多点温度采集论文

多点温度采集论文（精选8篇）

多点温度采集论文 第1篇

1 设计方案

新型数字温度传感器DS18B20克服了传统温度测量系统抗干扰能力差、外围硬件电路复杂、可靠性较低等缺点。具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少、一线总线、可组网等许多优点[2]。DS18B20的具有独特的1-wire总线方式, 使用一个引脚就能实现数据通信, 实现9-12位温度读数。传感器可以由数据线本身提供电源的供电, 而不需要外部电源供电的方式工作。测量结果直接输出数字温度信号, 以“一线总线”串行传送给CPU, 同时可传送CRC校验码, 具有极强的抗干扰纠错能力[3]。在很多系统中, 要求采集多点的温度。DS18B20的多种封装模式和其自身的一些特征使得构建适合自己的经济的测温系统成为可能。

要在一个房间里面采集多点的温度, 从而控制房间里面的设备来调节温度。如果使用一个单片机接一个传感器的单点的方法, 采集比较简单, 但是需要很多单片机。目前常用的有两种方案可以实现多点温度采集。

第一种是星型方案:DS18B20通过星型的方式连接在主控芯片上面, 一个管脚接一个传感器。这种方法虽然连接方便, 软件实现简单。占用了大量的CPU资源, 并且不容易修改。

第二种是串行方案:通过1-wire方式连接多个传感器。利用DS18B20唯一的序号, 通过匹配ROM, 可以判断出到底读取的那个点的温度, 就能够实现多点温度采集。但是这种方案的要求解决一些技术问题, 软件要求较高。

因为采集的房间的温度, 对实时性要求不是很严格, 采用串行方案能够节约成本, 而且能够满足本设计的需求, 所以本设计采用串行方案。用Atmel公司的Atmega16作为主控芯片, 通过1-wire方式连接多个传感器。并对采集到的数据进行处理, 变成我们常见的温度形式。为了方便的看到采集及处理的结果, 接一个LCD来显示。

2 硬件设计

2.1 供电方式。

为了使DS18B20能够在一定时间内准确的完成温度变换, 当温度变换发生时I/O线上必须提供足够的功率。因为DS18B20的工作电流高达1m A, 如果使用5K的上拉电阻, 将使I/O线没有足够的驱动能力。尤其是在同一条I/O线连接多个DS18B20上而且企图同时变换时, I/O线的驱动能力就要受到严重的考验。

因为要通过1-wire的方式连接多个传感器。所以我们采用外部电源的方式向DS18B20供电是明智的选择。使用外部电源通过连接到VDD引脚。这种方法的优点是, 不要求在I/O线上有强的上拉, 主机不需向上连接便在温度变换期间使线保持高电平。这就允许在变换时间内其它数据在单线上传送。此外, 在单线总线上可以放置任何数目的DS1820。而且如果它们都使用外部电源, 那么通过发出跳过ROM命令和接着发出变换命令, 可以同时完成温度变换。大大提高执行效率。

2.2 硬件连接方式。

硬件连接方式包括三个方面, 数字温度传感器DS18B20, 主控芯片是Atmel公司生产的AVR系列的单片机Atmega16和一个LCD显示器。DS18B20以串联的方式接到Atmega16上面, 每个传感器都有一个单独的外部电源供电。在本设计中, 主控芯片采用了六个个管脚与lcd的管脚相连接的方式, 处理来自传感器DS16B20采集的数字量信息, 变成实际中的温度信息, 在LCD液晶显示器中显示。

3 软件设计

软件设计的主要任务是能够正确读取各个传感器的温度, 在传感器发生变化的时候不用更改源程序能够继续使用, 并能够正确的显示。在程序在执行之前, 首先把温度传感器的ROM地址依次读入E2PROM中, 这样就知道读取的是哪个传感器的温度。当传感器发生变化时, 将新的地址存入E2PROM。由于E2PROM有掉电保存的特点, 它存储的总是最近一次读入的DS18B20地址。根据E2PROM的DS18B20地址信息, 就能对应到它的物理位置。

单线总线访问DS18B20有严格的步骤: (1) 初始化; (2) ROM操作指令; (3) DS18B20功能操作指令[6]。每次对DS18B20的操作必须按照这三个步骤的顺序进行执行, 否则就没有返回值。ROM操作指令有五种, 搜索ROM, 读取ROM指令, 匹配ROM指令, 跳过ROM指令和报警搜索指令。通过这五个指令完成对器件的操作。这些指令对时序都有很高的要求。所以在写这些指令的时候, 必须严格按照芯片说明的时间间隙来读取。否则极有可能读不到数据信息。软件设计采用C语言, 软件的基本流程如图 (1) 所示。

在正常的情况下, 所有的E2PROM的地址单元的地址都能被匹配到它对应的传感器, 并按照正常的流程处理送显示。只有在下面两种情况下, 第一种是有传感器坏了, 第二种就是由新的同型号传感器放在原来的地方, 就需要能够识别它。通过这个流程图可以看到当E2PROM匹配不到它要匹配的传感器时, 数据就会出错, 不能显示正常的数据。当读到这个出错数据时, 就知道这个ROM地址的DS18B20不存在了。需要重新搜索线上的所有DS18B20的ROM, 以8个字节为一个单元存放在一个数组里面。直到把线上的所有DS18B20的ROM都读出来为止。把数组各个单元里面的数组和E2PROM的ROM比较, 一旦发现有所不同, 就放入到出错的E2PROM的ROM里, 替代以前的。如果没有发现不同的, 就是说明传感器出错了, 但没有新的替代的传感器。

4 系统实现

本设计基本上实现了多点采集和即插即用的的功能。把传感器放在不同的地方, 发现温度之间是的明显差异。而且基本在1~2分钟之内就能反映出来实际的温度。说明在温度超过控制温度的时候, 我们就能及时的发现, 如果有控制程序的话, 就能够做出合理的调整。

结语:通过硬件设计和软件设计, 程序能够实现1-wire方式的多点温度采集, 而且能够实现即插即用, 并能够确定它的物理地址。经过验证, 该设计在Proteus仿真和实际应用中都能够实现, 是比较可靠的一种方法。

参考文献

[1]蒋鸿宇, 王勇, 植涌.由DS18B20构成的多点温度测量系统[Z].2001 (2) :44-47.

[2]潘笑, 徐辛酉.基于单总线数字温度传感器的多点测温技术[J].中国仪器仪表, 2006 (2) .

[3]Richard Barnett (美国) .嵌入式C语言编程与Atmel AVR[M].北京:清华大学出版社, 2003.

