李建文，鄭　義，王　躍，李峻翔，趙　玲

(1．天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，天津　300191；2．中國人民解放軍軍事交通學(xué)院汽車工程系，天津　300161)

0　引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，溫度檢測(cè)具有非常重要的意義，通過溫度可以判定設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并針對(duì)具體的狀況及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施，避免不必要的損失，但是傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方式具有不可避免的缺點(diǎn)：例如監(jiān)測(cè)點(diǎn)不易到達(dá)、溫度極高不便于靠近等。因此提出了一種溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，能夠有效解決傳統(tǒng)溫度測(cè)量所存在的問題，并且系統(tǒng)具有成本低，質(zhì)量輕，工作穩(wěn)定可靠，便于攜帶和安裝等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)中將該系統(tǒng)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架溫度測(cè)試，證明該系統(tǒng)能夠很好地對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效地解決了臺(tái)架間的環(huán)境溫度惡劣，不適于人為進(jìn)行檢測(cè)的弊端，保障了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行。

1　系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)由2部分組成：下位機(jī)模塊和上位機(jī)模塊。下位機(jī)模塊由前端檢測(cè)模塊和數(shù)據(jù)接收指示模塊組成，上位機(jī)模塊負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的圖形化顯示和溫度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)。

下位機(jī)模塊采用MSP430AFE253單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心模塊，MSP430AFE253單片機(jī)具有24位高精度的A/D采集模塊，可用于采集電壓信號(hào)(和溫度對(duì)應(yīng))，并通過UART和無線模塊通信，完成數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收。Pt200放置于溫度場(chǎng)中檢測(cè)溫度變化，前端檢測(cè)模塊每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，接收模塊完成對(duì)數(shù)據(jù)的接收顯示，并判斷是否超限，如果超限則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。上位機(jī)模塊接收之后對(duì)數(shù)值進(jìn)行圖形化的顯示，同時(shí)將數(shù)值存入數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1　下位機(jī)設(shè)計(jì)原理圖

2　系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

2．1主控模塊的設(shè)計(jì)

由于測(cè)溫點(diǎn)位于溫度場(chǎng)，因此一般無法提供常用的電源，只能由電池提供電源，所以要實(shí)現(xiàn)長期工作，對(duì)于單片機(jī)的選型應(yīng)以低功耗為主。此處選用MSP430系列單片機(jī)，它具有業(yè)界最低功耗，共有6個(gè)工作模式：活動(dòng)模式AM，5種低功耗模式，其中，低功耗模式LMP0～LMP4的功耗依次降低。

另外，MSP430系列單片機(jī)為16位單片機(jī)，具有強(qiáng)大的處理能力，且系統(tǒng)工作穩(wěn)定，應(yīng)用比較成熟，具有方便高效的IAR開發(fā)環(huán)境，選用MSP430系列單片機(jī)的MSP430AFE253作為系統(tǒng)的MCU，MSP430AFE253帶有24位高精度A/D采集，并帶有UART和SPI標(biāo)準(zhǔn)傳輸接口，為數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃蕴峁┝丝煽康挠布Y源。

2．2溫度采集模塊

溫度傳感器是系統(tǒng)的前端檢測(cè)模塊，選用Pt200溫度傳感器，它可以測(cè)量-200～1 150 ℃的溫度。另外，它采用了高溫陶瓷工藝融合一體的設(shè)計(jì)。具有良好的溫度線性曲線：

R(T)=R1+R0[1+AT+BT+C(T-100 ℃)T3](-200～0 ℃)

(1)

R(T)=R1+R0[1+AT+BT2](0～1 150 ℃)

(2)

式中：R1為導(dǎo)線以及其他不可以忽視的電阻總和，約1．1 Ω；A、B、C為溫度系數(shù)為常數(shù)。

溫度采集時(shí)，需要根據(jù)所檢測(cè)溫度的大致范圍和電壓VCC確定電阻R0的值，以使輸出電壓U0滿足A/D采集的量程范圍，保證溫度采集的準(zhǔn)確性，溫度采集電路的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　溫度采樣電路設(shè)計(jì)

2．3無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

無線模塊分為2個(gè)部分：發(fā)射模塊和接收模塊，由于發(fā)射模塊和Pt200一起位于溫度場(chǎng)偵測(cè)點(diǎn)，同樣由電池提供電源，對(duì)于無線模塊的選擇也應(yīng)以低功耗、高精度為主。在此無線傳輸模塊采用SRWF-1021-50無線模塊，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)微功率發(fā)射，并且具有高抗干擾能力和低誤碼率。

