陳 哲

遼寧廣播電視大學(xué) （沈陽(yáng) 110034）

目前，我國(guó)北方絕大部分地區(qū)在冬季均采用鍋爐供暖來(lái)解決用戶用熱問(wèn)題，因此，需要對(duì)用戶的回水溫度進(jìn)行測(cè)量并上傳至上位機(jī)，并以此為依據(jù)對(duì)鍋爐的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。盡管目前市場(chǎng)上的溫度測(cè)量系統(tǒng)眾多，且其生產(chǎn)水平無(wú)論在工藝還是在測(cè)量精度上都在不斷地提高，但高精度、寬量程以及多通道的溫度檢測(cè)儀，價(jià)格都十分昂貴，因此，本文設(shè)計(jì)了一種智能鍋爐回水溫度測(cè)量應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、測(cè)量精度高、量程寬等特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用性和較高的社會(huì)推廣價(jià)值。

1 智能鍋爐回水溫度采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能鍋爐回水溫度采集系統(tǒng)采用SyncMOS8952單片機(jī)作為主要控制單元，其軟硬件均采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊功能獨(dú)立設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的軟硬件維護(hù)和調(diào)試非常便利，且具有良好的兼容性和持續(xù)開(kāi)發(fā)性，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能鍋爐回水溫度采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)首先采用Pt100傳感器與輔助測(cè)量電路對(duì)-40-100℃范圍內(nèi)的鍋爐回水溫度信號(hào)進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換成0-5V電壓信號(hào)，再經(jīng)12位A/D轉(zhuǎn)換器MCP4204將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成0-4095的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)查分段線性插值表將其轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度值，系統(tǒng)可以采集8路溫度信號(hào)，測(cè)得溫度值精度可達(dá)0.1℃。另外，上位機(jī)通信模塊可將所采集溫度通過(guò)RS485總線上傳給上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和處理。與此同時(shí)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，所連接的LED顯示屏模塊可以同時(shí)顯示實(shí)時(shí)時(shí)鐘和8路溫度值。

2 Pt100傳感器檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)采用Pt100鉑電阻作為溫度傳感器，鉑電阻溫度傳感器在鍋爐回水這一具有氧化性且高溫環(huán)境下的物理和化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定，因此，Pt100非常適合對(duì)鍋爐回水溫度進(jìn)行測(cè)量。本系統(tǒng)所采用的Pt100溫度傳感器的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的重復(fù)性可達(dá)10-4K，明顯優(yōu)于其它溫度傳感器，這極大地提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。在本系統(tǒng)中，對(duì)傳感器的信號(hào)采集方式使用的是電橋方式，但由于在鍋爐回水溫度測(cè)量過(guò)程中，傳感器安裝位置一般距測(cè)量模塊較遠(yuǎn)，當(dāng)環(huán)境的溫度變化時(shí)，由于傳感器連接導(dǎo)線的電阻會(huì)隨之變化，因此，為了減小對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，系統(tǒng)采用三線制接線方法，如圖2所示。

圖2 測(cè)量電橋電路

圖3 MCP3204外圍電路

3A/D轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換模塊采用Microchip生產(chǎn)的MCP3204芯片，該芯片為帶有采樣保持電路的逐次逼近型（SRA）12位精度A/D轉(zhuǎn)換器，并可以編程配置為2路偽差分輸入偏置或4路單端輸入，其差分非線性度（DNL）和整體非線性度（INL）為±1LSB，芯片的最大轉(zhuǎn)換速率為200ksps，且芯片采用寬電壓（2.7-5.5V）、低靜態(tài)電流（500mA）設(shè)計(jì)，工作電流僅為320uA。由于系統(tǒng)所要測(cè)量的溫度為0-100℃，精度要求為0.1℃，所以MCP3204的12位精度足以滿足系統(tǒng)的要求，該芯片的外圍電路如圖3所示。