无线温度采集系统设计 第2篇

关键词：MSP430F149单片机：NRF905无线模块；DS18820

一、设计要求

无线温度采集系统用于对多点的温度实时监测，便于工作人员对温度的控制。整体的设计要求主要体现在结构和功能两个方面。

（一）结构要求：

1、该系统山一个接收显示终端和若干温度采集节点组成：

2、通过无线方式进行数据传输。

（二）功能要求：

1、按下接收显示终端的按键1，控制温度采集节点l采集温度，并返回温度数据，通过串口上传电脑显示：

2、按下接收显示终端的按键2，控制温度采集节点2采集温度，并返回温度数据，通过串口上传电脑显示；

3、按下接收显示终端的按键3，自动控制温度采集节点l和2采集温度，定时返回两个节点的温度数据，上传到电脑显示。

4、可以设定温度上限，如果所采集温度超过设定范围，则接通报警电路。

二、总体设计

（一）系统组成及工作原理

系统组成如图l所示。系统分为接收显示终端和采集节点两部分。

1、接收显示终端：

主要由键盘、MSP430F149单片机、数码管、串Ll、蜂呜器和NRF905无线模块等六部分组成。键盘共有三个按键，对应着整体设计的三个功能，完成操作指令的输入；然后将按键信息传给单片机，单片机根据按键信息来控制数据通过无线收发模块的发送和接收，以及数

码管的显示，并将接收到的信息通过串口发送给上位机显示。

2、采集节点：

主要由温度传感器、MSP430F149单片机和NRF905无线模块等三部分组成。

三、硬件设计

（一）硬件组成

接收显示终端以单片机为核心连接键盘、数码管、串口、蜂鸣器、无线收发模块等五个部分；答题器以单片机为核心连接温度传感器和无线收发模块两部分。

（二）单片机核心模块

我们在整体设计中选用的是TI公司的MSP430系列单片机MSP430F149，它是由2个16伍定时器、8路快速12位A/D转换器、2个通用串行同步/异步通信信号接口（US-ART）和48个I/O引脚等构成的超低功耗微控制器。

该单片机具有以下几个特点：

（1）功耗低，可使用户的应用系统长时间工作在电池供电系统中；

（2）具有l6位的体系结构及16位的CPU数据处理能力和常数发生器，可使单片机实现代码效率最大化：

（3）主要编程语言是C语言，引进了Flash型程序存储器和JTAG技术，使丌I发工具变得简便，而且价格也相对低廉，并且还可以实现在线编程。

（三）接收显示终端电路

接收显示终端的电路主要由7部分组成，分别为单片机电路、数码管电路、键盘电路、串口电路、报警电路、电源电路、NRF905模块电路等。

数码管电路：由四个共阳极数码管和若干电阻、晶体管组成，与单片机的P4口和P5口连接，控制信号力低电平有效，P4口控制数码管的位选信号，决定由哪一位数码管显示，P5口控制数码管的段选信号，决定数码管显示的内容。

键盘电路：由三个触控式开关和上拉电阻组成，与单片机的P1 口连接，按键闭合前相应的引脚为高电平，闭合时变为低电平，松开按键后恢复为高电平。主机键盘电路如图4所示。

串口电路：丰要由max232芯片组成，负责完成单片机和上位机之间的通信，通过串口把采集到的各节点温度上传给电脑显示。

电源电路：负责各个模块电路的电源供电，采用USB供电。

报警电路：主要由一个峰鸣器组成。

NRF905模块电路：采用低功耗射频传输单元NRF905芯”，与单片机的P2 11和P3口连接，3.3伏的电源供电。

（1）433MHz开放ISM频段免许可证使用；

（2）最高工作速率50kbps，高效GFSK调钒抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；

（3）125频道，满足多点通信和跳频通信需要：

（4）内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制；

（5）收发模式切换时间<650us；

（6）模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示），可直接连接各种单片机使用，软件编程非常方便；

（7）标准DIP间跑接口，便于嵌入式应用；

（8）RF Module-Quick-DEV快速开发系统。

答题器的电路主要由4部分组成，分别为单片机电路、温度采集电路、电源电路、NRF905模块电路等。

温度采集电路：主要基于单线数字温度传感器DS18B20芯片。DS18B20芯片支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃—+125℃，在-10℃—85℃范围内，精度为±0.5℃.现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，支持3V—5.5V的电压范围，DS18820可以程序设定9-12位的分辨率，精度为±0.5℃。

电源电路：负责各个模块电路的电源供电，采用USB供电。

NRF905模块电路：采用NRF905半双工无线收发模块，与单片机的P2口和P3口连接，3.3V的电源供电。

四、软件设计

（一）软件结构

整体程序设计主要分为NRF905的初始化、发送函数、接收函数、键值读取、数码管显示、串口的初始化等6个模块。

（二）主程序设计

程序的全局变量为keyval，在系统工作过程中，单片机不断扫描P1口的电平变化，并将相应的键值信息、赋给变量keyval，之后按照相应的指令执行。

采集节点部分：

始终处于接收状态，当收到监控中心发来的指令后，通过温度传感器采集当前的温度数据，然后将数据打包发送给接收显示终端，最后返回接收状态。

参考文献：

[1] 蒲正刚.无线温度采集系统[J].西南石油学院学报.2006年2月

便携式多点温度同步采集系统设计 第3篇

目前在工业控制及野外勘测等领域经常需要同步测量不同地点的温度参数,并进行长时间记录,完成后将时间同步的温度数据载入计算机进行分析。但实现精度较高的时间同步一般采用有线同步技术,这样就非常不便于应用。因此设计一种便携式的、基于无线同步技术的多点温度同步采集与存储系统就显得尤为重要。本文给出了基于STM32F103VC微控制器和无线同步技术相结合的温度采集系统,能够根据事先设定好的模式对温度参数进行采集,并将同步时间及温度数据存入SD卡进行长期存储。系统采用电池供电,特别适合不便于取市电的应用场合。

1 硬件组成及原理

置于不同位置的温度采集系统硬件结构上完全相同,只是不同系统有唯一的ID号,ID号可人为设置。同步采集温度时有以下几种启动模式:温度低越限、温度高越限、温度变化率越限、定时采集。任一满足启动条件的系统都会发出无线指令,通知其它系统同步启动温度采集。系统由微控制器模块、电源模块、人机接口、无线通信模块、SD卡组成,总体结构如图1所示。下面就重要部分进行分别介绍。

1.1 微控制器模块

本系统的主控制器采用STM32F103VC处理器,与电源电路、时钟电路、存储器系统及复位电路共同组成微控制系统。复位电路选用了系统监视复位芯片IMP811S,可提供高效的电源监视功能,确保系统工作正常。

STM32F103VC采用ARM公司的高性能“Cortex-M3”内核,运行的频率高达72 MHz,指令速度达1.25 DMips/MHz。在此基础上还扩展了一系列完整的通用外围接口单元,能够提供高性价比的嵌入式解决方案。STM32F103VC系统外围接口单元主要包括支持60个中断源的中断控制器,2个DMA控制器,80个通用I/O口,1个SD卡接口,3个可编程波特率的UART,16路12位A/D转换器,SD卡接口,2个多主机I2C总线控制器,3个SPI接口等[1]。

1.2 无线通信接口

本设计各采集系统之间的无线同步采集采用单片射频收发芯片NRF24L01,该芯片是真正的GFSK单收发芯片,内置链路层,支持自动应答及自动重发功能,带有地址及CRC检验功能,数据传输率最高达2 Mbps,采用SPI接口进行数据传输,速率最高位8 Mbps[2]。基于NRF24L01芯片的无线通信接口电路见图2,该种方式下,若采用阻抗匹配的天线,无线传输距离可达150 m,完全满足常规采集需求。

图2中,NRF24L01的SPI总线直接与STM32F103VC的SPI0接口相连,TX/RX选择端CE和片选CSN与STM32F103VC的GPIO相连即可,中断口IRQ连接于STM32F103VC的外部中断0,以提供中断信号。

1.3 人机接口与信息存储

为了便于模式设置和参数显示,系统加入了矩阵键盘和LCD显示器。矩阵键盘直接与STM32F103VC的GPIO相连,采用扫描方式进行按键检测。显示器选用LM9033四级灰度LCD模块,该模块功耗极低,带有电源控制,特别适用于电池供电的系统。LM9033可采用并口或SPI接口方式,这里直接将其连接于STM32F103VC的SPI1接口。为了能够将时间信息及温度数据进行长时间存储,系统加入了SD卡存储装置。由于STM32F103VC芯片本身带有SD卡接口,因此只需将SD卡座与STM32F103VC的SD卡接口直接相连即可实现数据读写。

