一體化智能溫度變送器系統設計

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(diǎn)，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(shí)現溫度數據的采集,通過(guò)WiFi方式實(shí)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(yè)儀表使用。實(shí)際測試結果表明，系統測量的相對誤差小于0.05%,可實(shí)現測量結果無(wú)線(xiàn)傳輸的功能，具有測量精度高、傳輸便捷等優(yōu)點(diǎn)。

0引言

溫度是工業(yè)檢測中一個(gè)重要的參數。傳統的溫度變送系統是測溫元件通過(guò)大量補償導線(xiàn)，經(jīng)長(cháng)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(cháng)、測量精度低、非智能以及維護困難等缺點(diǎn)。隨著(zhù)集成電路和嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，溫度檢測也朝著(zhù)智能化的方向發(fā)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(wú)線(xiàn)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(guò)WiFi通訊方式與PC機連接，通過(guò)PC機實(shí)現對變送器量程管理、變量監測和維護的功能，與此同時(shí)，該系統還可以將數據發(fā)送到PC中進(jìn)行顯示、存儲”。

1熱電阻測溫原理

系統利用熱電阻的三線(xiàn)制接法來(lái)消除連接導線(xiàn)電阻引起的測量誤差。三線(xiàn)制接法的要求是3根導線(xiàn)的材質(zhì)和長(cháng)度必須保持一致，目的是為了保持3根導線(xiàn)的接入電阻相同,即R_=R2=R3。通過(guò)導線(xiàn)L、L2給熱電阻傳感器R,施加一個(gè)恒定激勵電流I,在導線(xiàn)末端測得電壓為V、V2、V;,其中導線(xiàn)L,接入高阻抗電路使得13=0。檢測原理圖如圖1所示。

由上述測量原理可得:

由式(4)可知，采用三線(xiàn)制接法后，熱電阻阻值的變化與接入導線(xiàn)的電阻無(wú)關(guān)，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(shí)現數據無(wú)線(xiàn)傳輸等優(yōu)點(diǎn)。系統總體設計框圖如圖2所示。

2.1溫度檢測模塊

溫度檢測模塊是整個(gè)系統的核心部分，直接影響著(zhù)整個(gè)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(lái)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。

XTR108芯片是專(zhuān)為橋式和溫度傳感器設計的，該芯片可通過(guò)SPI方式與MCU進(jìn)行數據通信留。上電后,XTR108可自動(dòng)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(guò)串行總線(xiàn)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(shí)，表示XTR108芯片被選中,可以對芯片的內部寄存器進(jìn)行操作。溫度檢測電路圖如圖4所示。

系統采用三線(xiàn)制接法來(lái)消除接入導線(xiàn)電阻引起的測量誤差，當傳感器短路或開(kāi)路時(shí),XTR108內部的比較器就會(huì )輸出一個(gè)高電平標志信號，該信號發(fā)送給MCU提示傳感器處于故障狀態(tài)。EEPROM存儲電路采用AT25010芯片實(shí)現，XTR108芯片會(huì )自動(dòng)通過(guò)SPI接口讀取AT25010中的數據。

2.2信號輸出電路

系統可以通過(guò)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(jiǎn)單、成本低,但是輸出電流精度較低。因此系統選用專(zhuān)用電流輸出芯片XTR111，XTR111采用12V供電,通過(guò)單片機的DAC控制器輸出模擬的0~3.3V電壓，經(jīng)過(guò)電流轉換芯片XTR111轉換后線(xiàn)性輸出0~20mA電流信號,該電路具有線(xiàn)性度好、電路簡(jiǎn)單以及高性?xún)r(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于電流輸出電路中。具體電路圖如圖5所

2.3WiFi傳輸電路

系統除了提供有線(xiàn)的傳輸方式外,還提供了基于WiFi的無(wú)線(xiàn)傳輸方式00-1!，手機可以通過(guò)WiFi與系統進(jìn)行連接，在手機APP.上實(shí)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(shí)現數據無(wú)線(xiàn)傳輸。EMW3162是一款低功耗的嵌入式WiFi模塊,內部集成了無(wú)線(xiàn)LANMAC、基帶、無(wú)線(xiàn)電以及Cortex-M3微控制器STM32F205,可獨自運行獨特的“自托管WiFi網(wǎng)絡(luò )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(guò)UART串口與EMW3162模塊實(shí)現數據交互，節約了開(kāi)發(fā)時(shí)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,當MCU復位時(shí)也會(huì )帶著(zhù)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(yǔ)言編寫(xiě)，編譯環(huán)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(shí)器中斷程序、D/A輸出程序、SPI串行總線(xiàn)程序、UART串口傳輸程序以及WiFi通信程序等。系統啟動(dòng)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(zhì)上,按下按鈕啟動(dòng)系統，系統自動(dòng)讀取EEPROM中的配置信息,將傳感器電阻值的變化線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳輸方式將采集的溫度信號發(fā)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(yè)儀表使用。系統軟件流程圖如圖7所示。

4實(shí)驗數據分析

4.1熱電阻傳感器輸出電阻與溫度關(guān)系.

熱電阻溫度傳感器阻值的變化量與所測量的環(huán)境溫度成--定的線(xiàn)性關(guān)系。當環(huán)境溫度為-200~0C時(shí)，傳感器輸出的電阻值為

R,=R。[1+Al+Bl2+Cix(1-100)](5)

當環(huán)境溫度為0~850C時(shí),傳感器輸出的電阻值為

R,=1+Al+Br

式中:R0為溫度為0C時(shí)熱電阻傳感器的阻值;R,為環(huán)境溫度為1C時(shí)熱電阻傳感器的阻值;1為被測溫度;A、B、C均為已知常數。

4.2測試數據對比

測試時(shí)利用標準電阻箱模擬環(huán)境溫度變化時(shí)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(wàn)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(shí)際測得的電流大小進(jìn)行對比，分別記錄實(shí)驗數據。

通過(guò)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°C和0~200C2個(gè)量程，驗證其輸出電流值與實(shí)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(yǔ):

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(yōu)點(diǎn)。系統利用三線(xiàn)制接法消除接線(xiàn)電阻引起的測量誤差,利用專(zhuān)用溫度檢測芯片XTR108實(shí)現傳感器溫度數據的采集以及實(shí)現溫度到電壓信號的轉換，采用專(zhuān)用電流輸出芯片XTR111實(shí)現電壓信號到4~20mA電流信號的轉換，利用WiFi模塊實(shí)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(chǎng)前景。