羅　彪， 李　彬， 張岱峰， 梅　亮

(1.北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100192;2.航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854)

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設(shè)計(jì)與制造

基于Android系統(tǒng)的無(wú)線多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅彪1， 李彬1， 張岱峰1， 梅亮2

(1.北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100192;2.航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854)

摘要:多點(diǎn)式測(cè)溫系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分組成。下位機(jī)以ATmega16單片機(jī)為核心，Pt100為模擬溫度傳感器進(jìn)行溫度的采樣測(cè)量，通過(guò)WiFi模塊的AP模式跟上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)采集。上位機(jī)以Android系統(tǒng)為平臺(tái)，建立Socket實(shí)現(xiàn)安卓客戶端對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示以及報(bào)警功能。該系統(tǒng)可應(yīng)用于在工業(yè)與民用的不同溫度要求下的多點(diǎn)檢測(cè)場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞:ATmega16單片機(jī)； Pt100； WiFi模塊； Android系統(tǒng)

0引言

溫度不僅僅是人們?nèi)粘Ｉ钪斜仨毩私獾臋z測(cè)參數(shù)之一，在各種工業(yè)生產(chǎn)、貨物存儲(chǔ)以及交通運(yùn)輸過(guò)程中，它也是一個(gè)重要的檢測(cè)量。隨著現(xiàn)代化技術(shù)快速發(fā)展和生產(chǎn)車間條件的特殊要求，所需要監(jiān)測(cè)的溫度往往是在一個(gè)較大的范圍內(nèi)進(jìn)行變化，而普通的數(shù)字式溫度傳感器只能測(cè)量小范圍變動(dòng)的溫度數(shù)據(jù)，溫度的測(cè)量范圍為-40～+85 ℃[1]。同時(shí)，由于溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)條件比較惡劣，給查看數(shù)據(jù)的工作人員造成很大的不便。

為了能夠?qū)^大范圍內(nèi)變化的溫度進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)能夠給工作人員提供一個(gè)安全、舒適、方便并且實(shí)時(shí)查看溫度數(shù)據(jù)的平臺(tái)，需要一個(gè)便攜式的且支持無(wú)線通信功能的設(shè)備[2]。因此，本文提出了一個(gè)基于Android平臺(tái)的無(wú)線模擬式溫度檢測(cè)方案。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)中，考慮在溫度量程較大的情況下，也能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確精度，采用三線制Pt100熱敏電阻器測(cè)量溫度信號(hào)。同時(shí)，由XTR105與之組合設(shè)計(jì)一個(gè)變送器電路，將監(jiān)測(cè)的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號(hào)。用RCV420設(shè)計(jì)一個(gè)電流接收電路，將4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的0～5 V的電壓信號(hào)輸入單片機(jī)中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換[3]。由于ATmega16單片機(jī)有10位A/D，最后精度可以達(dá)到0.1 %，在0～500 ℃時(shí)，最大線性偏差小于0.5 ℃，達(dá)到精度要求。溫度的監(jiān)控選用Android移動(dòng)平臺(tái)，ATmega16處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)串口轉(zhuǎn)WiFi模塊進(jìn)行發(fā)送，用戶直接在Android移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行查看。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖Fig 1　Block diagram of system design scheme

2Pt100熱敏電阻器測(cè)溫原理

熱敏電阻器是根據(jù)電阻的熱效應(yīng)阻值隨溫度的變化而變化，因此，可以根據(jù)其阻值測(cè)量溫度。由于Pt100測(cè)溫范圍在-200～850 ℃之間，并且具有較好線性度，測(cè)量精確，Pt100應(yīng)用較為廣泛，其熱電阻公式為RT=R0(1+αT)。其中,α=0.003 92，R0為Pt100在0 ℃的電阻值，T為攝氏溫度[3]。

在實(shí)際中，Pt100熱敏電阻器和現(xiàn)場(chǎng)儀表之間連線會(huì)較長(zhǎng)，接線的導(dǎo)線電阻將引入測(cè)量誤差，因此，在工業(yè)中常采用三線制消除導(dǎo)線引入的誤差。三線制測(cè)量原理圖如圖2所示。

圖2　三線制測(cè)量原理圖Fig 2　Principle diagram of three-wire measurement

測(cè)量時(shí)導(dǎo)線電阻為rL1,rL2,rL3，三條導(dǎo)線采用同規(guī)格同長(zhǎng)度，因此，RT為Pt100的阻值，測(cè)量端U1點(diǎn)、U2點(diǎn)的測(cè)量電路采用高阻抗輸入電路。為測(cè)量RT的阻值，在U1端加入恒定電流I,則電壓U1為

U1=I(rL1+rL3+RT)=I(RT+2rL).

(1)

由于U2端測(cè)量端為高阻抗輸入端，因此在導(dǎo)線上沒(méi)有電流流過(guò)，所以

U2=IrL3=IrL.

(2)

由式(1)減去2倍的式(2)得

U1-2U2=I(RT+2rL)-2IrL=IRT=Uab.