4 通信模塊電路

本系統(tǒng)與上位機(jī)的通信采用RS-485方式，接口設(shè)計(jì)采用MAX487芯片，在實(shí)際工作過(guò)程中，由于MAX487的接收靈敏度為±200mV，即當(dāng)接收端的差分電壓大于＋200mV時(shí)，接收器輸出為高電平，若該電壓小于－200mV時(shí)接收器輸出為低電平，介于±200mV之間時(shí)接收器輸出為不確定狀態(tài)，因此，當(dāng)該芯片的某個(gè)節(jié)點(diǎn)接收器在總線空閑、傳輸線開(kāi)路或短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生低電平，這將使串行接收器無(wú)法識(shí)別起始位，從而引起通信異常，為了解決此問(wèn)題，系統(tǒng)在硬件上采用將MAX487芯片的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻，保證在發(fā)出有效數(shù)據(jù)時(shí)所有接收器都能接收到完整數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用半雙工通信方式，各節(jié)點(diǎn)間的通信通過(guò)雙絞線傳輸，因雙絞線的特性阻抗為120?，因此，系統(tǒng)在MAX487的始端和末端各接一個(gè)120Ω電阻以減少線路上傳輸信號(hào)的反射。由于系統(tǒng)無(wú)法保證各模塊上電或復(fù)位在同一時(shí)刻完成，如某個(gè)時(shí)刻MAX487處于發(fā)送狀態(tài)，這將占用通信總線而使其它模塊無(wú)法與主機(jī)進(jìn)行通信，本系統(tǒng)在SyncMOS8952的P3.5端口與MAX487的DE端之間加接光耦TIL817，保證了系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)MAX487的DE端為低電平，有效解決了該問(wèn)題。

5 溫度顯示模塊

本系統(tǒng)采用多個(gè)數(shù)碼管完成溫度顯示功能，并使用74HC595通過(guò)串入并出級(jí)聯(lián)對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，74HC595數(shù)據(jù)線通過(guò)SDAT輸入時(shí)鐘，SCLK信號(hào)使74HC95時(shí)鐘同步，最后再使用HOLD信號(hào)實(shí)現(xiàn)74HC595同步鎖存輸出。

6 溫度采集程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的溫度采集程序由四部分組成，即溫度采集、時(shí)鐘、顯示和上位機(jī)通信程序。

在溫度采集程序中，系統(tǒng)首先將Pt100采集的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換、濾波、查表和插值等步驟轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度值。MCP3204通過(guò)CD4051選擇相應(yīng)的采集通道，讀出A/D值，并對(duì)A/D值進(jìn)行濾波，最后取得A/D值，并通過(guò)處理得出測(cè)量溫度結(jié)果。系統(tǒng)通過(guò)CD4051進(jìn)行通道切換，直至8路通道都采集完畢，在采集過(guò)程中的延時(shí)程序?qū)⑹笴D4051有足夠時(shí)間進(jìn)行通道切換。

時(shí)鐘程序主要包括讀時(shí)鐘程序和校準(zhǔn)時(shí)鐘程序，當(dāng)串口接收到上位機(jī)發(fā)送的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)后，立即將校準(zhǔn)標(biāo)志位置1，然后執(zhí)行校準(zhǔn)程序，讀時(shí)鐘部分采用單字節(jié)讀取模式，每次讀出一個(gè)字節(jié)，讀出的時(shí)間值以BCD碼表示，再將BCD碼轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，并執(zhí)行顯示碼轉(zhuǎn)換程序。

顯示程序主要是將溫度值和時(shí)間值在LED顯示屏上顯示出來(lái)。單片機(jī)采用I/O口分別連接數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和顯示允許信號(hào)，并通過(guò)74HC595芯片將顯示碼送至LED顯示屏完成顯示功能。

上位機(jī)通信程序的主要功能是將所測(cè)得的各路溫度值發(fā)送至上位機(jī)，系統(tǒng)采用RS-485通信方式，首先對(duì)溫度值進(jìn)行編碼，每一幀數(shù)據(jù)都包括起始位字節(jié)、通道號(hào)字節(jié)、十位字節(jié)、個(gè)位字節(jié)、小數(shù)位字節(jié)、校驗(yàn)字節(jié)及停止字節(jié)。系統(tǒng)中的校驗(yàn)字節(jié)采用和校驗(yàn)方式，每測(cè)量出一路溫度值就將其發(fā)送給上位機(jī)。

7 結(jié)語(yǔ)

理論與實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)對(duì)鍋爐回水溫度的采集具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、測(cè)量精度高和量程寬等特點(diǎn)。通過(guò)模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使系統(tǒng)的軟硬件維護(hù)和調(diào)試非常便利，為智能鍋爐回水溫度測(cè)量提供了一種比較理想的方法與解決方案。

[1]王祁.智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2]魏學(xué)業(yè).傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2012.