1.4 温度检测电路

温度检测采用热电阻传感器PT1000,信号调理电路如图3所示。图3中,PT1000与电阻R1、R2和Rt1组成电桥,调节电阻Rt1即可调零。由于信号较弱,所以后端采用A1和A2进行两级放大,放大器选用零漂移、轨对轨输出的集成运放LTC2051,该芯片内部集成两个独立运放,一片即可满足本系统需求,采用单电源供电。通过调节电阻Rt2即可实现量程的调节。因为温度变化比较缓慢,所以采用R9和C1组成一阶低通滤波电路,滤除由电源噪声等引起的干扰,以提高测量精度。运放的输出直接与STM32F103VC的内置A/D转换器相连。

2 系统软件设计

在温度同步采集系统中,STM32F103VC完成无线通信、温度检测、参数输入与显示、SD卡读写等功能。整个系统软件部分包括主程序、人机接口程序、无线通信程序、SD卡读写程序、文件系统程序、温度计算程序、实时时间读取、自诊断等功能模块。由于软件较复杂,所以实际编程中嵌入了μC/OS-Ⅱ实时操作系统。

2.1 μC/OS-Ⅱ实时操作系统

μC/OS-Ⅱ实时操作系统是真正源码公开的,采用占先式的实时内核,支持多达56个用户任务,稳定性和可靠性高,而且移植方便,占用内存小。μC/OS-Ⅱ实时操作系统中各任务要分配不同的优先级,优先级用数字表示,数字越小其优先级越高。针对本系统中各任务的重要性,为各任务分配了表1所示的优先级。

2.2 无线通信程序

无线通信程序主要完成基于NRF24L01的数据发送和接收,要严格遵守其发送及接收时序。由于温度采集时每个系统都可能成为发出同步启动信号的主机,因此采集前NRF24L01都配置为接受模式。若某个系统检测到已满足启动条件,则自动配置为发送模式,将同步启动信号发送给其它系统,于是同步采集开始。将NRF24L01配置为增强型ShockBurst模式并启动自动应答,这样可以在接收方接收到信号后自动产生应答以确认通信的正确性,发送方未收到应答则会自动重发,无需增加控制器的工作量。

2.3 SD卡读写程序

本系统SD卡采用了FatFS文件系统以方便将SD卡内的数据通过读卡器导入到上位计算机。FatFS是一种通用的文件系统模块,在小型嵌入式系统中实现FAT文件系统。FatFS文件系统使用非常方便,因为FatFS模块完全与磁盘I/O层分开,因此只需要改写对应的函数来实现底层物理磁盘的读写与获取当前时间即可[3]。本设计中应用到这几个函数:disk_initialize用来初始化磁盘驱动器,这里初始化SD卡;disk_read用来读SD卡扇区;disk_write用来写SD卡扇区;disk_ioctl用来控制与设备相关的特性;get_fattime用来获取当前时间,为文件加盖时间戳。时间的获取采用读STM32内部RTC的方式实现,为此,要在RTC的备用电池引脚接3V的纽扣电池,以实现掉电后的时间维持。

3 实验参数

实验表明,NRF24L01芯片在2 Mbit/s的传输速率下,若SPI总线速率控制为4 Mbit/s,则主机发送从机地址与一个字节数据需要90 μs左右的时间延迟,因此无线同步采集的时间误差可控制在90 μs。若主机发送完同步信号后延迟90 μs再启动采样,则同步采集的时间误差可控制在10 μs内,可满足绝大部分同步采集的需要。经测试,只加板载天线时无线传输距离在空旷地可达50 m,若使用专用天线,则无线传输距离可达150 m,适用于多种测量领域。

4 结束语

本文所设计的温度同步采集系统具有成本低、精度高及可靠性高、通信距离远、存储容量大等优点,调节电位器即可实现温度量程的调节,既适用常温范围测量,又适用于工业温度范围测量。同步采集后的数据很容易在计算机中进行分析、处理及打印等。将温度调理电路做少量修改即可实现对压力、湿度等其它物理量的同步采集,因此应用领域广泛。

摘要：以嵌入式ARM处理器STM32F103VC为核心,结合无线通信和温度检测技术,设计了一套多点温度同步采集系统。系统可根据设定的采集模式对多点温度进行同步采集,并将时间信息及温度数据存入SD卡,用户可将SD卡内数据本机回放,也可读入上位机进行分析、存储等。系统功耗极低,采用电池供电,采集过程无需人工干预,也可适用于野外温度数据的采集与存储。给出了硬件组成与软件编制方法。实验表明,系统温度检测精确,同步精度高,稍作修改即可实现对其它信号的同步采集。

关键词：ARM,STM32F103VC,同步采集,SD卡,FATFS

参考文献

[1]武利珍,张文超,程春荣.基于STM32的便携式心电图仪设计[J].电子器件,2009(5):945-949.

[2]李辉,宋诗,周建江.基于ARM和nRF24L01的无线数据传输系统[J].国外电子元器件,2008(12):44-46.

[3]洪岳炜,王百鸣,谢超英.一种易于移植和使用的文件系统FatFs Module[J].单片机与嵌入式系统应用,2008(5):29-31.

多点温度采集论文 第4篇

一、系统设计

为了实现多点温度检测, 采用AT89LV52单片机作为主控制器, 通过DS18B20温度传感器获取对应位置的温度值, 经处理后通过PTR8000无线传输到到上位机, 上位机可以查询各点温度, 并可以利用RS232接口将数据传至PC机。系统总体框图如图1所示。

系统的采集端主要由DS18B20数字温度传感器及AT89LV52单片机组成, 无线传输部分主要由单片机控制PTR8000完成信息收发。接收机由AT89LV52单片机控制PTR8000完成数据的收集, 单片机外接AT24C02实现掉电存储, 点阵式液晶显示器MGLS12864实现数据显示, 利用键盘可以实现历史温度查询并设定报警温度, 通过RS232串口可以将数据上传至PC机。

二、系统硬件结构

1. PTR8000简介

PTR8000是以n RF905为核心的一款无线收发模块, 工作电压为1.9~3.6V, 工作在433/868/915MHz的ISM (工业、科学、医疗) 频段, 由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调节器组成。最大传输速率可达到100Kbit/s, 可以很容易通过SPI接口进行编程配置。

PTR8000采用Nordic公司的Shock Burst技术收发数据。Shock Burst将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内, 使收发芯片能够提供高速的数据传输, 收发芯片由微控制器通过一个SPI接口控制, 通信速率由微控制器通过程序设定。在发送模式中, PTR8000自动产生前导码和CRC校验码, 数据准备就绪DR信号通知AT89LV52数据传输已经完成。在接收模式中, 地址匹配AM和数据准备就绪DR信号通知AT89LV52一个有效的地址和数据包已经各自接收完成。

由PWR、TRX_CE、TXEN三个引脚完成PTR8000四种工作模式的设定:掉电各SPI编程模式、待机和SPI编程模式、发射模式、接收模式, 如表所示。

2. PTR8000硬件电路

PTR8000内置有完整的通信协议和CRC, 单片机通过SPI接口便可完成无线数据收发, 但PTR8000工作电压为3V, 如果PTR8000与5 V单片机连接, 则必须进行电平转换。这里选用低电压通用单片机AT89LV52, 其供电和逻辑电平均为3 V, 因此不存在电平转换的问题。AT89LV52是ATMEL公司推出的低电压, 高性能CMOS 8位单片机, 工作电压范围可达2.7V-6.0V, 芯片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元, 可用于低功耗场合。