(3)

因此,有

(4)

式(4)中已經(jīng)消除了導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量的影響，可以看出測(cè)量?jī)H需要提供一個(gè)恒定電流I，并測(cè)出U1-2U2即可。

3下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)的功能主要包括：多點(diǎn)溫度測(cè)試及其相關(guān)處理，與上位機(jī)通信接收、發(fā)送指令，與上位機(jī)通信發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。硬件設(shè)計(jì)主要包括電源電路、檢測(cè)與變送電路、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、無(wú)線通信電路。下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 3　Structure diagram of lower PC hardware

3.1電源電路

單片機(jī)工作電源為+5 V，采用LM2576降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，具有很小的電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率，同時(shí)具有3A的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，可以很好的滿足要求[4]。為了獲得一個(gè)更加精準(zhǔn)的A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓，用LM4040設(shè)計(jì)了一個(gè)高精度的外部基準(zhǔn)源，避免了A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中內(nèi)部基準(zhǔn)源的不穩(wěn)定性和其它電源的干擾。在AVCC與AGND的處理上，采用了與單片機(jī)VCC并聯(lián)單點(diǎn)接地式[5]，有效地防治工頻和其他雜散電流在信號(hào)線上產(chǎn)生干擾。

RCV420需要 12 V電壓進(jìn)行供電，采用WD6—24D12，穩(wěn)定性可以達(dá)到要求。

3.2檢測(cè)與變送器電路

系統(tǒng)采用Pt100熱電阻構(gòu)成的模擬溫度傳感器，測(cè)溫范圍為-200～850 ℃。但是該熱電阻阻值的溫度特性存在著一定的非線性，而XTR105集成芯片提供兩路800 μA的精密電流源來(lái)激勵(lì)外接的鉑電阻器，內(nèi)置的線性化電路對(duì)熱電阻溫度特性的非線性進(jìn)行矯正，可達(dá)到40∶1的改善[6]。同時(shí)，芯片通過(guò)電流環(huán)路供電，具有極寬的電源范圍，輸出為電流信號(hào)，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，電流信號(hào)不需要進(jìn)行補(bǔ)償，XTR105輸出電流IO為

IO=VIN×(0.016+40/RG)+4 mA.

(5)

式中VIN由式(6)得

(6)

式中IR=0.8 mA，RTD為Pt100的阻值，RZ為熱敏電阻器在最低測(cè)量時(shí)的溫度的阻值。式(5)中RG為XTR的一個(gè)配置電阻，有

(7)

式中VFS=10 mV。

3.3信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)過(guò)XTR105輸出的為電流信號(hào)，在進(jìn)入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換之前，需要用RCV420將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。RCV420是一種功能上完全獨(dú)立的器件，不需要調(diào)整增益、偏置等參數(shù)。它采用±12 V雙電源供電，當(dāng)輸入為4～20 mA時(shí)，輸出0～5 V電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換之后的電壓與電流成線性關(guān)系，為

VO=6.25 V-0.3125IIN.

(8)

3.4無(wú)線通信電路

無(wú)線通訊電路由KB3071_WIFI和74LVC2T45組成，本系統(tǒng)只需該模塊的串口轉(zhuǎn)無(wú)線功能，使用它的UART_TX和UART_RX即可。但由于單片機(jī)串口的電平為5 V，而無(wú)線模塊串口的電平為3.3 V，為了使兩者很好的兼容，需要使用74LVC2T45電平轉(zhuǎn)換電路。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)控制顯示與下位機(jī)采集發(fā)送兩部分組成。系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)程序流程圖Fig 4　Flow chart of system program

4.1下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

采用模塊化設(shè)計(jì)，主程序調(diào)用8個(gè)子程序，分別為：MCU初始化程序、讀取并發(fā)送通道數(shù)據(jù)程序、UART接收中斷服務(wù)程序、接收緩沖器讀取字符程序、UART發(fā)送中斷服務(wù)程序、發(fā)送緩沖器寫入字符程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序、讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)程序。主要4個(gè)詳細(xì)介紹如下：

1)MCU初始化程序：設(shè)定單片機(jī)上的IO口狀態(tài)，串口發(fā)送接收的波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位的選擇設(shè)定，定時(shí)器中斷的使能以及初始數(shù)據(jù)設(shè)定，A/D轉(zhuǎn)換寄存器使能初始配置。

2)讀取并發(fā)送通道數(shù)據(jù)程序：本系統(tǒng)在客戶端進(jìn)行溫度檢測(cè)可以自行選擇三種模式:a.定時(shí)讀取8個(gè)通道，b.定時(shí)選擇讀取某一通道，c.循環(huán)讀取8個(gè)通道數(shù)據(jù)。此子程序?qū)崿F(xiàn)這些功能，從客戶端接收模式指令，按照相應(yīng)的指令發(fā)送數(shù)據(jù)。

3)定時(shí)器中斷服務(wù)程序：需要定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，起到準(zhǔn)確定時(shí)發(fā)送的作用，以10 ms為一個(gè)定時(shí)周期。