3　硬件設(shè)計(jì)原理圖

3．1數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由單片機(jī)、Pt200溫度傳感器和SWRF-1021無線模塊組成。MCU采用SD24的A0．0通道采集PT200的電壓值U(t)，通過UART端口和SWRF-1021無線模塊進(jìn)行通訊，即分別將P1．3、P1．4端口復(fù)用為RXD、TXD，另外需特別注意無線模塊需要和MCU共地才能通信。

圖3　數(shù)據(jù)采集模塊原理圖

3．2數(shù)據(jù)接收顯示模塊

數(shù)據(jù)接收模塊如圖4所示，由單片機(jī)、SWRF-1021無線模塊和LED顯示模塊組成。LED顯示定義為：P2．0為正負(fù)號(hào)，P1．7為百位，P1．6為十位，P1．5為個(gè)位。由于溫度變化頻率很低，因此溫度采集周期不需要太長，這樣就有足夠的時(shí)間采用LED閃爍指示溫度，同時(shí)在數(shù)據(jù)顯示過程中，需要關(guān)閉接收中斷，并且閃爍完成后等待2～3 s，保證指示數(shù)值的真實(shí)性和可靠性。

圖4　數(shù)據(jù)接收顯示模塊原理圖

4　軟件設(shè)計(jì)原理圖

4．1數(shù)據(jù)采集發(fā)送流程圖

數(shù)據(jù)采集發(fā)送流程如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)采集發(fā)送流程圖

由于溫度采集模塊由電池提供電源，因此需要長期持續(xù)的工作就需要考慮低功耗的問題，在軟件設(shè)計(jì)中，MSP430F253完成數(shù)據(jù)的中斷采集和發(fā)送以后立刻進(jìn)入低功耗模式，等待下一次的中斷到來。另外，為了避免發(fā)送數(shù)據(jù)的混淆，在發(fā)送之前先發(fā)送一個(gè)開始字符，發(fā)送完成再發(fā)送一個(gè)結(jié)束字符，之后發(fā)送一個(gè)整體的數(shù)據(jù)長度值，由于SD24采集為24位精度采集，所以發(fā)送數(shù)據(jù)的長度值為5。

4．2數(shù)據(jù)接收指示流程圖

圖6為數(shù)據(jù)接收顯示流程圖。接收模塊依照接收數(shù)據(jù)的長度、幀頭和幀尾來判定接收數(shù)據(jù)的正確性，SD24接收到的值為SD24的采集值，需要根據(jù)式(2)(當(dāng)溫度為零下時(shí)選用式(1))換算成對(duì)應(yīng)的溫度值。之后判定溫度值是否超限，并進(jìn)行相應(yīng)的顯示。

圖6　數(shù)據(jù)接收顯示流程圖

5　上位機(jī)軟件功能設(shè)計(jì)

上位機(jī)與接收模塊間通過串口通信，數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫Sql Server 2008進(jìn)行存儲(chǔ)。上位機(jī)軟件采用Visual Studio 2010編程，完成對(duì)接收數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和處理功能。其界面如圖7所示。

首先，要對(duì)串口波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位進(jìn)行設(shè)置，打開串口后，可以從接收模塊中接收數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件將接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，并顯示在右側(cè)的曲線圖上。用戶還可以設(shè)置報(bào)警溫度，當(dāng)前溫度超過報(bào)警溫度時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警聲，報(bào)警燈變紅。

6　結(jié)束語

介紹了基于無線傳輸技術(shù)的遠(yuǎn)程溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)硬件模塊和軟件構(gòu)架進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。試驗(yàn)證明：采用無線傳輸方式，有效地解決了遠(yuǎn)距離測(cè)量、高溫環(huán)境測(cè)量和無法長期測(cè)量等問題。該系統(tǒng)具有成本低，體積小，質(zhì)量輕，便于攜帶和安裝等優(yōu)點(diǎn)，如果采用組網(wǎng)的方式搭建網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，更有監(jiān)測(cè)區(qū)域溫度場(chǎng)溫度分布的功能，在安全生產(chǎn)，工業(yè)制造等方面都有極大的作用。

圖7　遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件

參考文獻(xiàn)：

[1]李閃，黃小莉，胡兵．基于Nrf24L01的無線智能溫度檢測(cè)系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器，2011(12)：52-54．

[2]陳明，邱超凡．基于DS18B20數(shù)字溫度傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．傳感器技術(shù)，2008(4)：188-189

[3]王勇，葉敦范．基于AT89S51的便攜式實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)儀．儀表技術(shù)與傳感器，2006(4)：15-17．

[4]盧超．基于PC機(jī)與單片機(jī)分布式溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)．儀表技術(shù)與傳感器，2007(6)：35-37．

[5]李亞彬．基于無線控制與無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)：[學(xué)位論文]．南京：南京理工大學(xué)，2007．

[6]肖志勇，楊小玲，李光泉．基于nRF905芯片的無線傳輸設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2005(9)：121-123．