PTR8000与AT89LV52的硬件连接如图1所示。

3. 温度检测

数字温度传感器大大简化了温度检测装置的设计方案, 工作稳定性高, 并且能够直接将温度转换为数字值, 便于单片机进行综理。本系统采用DS18B20单总线数字传感器实现温度检测。DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线温度传感器, 它能够直接读出被测温度的数字量, 其测温范围为-55~+125℃, 在-10~+85℃时精度为±0.5℃。DS18B20采用单总线技术 (1-WIRES) , 即单片机只用一根输入输出接口线, 就可以实现单片机与传感器的数据传送, 为此DS18B20数据线与单片机P2.4相连。DS18B20读写数据仅需要一根口线, 温度变换功率来源于数据总线, 总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电, 而无需额外电源。为增强系统稳定性, 在此选用外加电源方式, 外加电源正负极分别接DS18B20引脚VDD及GND, 如图2所示。

三、系统软件设计

1. 无线通信软件设计

由于RF协议相关的高速信号处理部分已经嵌入在模块内部, PTR8000可与各种低成本单片机匹配使用, 也可以于DSP等高速处理器配合使用。PTR8000提供一个SPI接口, AT89LV52利用数据口模拟SPI通信, 在接收模式中, 地址匹配 (AM) 和数据准备就绪 (DR) 信号通知一个有效的地址和数据包已经各自接收完成, 微控制器即可通过S P I读取接收的数据。在发送模式中, PTR8000自动产生前导码和CRC校验码, DR信号通知AT89LV52数据传输已经完成。

(1) 配置编程。上电以后AT89LV52首先配置PTR8000模块。先将PWR_UP、TXEN、TRX_CE设为配置模式, AT89LV52通过SPI将配置数据移入PTR8000模块;在掉电和待机模式工作后, 配置内容仍然有效。

(2) 发射模式。当AT89LV52有数据需要发往规定节点时, 首先设置TRX_CE、TXEN来启动传输, 无线系统自动上电, 将数据加前导码和CRC校验码并打包发送, 如果AUTO_RETRAN被设置为高, PTR8000将连续地发送数据包, 直到TRX_CE被置为低。当TRX_CE被设置为低时, PTR8000结束数据传输并将自己设置成待机模式。

(3) 接收模式。设置TRX_CE为1, TXEN为0选择接收模式, PTR8000开始监测信息, 当PTR8000发现和接收频率相同的载波时, 载波检测 (CD) 被置高, 当PTR8000接收到有效的地址时, 地址匹配 (AM) 被置高。PTR8000接收到有效的数据校验正确时, PTR8000去掉前导码, 数据准备就绪 (DR) 被置高。AT89LV52通过SPI接口读出有效数据, 当所有的有效数据被读出后, PTR8000将AM和DR置低。

2. 温度测量软件设计

温度测量部分主要是利用程序控制DS18B20完成温度读取, DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性, AT89LV52控制DS18B20必须经过三个步骤:

(1) 每一次读写之前都要对DS18B20进行复位。

(2) 复位成功后发送一条ROM指令, 最后发送RAM指令, 这样才能对DS18B20进行预定的操作。

(3) 复位要求AT89LV52将数据线下拉500微秒, 然后释放, DS18B20收到信号后等待16~60微秒左右, 后发出60~240微秒的存在低脉冲, AT89LV52收到此信号表示复位成功。

设置分辨率为12位, DS1820测量得到的温度数据存储在的两个字节的RAM中, 二进制中的前面5位是符号位, 如果测得的温度大于0, 这5位为0, 只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度;如果温度小于0, 这5位为1, 数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

四、结束语

本系统通过对和Nordic公司生产的PTR8000无线通信模块的应用, 设计出了一套无线多点温度系统。该系统功耗低体积小, 传输距离远、实时性好, 可以用于粮库测温系统、冷库测温系统、中央空调测温系统等多点温度测量场所。

参考文献

[1]李霞秦建敏张志栋:数字温度传感器DS1820在冰情测报系统中的应用[J].太原理工大学学报, 2008, 39 (1) :33～35

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[3]刘滨涛金煜殷小祥韩学军:温度监测系统中无线通讯部分的设计与实现[J].高压电器, 2006, 42 (5) :358～360

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[7]谭量胡冀:基于nRF9E5的多点无线温度采集系统设计[J].杭州电子科技大学学报, 2006, 26 (8) :30～33

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[9]刘滨涛金煜殷小祥韩学军:温度监测系统中无线通讯部分的设计与实现[J].高压电器, 2006, 42 (5) :358～361

多点温度采集论文 第5篇

关键词：SENS-01通讯模块,VB显示界面

引言

近年来随着电力载波通信技术 (Power Line Carrier, PLC) 的发展, 电力载波通信已大量应用于工业生产及日常生活, 如基于电力载波的远程抄表系统、电源监控系统、路灯控制系统、家居网络、病人体温测量系统等。

电力载波通信是利用高压电力线、中压电力线或低压配电线作为信息传输媒介进行数据信息传输的一种通信方式。它通过已经存在的供电网络实现不同的信息传输需求。由于供电网络本身是一种方便、低成本、高可靠性的通信媒介, 使得电力载波通信变得方便、低成本、易实现。本文主要介绍一种将低压电力载波技术应用于室内温度的数据采集系统。该系统利用低压供电线路, 将数据采集节点所采集到的室内温度通过转换器传输给上位机, 从而完成对室内温度远程监测的功能。

系统总体结构

系统网络组成

多点温度采集系统主要由主机控制系统和分别设置在室内的节点测温装置组成。主机系统包括转换器 (实现电力载波数据与485数据的转换功能) 与上位机控制软件。通过主机控制系统发送与接收命令, 电力线传输数据, 节点测温装置执行命令, 以此组成整个信息交互网络。系统的总体结构如图1所示。

电力载波通讯即PLC, 是英文Power Line Communication的简称。电力载波是电力系统特有的通信方式, 电力载波通讯是指利用现有电力线, 通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。电力线载波通信的工作原理就是把自动化设施中的有效数据通过调制解调器调制后耦合到电力线上, 然后经过电力线传输到对端的数据解调器上, 再由对端数据解调器把信号解调出来传输给对端自动化设备。因此电力线不仅具有供电的功能还提供了一种信息通信的手段。

在传统有线传输技术中, 每当需要新的通讯对象时, 都要铺设新的通讯线路, 而且铺设新的线路会牵扯到很多方方面面的内容, 比如与原有线路是否有冲突, 材料的选择等, 且由于铺设所带来的成本更是一笔不菲的支出, 当以后需要修改线路的时候, 又带来大量的成本和时间的浪费。在本系统中, 只要有电力线就能实现信号传输, 当需要使用的时候, 就把载波模块安装在需测温的室内即可, 当发现需要更换测量不同房间温度的时候, 只要改变载波模块的安装位置即可, 十分的方便快捷。本系统不仅抗干扰性强, 传输距离远 (有效传输距离一千米) , 而且在成本上也远远小于无线传输技术。

载波模块硬件框架

该硬件主要利用高性能SENS-01电力载波通信模块 (P o w e r l i n e Tr a n s c e i v e r) 来进行信息间传输, S E N S-0 1嵌入式电力线载波模块提供半双工通信功能, 可以在220V/110V, 50/60Hz电力线上实现局域通信。该款产品具有通信速率高, 通讯可靠, 抗杂波干扰能力强, 通讯距离远等特点, 是专门为适应中国国内电力线应用环境而研发的高性能电力线载波通讯产品。本电力线通信模块内含各个外围复杂电路 (如图2所示) , 只需连接电力线即可。