4)讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)程序：?jiǎn)纹瑱C(jī)的10位A/D轉(zhuǎn)換，在從RCV420輸出信號(hào)接入時(shí)，對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為了增加數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每一路的轉(zhuǎn)換值都進(jìn)行4次的平均取值，可以很好地避免單次電壓的不準(zhǔn)確情況發(fā)生，提高轉(zhuǎn)換精度。

4.2上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

Eclipse是谷歌公司推出的安卓應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具，因其具有界面友好，適合各種安卓客戶端上運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)而受到大多數(shù)用戶廣泛的使用，而且應(yīng)用程序可以通過(guò)連接WiFi接收服務(wù)器端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并發(fā)送用戶的指令。由于上位機(jī)要接收下位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示在界面上，所以,在程序中要建立2個(gè)線程: 1)建立與服務(wù)器連接的Socket線程，調(diào)用DataIuputStream和DataOutputStream類通過(guò)WiFi-AP模式與下位機(jī)進(jìn)行通信，其中需要2個(gè)步驟：第一把WiFi模塊配置成WiFi-AP模式的服務(wù)端，并設(shè)定IP跟端口號(hào)，通過(guò)TCP協(xié)議進(jìn)行發(fā)送。第二在編寫客戶端中建立Socket類中，在子線程中寫入與服務(wù)端對(duì)應(yīng)IP與端口后就可以通過(guò)Android底層的函數(shù)getInputStream和getOutputStream接收下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和發(fā)送指令到上位機(jī)的數(shù)據(jù)流[7]。 2)建立接收數(shù)據(jù)處理并實(shí)時(shí)顯示在客戶端界面上的線程，調(diào)用Handle消息處理隊(duì)列，通過(guò)Handle.Post將Socket線程和Handle.sendMessage把數(shù)據(jù)加入到此隊(duì)列中，然后就可以在主隊(duì)列Handle.handleMessage實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)更新在客戶端UI中，在此消息隊(duì)列中，線程與數(shù)據(jù)處理都是異步的，相互之間不會(huì)有影響。客戶端監(jiān)測(cè)界面如圖5所示。

圖5　客戶端監(jiān)控界面Fig 5　Client monitoring interface

5測(cè)試與結(jié)果

采用上述方法設(shè)計(jì)的Pt100多點(diǎn)測(cè)溫?zé)o線傳送的裝置在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。8個(gè)溫度檢測(cè)端分別放入8個(gè)不同的已知溫度的水杯中，并且保持此8個(gè)不同溫度的水杯溫度不改變，表1為某一時(shí)刻的溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)。為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，設(shè)定8個(gè)溫度報(bào)警限度下限值為10 ℃，上限制為80 ℃。

表1　某時(shí)刻溫度測(cè)試結(jié)果表

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)1#進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)提示溫度過(guò)低報(bào)警信號(hào)，當(dāng)7#,8#進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)提示溫度過(guò)高報(bào)警信號(hào)。

為測(cè)試Android系統(tǒng)的無(wú)線通信能力，在實(shí)驗(yàn)中不同距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2　通信測(cè)試結(jié)果表

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，溫度檢測(cè)的相對(duì)誤差最大為0.1 %，可以準(zhǔn)確地測(cè)量到各點(diǎn)的溫度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Android無(wú)線WiFi-AP通信網(wǎng)絡(luò)在通信距離越遠(yuǎn)數(shù)據(jù)的丟包率越高，150 m為最佳通信距離，數(shù)據(jù)傳輸正確率高，可以滿足工程上的通信要求。

6結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了基于Android系統(tǒng)的低成本溫度采集系統(tǒng)硬件與軟件的整體設(shè)計(jì)方案，可以同時(shí)對(duì)多點(diǎn)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并可以與設(shè)定值進(jìn)行比較，加入溫度過(guò)低或過(guò)高報(bào)警功能。本系統(tǒng)的拓展功能不僅僅局限于溫度測(cè)量，任何基于4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳感器均可以采用。上位機(jī)Android移動(dòng)設(shè)備顯示各點(diǎn)溫度，由于接入WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，避免了傳輸距離的限制。

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Design of wireless multipoint temperature monitoring system based on Android system

LUO Biao1， LI Bin1， ZHANG Dai-feng1， MEI Liang2

(1.School of Automation Science and Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100192,China; 2.Defense Technology R&T Center, China Aerospace Science and Industry Corporation,Beijing 100854,China)

Abstract:Multipoint temperature monitoring system includes upper PC and lower PC.Lower PC uses ATmega16 MCU as core,Pt 100 is temperature sensor for temperature sampling and measuring,which can realize temperature real-time acquisition through AP model of WiFi module with upper PC for data receiving and transmitting.Upper PC is a machine with Android platform which uses Socket client to obtain real-time temperature value,real-time display and alarming.This system can be used in multipoint detection for different temperature demand for civil or industrial occasion.

Key words:ATmega16 MCU; Pt100; WiFi module; Android system

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0056—04

收稿日期：2015—06—03

中圖分類號(hào):TP 368

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)03—0056—04

作者簡(jiǎn)介:

羅彪(1990-),男，江西高安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航制導(dǎo)與嵌入式控制。