線制接法來消除連接導線電阻引起的測量誤差。三線制接法的要求是3根導線的材質和長度必須保持一致,目的是為了保持3根導線的接入電阻相同,R_=R2=R3。通過導線LL2給熱電阻傳感器R,施加一個恒定激勵電流I,在導線末端測得電壓為VV2V;,其中導線L,接入高阻抗電路使得13=0。檢測原理圖如圖1所示。

一體化智能溫度變送器測溫原理圖

由上述測量原理可得:

由式(4)可知,采用三線制接法后,熱電阻阻值的變化與接入導線的電阻無關,提高了測量精度。

2一體化智能溫度變送系統總體設計

系統是將溫度檢測電路、MCU控制電路、WiFi傳輸電路以及信號輸出電路集成在一-起形成一體化智能溫度變送系統界。其具有測量精度高、測溫范圍廣以及可實現數據無線傳輸等優點。系統總體設計框圖如圖2所示。

一體化智能溫度變送器系統設計框圖

2.1溫度檢測模塊

溫度檢測模塊是整個系統的核心部分,直接影響著整個系統的測量精度回。溫度檢測模塊主要包括XTR108信號調理電路、EEPROM接口電路等。利用熱電阻傳感器檢測溫度的變化,XTR108信號調理電路可將溫度的變化量轉換為相應電信號的變化量。EEPROM電路用來存儲當前的測量量程以及數據,溫度檢測電路原理圖如圖3所示。

一體化智能溫度變送器溫度檢測原理圖

XTR108芯片是專為橋式和溫度傳感器設計的,該芯片可通過SPI方式與MCU進行數據通信留。上電后,XTR108可自動從EEPROM讀取設定的參數,對系統的設定和校正參數也可以通過串行總線SPI接口存儲到EEPROM芯片中。CS1為片選輸入信號,當其為低電平時,表示XTR108芯片被選中,可以對芯片的內部寄存器進行操作。溫度檢測電路圖如圖4所示。

一體化智能溫度變送器溫度檢測電路圖

系統采用三線制接法來消除接入導線電阻引起的測量誤差,當傳感器短路或開路時,XTR108內部的比較器就會輸出一個高電平標志信號,該信號發送給MCU提示傳感器處于故障狀態。EEPROM存儲電路采用AT25010芯片實現,XTR108芯片會自動通過SPI接口讀取AT25010中的數據。

2.2信號輸出電路

系統可以通過USB接口與PC機通訊,還預留4~20mA標準電流接口供其他儀器設備使用8一里.般的4~20mA電流輸出電路采用三極管+放大器的形式,此種方法結構簡單、成本低,但是輸出電流精度較低。因此系統選用專用電流輸出芯片XTR111XTR111采用12V供電,通過單片機的DAC控制器輸出模擬的0~3.3V電壓,經過電流轉換芯片XTR111轉換后線性輸出0~20mA電流信號,該電路具有線性度好、電路簡單以及高性價比等優點,廣泛應用于電流輸出電路中。具體電路圖如圖5

一體化智能溫度變送器4~20mA電流輸出電路圖

2.3WiFi傳輸電路

系統除了提供有線的傳輸方式外,還提供了基于WiFi的無線傳輸方式00-1!,手機可以通過WiFi與系統進行連接,在手機APP.上實現對系統測量參數的更改、量程管理以及數據記錄等功能。系統選用EMW3162WiFi模塊實現數據無線傳輸。EMW3162是一款低功耗的嵌入式WiFi模塊,內部集成了無線LANMAC、基帶、無線電以及Cortex-M3微控制器STM32F205,可獨自運行獨特的“自托管WiFi網絡庫和軟件應用程序堆棧”。EMW3162具有1MB字節閃存,128KBRAM和豐富的外圍設備。系統的MCU通過UART串口與EMW3162模塊實現數據交互,節約了開發時間,硬件電路圖如圖6所示。

EMW3162的復位引腳與系統的MCU連接到一起,MCU復位時也會帶著WiFi模塊一起復位,除此之外,系統還預留外部硬件復位按鈕S1,按下S1也能使系統和WiFi模塊復位。

3軟件設計

系統軟件采用C語言編寫,編譯環境為Keil。軟件是檢驗系統硬件功能的重要組成部分之--,系統軟件包括A/D采集程序、定時器中斷程序、D/A輸出程序、SPI串行總線程序、UART串口傳輸程序以及WiFi通信程序等。系統啟動后,首先執行傳感器初始化,將熱電阻傳感器放置在待測介質上,按下按鈕啟動系統,系統自動讀取EEPROM中的配置信息,將傳感器電阻值的變化線性地轉換為相應的電信號,最終轉換為溫度信號。--方面,系統利用WiFi無線傳輸方式將采集的溫度信號發送到手機APP中顯示,另--方面系統將溫度信號轉換為4~20mA標準電流信號供其他工業儀表使用。系統軟件流程圖如圖7所示。

4實驗數據分析

4.1熱電阻傳感器輸出電阻與溫度關系.

熱電阻溫度傳感器阻值的變化量與所測量的環境溫度成--定的線性關系。當環境溫度為-200~0C時,傳感器輸出的電阻值為

R,=R[1+Al+Bl2+Cix(1-100)](5)

當環境溫度為0~850C,傳感器輸出的電阻值為

R,=1+Al+Br

式中:R0為溫度為0C時熱電阻傳感器的阻值;R,為環境溫度為1C時熱電阻傳感器的阻值;1為被測溫度;ABC均為已知常數。

4.2測試數據對比

測試時利用標準電阻箱模擬環境溫度變化時熱電阻溫度傳感器輸出電阻的變化量,電阻箱選用的是ZX99A高精度直流電阻箱,精度高達0.02%,利用Agilent34401A6型數字萬用表讀取系統輸出的電流信號。按照圖8的方式搭建測試電路,將計算得到的標準電流輸出值與實際測得的電流大小進行對比,分別記錄實驗數據。

一體化智能溫度變送器測量電路示意圖

通過配置不同的測量量程,讀取系統輸出的電流.值的大小。分別將系統測溫的量程配置為0~100°C0~200C2個量程,驗證其輸出電流值與實際值的區別,測試數據如表1、表2所示。

由測量數據可知,分別配置系統不同的測溫量程使得系統輸出的標準電流信號處于4~20mA之間。

由上述數據可得,電流測量的絕對誤差小于0.01,相對誤差小于0.05%,本文設計的一體化智能溫度變送系統具有較高的檢測精度,系統的性能達到設計要求的性能指標。

5結束語:

本文設計了一體化智能溫度變送系統,其具有檢測精度高、工作穩定可靠、支持智能通訊以及一體化等優點。系統利用三線制接法消除接線電阻引起的測量誤差,利用專用溫度檢測芯片XTR108實現傳感器溫度數據的采集以及實現溫度到電壓信號的轉換,采用專用電流輸出芯片XTR111實現電壓信號到4~20mA電流信號的轉換,利用WiFi模塊實現系統與手機的智能連接。系統整體設計符合預期,具有廣闊的市場前景。

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