过零检测电路

在此模块中, 主要是采用三极管驱动发光二极管, 同时在接收端加上拉电阻进行过零检测, 来判断信号相位, 与检波电路一起实现过零信号接收功能。该电路采用了光耦过零检测电路 (如图3所示) , 使后面电路不直接接触220V电, 最大程度保证后面电路与用户的安全性。

调制输出电路

当数据需要通过电力线传输出去时, 通过调制输出电路 (如图4所示) , 将信号耦合到电力线上。在本模块中, 采用互补推挽放大器来增强驱动能力, 提供大电流。Q3管接入Q2管和Q4管的基极, 以此作为推动信号, 由于两只三极管的极性不同, 基极上的输入信号电压对两管而言一个是正向偏置, 一个是反向偏置。当输入信号为正半周时, 两管基极同时电压升高, 此时输入信号电压给Q4管加上正向偏置电压, 所以该管进入导通和放大状态。由于基极电压升高, 对Q2管来讲加上反向偏置电压, 所以该管处于截止状态。输入信号变化到负半周后, 刚好处于相反状态。两只三极管输出的半周信号在放大器负载上合并后得到一个完整周期的输出信号。再经过一个电容滤掉直流成分和限幅稳压管稳定电压, 即可通过变压器接入电力线上。

检波输入电路

在本模块中, 主要采取290k检波电路 (如图5所示) , 来实现从电力线中不失真地检出调制信号 (如图6所示) 。当信号经过变压器降压后, 接入检波电路, 实现信号解调的作用, 再经过两个稳压二极管, 实现限幅的作用, 防止过电压通入载波模块的I/O口。在图6中可看到当接入信号源后, 在输出端口, 获得了290kHz的检波频率。

系统软件框架

软件系统框架设计

本系统由上位机软件系统, 转换器控制系统与节点控制系统构成。其中以上位机软件系统为核心。多个节点控制器通过电力线与上位机系统进行数据间交互传输。其中转换器控制系统与上位机的数据交互通过串口采用Modbus协议进行安全性传输, 在保证数据传输可靠性的同时方便用户根据自己的需求自行定制上位机软件。各个分机根据自己的站号来回应主机的查询信息。上位机主要工作是对各个分机控制器的状态信息进行综合分析, 处理和显示等工作。工作原理如图7所示。

上位机软件系统

此系统主要采用VB编写上位机软件, 内嵌Modbus传输协议, 自行编写人机交互软件, 在确保系统稳定的前提下, 精简代码, 设定算法, 防止数据的丢失与处理, 提高了系统的安全性。

在本系统中, 主要使用了01 (读线圈) , 03 (读保持寄存器) , 05 (写单个线圈) 功能码, 其中域名指的就是每一台机号, 每一次数据包将以20个字节发送, 数据不足20, 系统自动补0。

例如: (1) 读取分机05的继电器01状态 (1=ON, 0=OFF) , 假设为0FF即为关的状态。当需要读取分机上多个继电器状态时, 只需修改输出数量的大小即可。当分机收到数据后, 查询本机的继电器状态, 再将信息发还给主机, 完成这次主机的请求命令。其示例功能码如表1所示。

(2) 读取分机05的寄存器01-02 (即测量温度和湿度) , 假设分别为28.5°, 50.7H.分机控制器会将测得温度的整数部分放在寄存器高位;将其小数部分放在寄存器低位。对湿度也是同样的操作, 在整个系统中温度的单位是摄氏度, 湿度的单位是相对湿度。当主机接收到数据后, 即对其进行反操作, 即能获得测量值。其示例功能码如表2所示。

(3) 命令分机05打开继电器01 (以十六进制FF00代表ON, 十六进制0000代表OFF) 。分机相应命令的域名应为当前分机的分机号, 使该数据只能被转换机接收。其示例功能码如表3所示。

上位机软件内包含信号的发送和信号的接收处理。其功能主要是两路单独的电力载波查询, 以及一路定时自动查询节点的状态。当发送一次命令, 在200ms内没有收到回复命令, 则软件将自动重新再发送一次命令, 如果还是没有回复, 则在用户界面上提示该与节点通信出现故障。当通信正常, 主机可采集节点上所测得的温湿度, 并在上位机界面上显示。

用户界面如图8所示。

转换器和节点控制器软件设计

转换器的功能主要包括实现与上位机485通信, 将上位机的查询信息耦合到电力线上, 同时也将接收来自电力线上的数据, 采用Modbus协议的形式通过485传输到上位机上进行数据的综合处理。

节点控制器的功能为辅助测温装置检测室内温度, 并响应主机的查询控制命令, 执行相应的命令操作。

本软件设计采用的是一呼一答的通讯形式, 即每个节点皆有属于自己的机号, 每次主机同时呼叫所有电力线上的节点控制器, 但只有符合呼叫机号的分机才会响应该次呼叫。转换器和节点间通过电力线进行数据的交互。其转换器的软件流程图如图9所示。

结束语

在系统设计中, 考虑了现场遇到的各种实际情况, 并且对系统进行相应的设计和完善, 系统完成了温度数据采集的基本功能。同时, 利用电力线信号传输载体, 不必对现场重新布线和规划, 同时也克服了无线传输信号不稳定的弊端, 系统安装简单方便, 易于大范围推广。同时, 该系统迎合了关于节能减排的政策要求, 具有良好的市场前景和使用价值。克服传统低压电力线通信方式的缺点, 根据测试结果, 现场应用效果基本达到通信要求。同时现有系统上有较多的模块集成, 可充分利用现有的技术和资源, 增加新功能。本系统对于在低压电力线上进行数据通信是一种有益的探索和有较好效果的新技术应用。对于今后基于系统基本通信功能上的其他更多功能的扩展设计应用, 有一定的参考价值。

参考文献

[1]谭浩强.C语言设计[M].第2版.北京:清华大学出版社, 2000

[2]周亚联.电力线载波通信技术问答[M].北京:水利电力出版社, 1986

[3]陈维千.电力线载波通道[M].北京:水利电力出版社, 1983

[4]杨刚.电力线通信技术[M].北京:电子工业出版社, 2011

[5]齐淑清.电力线通信 (PLC) 技术与应用[M].北京:中国电力出版社, 2005

[6]李昌, 叶键锋, 涂用军.电力线载波通信的集群式防盗报警系统[J].单片机与嵌入式系统应用, 2008, (6) :55-57

多点温度采集论文 第6篇

远程多点温度测量在粮食仓储、食品加工、药品制造等领域有着广泛应用。在传统的温度测量系统设计中,往往采用热敏电阻或PN结为温度传感器,这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、信号调理电路的误差等问题,并且随着测温点数量的增加,信号传输线数量也随之增加,这样带来系统安装,维护,可靠性以及成本的一系列问题。1-Wire总线技术具有节省I/O资源、结构简单、成本低廉,便于总线扩展和方便维护等特点。这里,结合某一工程项目的实际特点,给出了采用1-Wire总线技术及带顺序检测和PIO的1-Wire数字温度计DS28EA00组建的多点远程温度测量解决方案。

2 主要技术简介[3]

1-Wire协议是美国Maxim/Dallas公司开发的一种单线总线协议。系统由一台主机和若干台从机通过一条线连接而成。主机由此完成对从机的寻址、控制、数据传输甚至供电(如需主机单独供电,还应加电源线、地线,一般可用一条三芯电线)。主机一般由微控制器(MCU)组成,从机由1-Wire器件构成,每个1-Wire器件内嵌唯一的地址码,以实现主机对不同从机的寻址。主机可通过各种方式联入计算机系统。

DS28EA00是Dallas公司生产的1-Wire数字温度传感器,它具有9位(0.5°C)至12位(1/16°C)分辨率,并且带有可由用户编程设置的非易失(NV)性温度上、下限报警触发点。每个DS28EA00都具有工厂预先刻度的唯一64位序列号。只需一根数据线和地线就可通过1-Wire协议完成串行传输数据。DS28EA00具有滞回和干扰滤波功能,使得DS28EA00能够在大的1-Wire网络中可靠工作。与其他1-Wire温度计不同[6],DS28EA00具有两个额外的引脚用以执行顺序检测功能。该特性允许用户将器件在链路中的物理位置与序列号对应。如果无需顺序检测功能,这些引脚可作为通用输入或输出。DS28EA00能够直接从数据线获取电源进行工作(“寄生供电”),因此无需外部电源。链路功能允许1-Wire主机检索以线性网络(“链”)方式连接的器件,找出其物理顺序。这对于那些沿长电缆等间距安装的器件是非常方便的,例如,可以用来测量储存塔或储存罐不同高度处的温度的系统。若不具备链路功能,主机需要用查找表将器件在链路中的物理位置与序列号对应起来。

DS28EA00的链路功能需要两个引脚,输入引脚PIOB使器件在检测过程中能对检测作出响应,而输出引脚PIOA用于通知链路中的下一个器件其相邻器件的检测已完成。DS28EA00的两个通用端口被复用以实现链路功能。PIOB被复用为使能输入,PIOA产生下一级允许信号并与下一个器件的PIOB输入相连。链路中第一个器件的PIOB输入需连接至GND,或者在顺序检测过程中必须对其施加逻辑“0”信号。

DS28EA00的引脚配置如图1所示,引脚功能如下:

IO:1-Wir e总线接口和寄生电源。开漏,需要外部上拉电阻。

GND:电源地。

NC:无连接,悬空。

PIOA:漏极开路PIOA通道和链路输出。PIOA必须与链路中下一个器件的PIOB相连,以实现顺序检测功能;而链路中的最后一个器件需悬空或接GND。

PIOB:漏极开路PIOB通道和链路输入。链路中第一个器件的PIOB必须接GND,实现顺序检测功能。

VDD:电源引脚。在寄生电源模式下工作时必须与GND相连。

3 系统设计方案

远程多点温度监测系统上位机采用PC机,下位机由ATS52单片机和测温网络构成。温度监测系统能够对测量点的温度进行连续24小时不间断的监控,超过设定温度的值立即进行声光报警,并且能在PC机上显示出现异常温度的测温点。

系统由前端DS28EA00的测温网络、无屏蔽四芯双绞线、1-Wire总线接口、ATS52单片机、上位PC机和软件部分组成。单片机的编程语言采用C语言。上位PC机的人机界面和单片机的通信用VB编程。系统的整体组成如图2所示。

4 硬件电路设计

上位PC机主要功能是通过RS232接口与单片机通信,控制单片机读取温度值,并且实时的记录读取的通道编号,DS28EA00编号、温度值、时间作为原始资料的积累,用于将来的数据分析。当单片机检测到异常的温度时,发送信号到PC机和报警电路,有声光报警,提醒工作人员。

4.1 1-Wire总线接口[1]

1-Wire总线通信协议通过AT89S52单片机的3个通用I/O引脚产生。建立可靠的1-Wire总线网络必须提供正确的时序和适当的输出电压摆率。单片机发送信号的时序不正确会导致与温度传感器DS28EA00器件之间的通信间断或完全失败。输出电压摆率若不加以控制将严重限制网络的长度。图3所示的1-Wire总线接口作用就是控制电压摆率,与软件配合,在总线网络的传输长度达到500米时,总线的时序仍然能满足规范要求。

1-Wir e总线有四种基本操作:复位、写1位、写0位和读操作,字节传输可以通过多次调用位操作来实现。当总线为空闲时为高电平,P0.1和P0.3引脚都置成输入状态。单片机向总线写1的过程是置P0.1为高电平,上拉驱动的BSS84场效应管导通,1-Wire总线被拉成高电平,然后根据总线操作要求延时。单片机向单总线写0的过程是置P0.3引脚为高电平,使下拉驱动的2N7002场效应管导通,1-Wire总线拉成低电平。任何时候两个场效应管只允许其中一个导通。当单片机读取挂接在1-Wire总线上的DS28EA00温度传感器的数据时,P0.l口和P0.3口都置成输入状态,释放总线。单片机读取数据的过程如下,DS28EA00向单总线写1时,将拉总线的电平向+5 V拉,单片机的P0.2引脚始终监视着总线的电平情况,当总线电平被传感器拉高超过1.4V时比较器LM324输出高电平,单片机P0.2引脚检测到高电平,则马上置P0.1引脚高电平,上拉驱动使BSS84场效应管导通,加快单总线被拉成高电平的速度,然后延时一段时间置P0.1为输入状态,再次读取P0.2引脚的电平,两次读取的结果一致,则读取的数据作为一个有效bit保存。DS28EA00向1-Wire总线写0时,将拉总线的电平向低电平拉,当总线电平低于1.4V时,比较器输出低电平,P0.2引脚检测到低电平时,置P 0.3引脚为高电平,使下拉驱动的2N7002场效应管导通,加快总线的下拉速度,然后延时一段时间,置P0.3为输入状态,再次读取P0.2引脚的电平,两次读取的结果一致,则作为一位有效位保存。

4.2 测温网络

测温网络的连接采用线性网络拓扑,因为每一路的结构都相同,只列出其中一路,如图4所示。总线采用无屏蔽4芯双绞线,其中一对线接地线和DS28EA00信号线,另一对接VCC和地线。总线起始于驱动输出端口延伸到最远的DS28EA00温度传感器。挂接在总线上的温度传感器不超过100个,总线最长距离不超过500米。DS28EA00采用三线制应用方式,由外部电源单独供电。需要测温的地方,直接把电缆布线到测温点即可。

5 软件设计[4,5]

上位PC机的编程采用Visual Basic(简称VB)编程。VB支持面向对象的程序设计,具有结构化的事件驱动编程模式,而且可以十分简便地做出良好的人机界面。上位PC机与单片机的标准串口通信使用VB提供的通信控件MSCOMM。该控件可设置串行通信的数据发送和接收,对串口状态及串口通信的信息格式和协议进行设置。极大的简化了PC机和单片机的通信编程。PC机上的软件整体结构如图5所示。

下位单片机使用C语言编程,开发工具选用KEILC51。因为1-Wire通信协议是通过AT89S52单片机的3个通用I/O引脚通过软件编程实现的,编程中3个通用I/O引脚的时序配合非常的关键。在调试的过程中使用示波器对3个通用I/O引脚和接在测温电缆500米处DS28EA00数据引脚的四路信号同步采集,根据测试的波形逐步的微调延时时间,使总线的时序满足协议要求。单片机和PC机、传感器之间收发数据的子程序框图如图6和图7所示。

6 应用分析

本文的远程多点温度采集系统,是针对有8个直径15米,总高18米,单仓容量1500吨的新型粮仓的,属中小型吸纳库。系统的温度传感器DS28EA00均匀地布置在测温电缆上,DS28EA00之间的距离为1.5米,电缆外用PVC材料套封,以防止磷化氢气体同电缆内部导线发生反应,同时加之包以能够受40KN拉力的钢缆,以承受粮食的荷重,确保线路无损。由于粮食的导热性较差,根据该粮库粮仓的具体情况,并结合要求,为有效的检测粮堆中各点的温度变化,将每仓的测温电缆作了如下布置:测温电缆垂直方向,分别均布10根测温电缆,测温电缆中最下层的温度传感器距仓底30~50厘米,最上层的距粮面3厘米,共60个点,总体代表了粮仓内各层面的粮温。系统测试结果完全能够满足要求。

7 结束语

在传统的温度测量系统中,往往采用模拟的温度传感器进行设计,必须经过A/D转换后才可以被微处理器识别和处理。这样的设计方法不仅对前端模拟信号处理电路提出了更高的要求,而且不具有数字通信和网络功能。本方案采用1-Wire总线技术建构的远程数据传输系统,较好地解决了多点温度采集问题。系统具有安装方便、数字化程度高、适应性强等特点,在多种温度检测中具有广阔的应用前景。

摘要：介绍了采用1-Wire总线技术实现远程多点温度采集系统的解决方案,讨论了基于1-wire技术的DS28EA00数字温度传感器在远程多点温度采集实现过程中的使用方法。

关键词：1-Wire,DS28EA00,单片机,温度测量

参考文献

[1]郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社,2009.

[2]1-Wire File Structure.http://china.maxim-ic.com/appnotes10.cfm/[EB/OL].2008.

[3]MAX13082E技术资料.http://china.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/[EB/OL].2008.

[4]谭浩强.Visual Basic程序设计[M].北京:清华大学出版社,2007.

[5]赵亮.单片机C语言编程与实例[M].北京:人民邮电出版社,2007.

多点温度采集论文 第7篇

关键词：串行数据通信协议,单线总线协议,数字温度传感器,收发器

0 引言

远程多点温度测量在粮食仓储、食品加工、药品制造等领域有着广泛应用。RS-485是工业界使用最为广泛的双向、平衡传输线标准接口,它以半双工方式通信,支持多点连接,具有传输距离远,传输速率快等优点,便于组建成本低廉、可靠性高且分布范围较大的局域总线网络;1-Wire总线技术具有节省I/O资源、结构简单、成本低廉,便于总线扩展和方便维护等特点。这里,结合某一工程项目的实际特点,给出了采用RS-485、1-Wire总线技术实现远程多点温度采集系统解决方案。

1 主要技术简介

1.1 RS-485与MAX13082E

RS-485是一个标准的串行数据通信协议,由美国电气工业联合会(EIA)制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准。RS-485具有以下特点:

1)它采用差分信号进行传输,接收器最小灵敏度可达±200 mV。采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干能力增强,即抗噪声干扰性好。

2)最大传输距离可以达到1.2 km(实际上可达3km)。RS-485协议正是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。

3)最大可连接128个驱动器和收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立设备网络。

4)RS-485的电气特性:逻辑“1”以两线间的电压差为+(2~6)V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V表示。与TTL电平兼容,可方便与TTL电路连接。

MAX13082E是+5.0V供电、具有±15kV ESD保护的RS-485/RS-422收发器,具有一路驱动器和一路接收器,并具有失效保护电路,当接收器输入开路或短路时接收器确保输出逻辑高电平。MAX13082E具有热插拔能力,在上电或热插入时可以消除总线上的错误跳变。MAX13082E可支持256个节点(收发器)。

1.2 1-Wire与DS18B20

1-Wire协议是美国Maxim/Dallas公司开发的一种单线总线协议。系统由一台主机和若干台从机通过一条线连接而成。主机由此完成对从机的寻址、控制、数据传输甚至供电(如需主机单独供电,还应加电源线、地线,一般可用一条三芯电线)。主机一般由微控制器(MCU)组成,从机由1-Wire器件构成,每个1-Wire器件内嵌唯一的地址码,以实现主机对不同从机的寻址。主机可通过各种方式联入计算机系统。

DS18B20是Dallas公司生产的1-Wire数字温度传感器,它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器等优点,特别适用于构成多点温度测控系统,可直接将温度转化成串行数字信号(提供9位二进制数字)给MCU处理,且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。它具有3引脚TO-92小体积封装形式,温度测量范围为-55~+125℃,可编程为9~12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出,其工作电源即可在远端引入,也可采用寄生电源方式产生,多个DS18B20可以并联到三根或两根线上,MCU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。

2 系统结构

系统由一台主控计算机、门径和多个分布位置不同的下位机(AT89S52)组成,如图1所示。

下位机通过数字温度传感器DS18B20完成各个测温点的温度参数采集,下位机和每个DS18B20通过1-Wire总线连接,每台下位机所连接的DS18B20数量可根据实际需要进行选择。

门径(AT89S52)是主控计算机和下位机之间进行信息交换的桥梁,门径和分布在不同位置的下位机通过RS-485总线构成主-从式结构。门径通过RS-485总线获取下位机采集到的温度信息,然后将温度信息通过RS-232传送到主控计算机。

主控计算机将门径传送来的温度信息进行处理(存储、统计、报表及显示)。

3 硬件设计

3.1 温度采集单元

温度采集单元包括下位机AT89S52、RS-485接口电路、1-Wire数字温度传感器接口电路。

3.1.1 RS-485接口电路

系统中,门径和下位机之间的通信接口芯片选择的是M a x i m公司的M A X 1 3 0 8 2 E,由于MAX13082E可支持256个节点(收发器),且MAX13082E具有热插拔、±15kV ESD保护及失效保护特性,使得系统在通信接口电路设计上变得简洁,且便于扩展。当RS-485总线的传输距离超过一定的长度时,总线的抗干扰能力就会出现下降,在这种情况下,就要在总线的首尾两端接120欧姆的终端匹配电阻,以保证总线的稳定性。门径和下位机之间的通信接口电路原理图如图2所示。

3.1.2 1-Wire数字温度传感器接口电路

在传统的温度测量系统设计中,往往采用模拟技术进行设计,这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题,而其中某一环节处理不当,就可能造成整个系统性能的下降。本方案中,温度测量元件选择的是1-Wire数字温度传感器DSl8B20,采用外部供电方式。每台下位机通过口线P1.0和3个DSl8B20的数据输入/输出引脚DQ连接,接口电路如图3所示。

3.2 门径

门径作为主控计算机和下位机之间进行信息交换的桥梁,它主控计算机之间的通信接口芯片选择的是Maxim公司的MAX232,接口电路如图4所示。

4 软件设计

系统软件设计主要包括主控计算机组态、下位机的温度采集以及和门径之间的通信、门径和主控计算机、下位机的通信。

主控计算机的存储、统计、报警、报表及显示等功能由组态软件ForceControl 6.0实现。

组态软件是用来完成数据采集与过程控制的专用软件,它以计算机为基本工具,为实施数据采集、过程监控、生产控制提供了基础平台和开发环境。组态软件功能强大、使用方便,其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能,并可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口,使用组态软件可以方便、快速地进行系统集成、构造不同需求数据采集与监控系统。主控计算机的组态工作主要有创建工程界面、数据库、定义I/O设备及I/O数据连接、动画连接、编写动作脚本、建立报表等组态工作。

下位机以及门径和主控计算机下位机的通信程序采用C语言编写。其中下位机的主程序实现温度传感器网络的自动搜索、编号排序、获取温度信息;中断服务程序实现和门径的通信功能。下位机的温度采集与处理流程如图5所示。

5 结束语

在传统的温度测量系统中,往往采用模拟的温度传感器进行设计,必须经过A/D转换后才可以被微处理器识别和处理。这样的设计方法不仅对前端模拟信号处理电路提出了更高的要求,而且不具有数字通信和网络功能。本方案采用RS-485总线技术建构的远程数据传输系统,解决了主控计算机与下位机之间的分布式数据传输问题;而1-Wire总线技术及选择数字温度传感器DSl8B20则简化了系统结构,较好地解决了多点温度采集问题。方案具有安装方便、数字化程度高、适应性强等特点,在多种温度检测中具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社,2009.

[2]1-Wire File Structure.http://china.maxim-ic.com/appnotes10.cfm/.

基于多点采集的金属探测器 第8篇

1.系统探测原理

LDC1000可实现非接触式电感检测, 利用电磁感应的原理, 在LDC1000的线圈或自制线圈 (Sensor) 中加上交变电流时, 线圈周围会有交变的电磁场产生, 当有金属物质接近此电磁场则被测金属表面会产生感应反向电流, 且此反向感应电流的大小与金属物质的距离、成分和大小有关[3], 其原理如图1所示:

其中:

Ls-初级线圈电感值

Rs - 初级线圈寄生电阻 感应电流 被测金属 距离电磁感应 传感器 LDC1000

L (d) -互感值

R (d) -互感寄生电阻

d-传感器与被测金属距离

将一个电容C并联到图1所示的电感上, 可见由于LC并联谐振的作用能量损耗大大减小, 且能量损耗主要在Rs和R (d) 上, 由大学物理[4]所学知识可知, 等效并联电阻的值为:

当外部没有金属时, 即没有与d相关变量, 其公式为:

根据以上公式并选定被测金属, 当被测金属距离传感器最近时, 算出等效电阻Rp_Min值;并根据公式 (2) 算出距离较远时等效电阻Rp_Max值, 则在小车带动传感器检测金属的过程中, 越接近电阻值Rp_Min说明距离被测金属越近。

2.电路设计

硬件电路设计分为三个部分:避障部分、金属探测和控制部分。

避障部分利用两个超声波模块不断的发送和接受超声波, 并将采集后的数据传输到单片机, 然后通过LCD12864显示出来, 在遇到障碍物时[5], 单片机控制电机采取不同的行动方式实现对障碍物的躲避。 金属检测部分, 将六个自制线圈和一个金属传感器并排放到车头部分 (金属传感器分布长度大于车体) , 通过三极管开关结合轮询算法采集电阻值, 并将检测到的数据送到控制部分, 控制部分将该值与自身存储的阈值进行比较, 若金属传感器采集的数据值接近Rp_Min, 则控制部分通过调控直流电机, 使其停止。 第三部分控制部分, 将避障定位部分和金属检测部分传输回来的数据进行分析处理, 实现遇到障碍物时, 控制电机, 使其做相应调整;以及在金属检测仪检测到金属时, 使小车停下, 并通过LCD12864显示坐标。

2.1金属探测器设计

为了让金属检测小车能够无死角、 快速实现金属检测功能, 本设计采用七个线圈并排放置在小车车头的方式, 小车每行进一次, 可同时对小车前的一片区域实现多通道的扫描检测, 这种方法避开了利用单个传感器实现单通道金属检测时存在大片检测死角的技术问题。 为了实现多点检测, 在单片机和线圈之间加了三极管通断开关用于控制某路线圈的开闭检测, 系统设计的结构如图2所示:

小车上加载舵机, 七个传感器并排架在舵机臂上, 小车前进一段设定距离即控制舵机摆动, 扫描检测一个扇形区域 (a~b~c) 。 检测过程中, 分别打开某一个金属探测线圈, 并将检测到的信息通过SPI协议传回给单片机[6], 单片机将采集到的数据与设定数据进行对比分析, 如果测得数据与设定数据数值相差很大, 即不是要检测的金属时则控制另外一个开关打开下一个线圈, 循环上述过程, 当七路检测完成后另单片机输出PWM波控制舵机转动, 进行下一个位置面的探测。如此摆动前行, 往复动作, 直到探测到金属物体, 控制对应线圈出的发光二极管点亮, 并控制小车停止。

2.2轮询检测算法

轮询检测算法是整个控制系统金属检测的核心, 好的检测算法不仅能保证金属探测的精度, 还能提高金属探测的速度。 本文采用的算法是七个线圈轮流闭合, 轮流检测, 先找到被测金属物体的大概位置, 之后实现精确定位。 金属探测器每隔20ms打开一个线圈, 并将此线圈检测到的信息传回给单片机, 控制舵机摆臂角度为45°, 行进过程中记录舵机打脚值及检测到的阻抗电阻值[7], 直到读取的数据出现了较大幅度的波动, 此时可推断此线圈附近出现了被测金属物质。 令金属检测小车接着扫描, 直到检测到的数据幅值开始下降。 再查找记录的数据, 从中找到数据幅值最大点时小车及舵机打角位置。之后进入精确定位阶段, 控制小车以缓慢速度移动前行, 并固定舵机向最大幅值数据线圈方向转动角度为1, 边行进边利用此线圈读取阻抗数据, 直到被测阻抗数据出现幅值下降。 经过一系列的探测找到精确的阻抗值, 修改程序, 实现精确定位, 控制舵机和小车移动并在移动过程中读取阻抗参数, 当读到精确的阻抗参数时控制小车停止前进并控制对应线圈处的发光二极管点亮。 程序流程如上图3所示:

2.3探测结果

利用轮询算法和舵机结合的金属探测方法大大提高了检测效率, 下表给出了2m2范围内6组探测结果, 从检测结果能看出小车完成检测任务的效率是很高的, 在有限的范围内能将探测误差控制在3mm以内。

本文利用LCD1000金属传感器和自制线圈设计了金属探测小车, 利用轮询算法和舵机实现扇形多通道金属探测, 不仅能准确、高效的探测金属被测物, 还能实现壁障、定位等功能, 并根据探测到的金属物位置进行停车和LED光指示功能。 本设计的一个最大亮点是利用并排分布的线圈进行多通道检测, 避免由于车体过大导致的车回转过程中产生的大面积检测死角的问题, 是一款设计比较完美的金属探测器。

摘要：传统的金属探测器采用的是电机驱动螺旋杆的方法实现的, 此类探测器的探测速度慢且探测范围十分有限。本文利用配备舵机的小车作为灵活快速的移动行进设备, 并利用LCD1000金属传感器和自制金属线圈和轮询算法实现探测区多点金属的同时探测功能, 增大了搜索范围和探测效率;利用超声波装置可实现壁障、精确定位等功能, 最终实现金属探测的自动地毯式排查。实验结果表明, 此探测器最小可探测出大小为2cm2的金属物, 且定位误差不超过3mm, 具有良好的探测精度和准确率。

关键词：LDC1000电感监测片,轮询算法,舵机,自制金属线圈

参考文献

[1]杨勇, 曲晓东, 刘志珍, 等.一种改进的高灵敏度金属检测系统[J].微型机应用, 2014, 33 (17) :23-25.

[2]杨维祎, 郭颖, 王雪峰, 等.基于TI杯电子设计竞赛的金属探测系统设计[J].研究与开发, 2015, 34 (2) :54-56.

[3]Hpati.AY-LDC1000Datasheet[EB/OL].[2014-12].HTTP://WWW.HPATI.COM.

[4]上海交通大学物理教研室.大学物理教程[M].上海:上海交通大学出版社, 2009:233-250.

[5]柳文强, 谢景卫.基于电感数字转换器的金属探测小车设计[J].微型机与应用2015, 34 (20) :90-92.

[6]胡春华, 水存洋.制定区域内智能硬币识别小车的设计[J].山西电子技术, 2015, (2) :32-35.