基于電力載波的智能溫度變送器

摘要：為達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的溫度信息傳送及監(jiān)測(cè)功能，設(shè)計(jì)了一種基于電力載波通信技術(shù)的新型溫度變送器。采用熱電偶采集溫度，利用MAX6675對(duì)模擬溫度信號(hào)實(shí)施冷端補(bǔ)償、線性化和數(shù)字化；通過(guò)電力載波技術(shù)完成信號(hào)調(diào)制、傳輸和解調(diào)；最終由STM32單片機(jī)接收數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示溫度值，實(shí)現(xiàn)了電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電路系統(tǒng)驗(yàn)證表明：系統(tǒng)具有不需重復(fù)布線、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了智能溫度變送功能，非常適用于企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的溫度監(jiān)測(cè)。
引言
　　智能測(cè)溫技術(shù)是智能時(shí)代的必然產(chǎn)物[1]。將智能測(cè)溫應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域，可以實(shí)時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行正確測(cè)量。智能溫度變送器利用微處理器代替?zhèn)鹘y(tǒng)溫度計(jì)對(duì)溫度進(jìn)行識(shí)別、測(cè)量和數(shù)據(jù)加工[3]。鑒于微處理器的不間斷工作、全方位無(wú)死角監(jiān)控等特點(diǎn)，豐富了智能工業(yè)的內(nèi)容，有著廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景。電力載波技術(shù)通過(guò)工業(yè)電力線網(wǎng)來(lái)傳輸控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)電力線網(wǎng)上的工業(yè)設(shè)備的智能監(jiān)控。同時(shí)，電力載波具有無(wú)輻射、無(wú)需重新布線、節(jié)能環(huán)保、簡(jiǎn)單易用等特點(diǎn)，為智能溫度變送器提供了新的解決方案。
　　為達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的溫度信息傳送及監(jiān)測(cè)功能，本文設(shè)計(jì)一種基于電力載波通信技術(shù)的新型溫度變送器。方法是首先采用熱電偶采集溫度，利用MAX6675對(duì)模擬溫度信號(hào)實(shí)施冷端補(bǔ)償、線性化和數(shù)字化；其次通過(guò)電力載波技術(shù)完成信號(hào)調(diào)制、傳輸和解調(diào)；最終由STM32單片機(jī)接收數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示溫度值。
1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　智能溫度變送器主要由溫度采集、數(shù)據(jù)調(diào)制發(fā)送及解調(diào)接收、顯示三部分組成。溫度采集的設(shè)計(jì)是基于K型熱電偶、MAX6675及STM32單片機(jī)進(jìn)行的；數(shù)據(jù)調(diào)制發(fā)送及解調(diào)接收采用電力載波技術(shù)，通過(guò)DSSS調(diào)制實(shí)現(xiàn)信號(hào)的過(guò)零調(diào)制及解調(diào)；溫度由另一端的STM32單片機(jī)接收數(shù)據(jù)后，完成處理并顯示。智能溫度變送器系統(tǒng)框圖如圖1所示。
 
2溫度采集和變換設(shè)計(jì)
　　溫度采集部分是利用熱電偶傳感器的熱電效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)的[4]。K型熱電偶[5]由于其熱電動(dòng)勢(shì)大、靈敏度高、均勻性和線性強(qiáng)以及其性價(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用到工業(yè)測(cè)量當(dāng)中。
　　使用熱電偶所得到的溫度信息是模擬小信號(hào)，需要對(duì)其進(jìn)行A/D變換，輸送給STM32單片機(jī)系統(tǒng)。溫度信號(hào)的A/D變換利用MAX6675芯片實(shí)現(xiàn)。MAX6675溫度分辨率高達(dá)0.25℃，冷端補(bǔ)償范圍寬至-20~+80℃，工作電壓為3~5V，兼具冷端補(bǔ)償和線性矯正的優(yōu)點(diǎn)，它可以直接將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量。其內(nèi)部包含了信號(hào)放大器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、冷端補(bǔ)償傳感和校正、數(shù)字控制器、SPI接口、邏輯控制等組成。MAX6675內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
 
　　冷端溫漂是影響熱電動(dòng)勢(shì)的主要因素，并且熱電偶熱端接觸測(cè)量設(shè)備，冷端被封裝在芯片內(nèi)部，其通過(guò)熱電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)測(cè)量出的電勢(shì)差并非對(duì)應(yīng)0電壓。因此，要想確保測(cè)量結(jié)果的正確性，就必須在A/D變換的過(guò)程中保持冷端溫度的恒定，即冷端補(bǔ)償。
　　芯片內(nèi)部采用熱敏電阻測(cè)量環(huán)境溫度，并轉(zhuǎn)換為電壓。將放大的熱電偶電勢(shì)差（測(cè)量溫度）和熱敏二極管電壓（環(huán)境溫度）疊加交給MAX6675的ADC轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)行采樣、量化、編碼形成正確的數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償和A/D變換，確保溫度信號(hào)的正確性。
3微處理器電路設(shè)計(jì)
　　在溫度轉(zhuǎn)換過(guò)程中，選用STM32作為處理器，需要接收來(lái)自MAX6675的16位數(shù)字信號(hào)并計(jì)算得到實(shí)際溫度值，因此將MAX6675的數(shù)據(jù)輸出引腳S0與STM32的MISO接口PB14相連。MAX6675的片選信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)都由STM32提供，需將STM32的片選引腳PB12和時(shí)鐘引腳PB13分別與芯片的CS和SCK相連。具體連接線路如圖3所示。
 
　　MAX6675的工作時(shí)序如下：當(dāng)CS引腳從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，MAX6675進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。當(dāng)CS從高電平變成低電平時(shí)，MAX6675停止信號(hào)轉(zhuǎn)換，并以SCK時(shí)鐘為基準(zhǔn)通過(guò)SO管腳對(duì)外發(fā)送數(shù)據(jù)；在CS由高變低時(shí)，SO串行輸出16位數(shù)據(jù)，每個(gè)時(shí)鐘下降沿輸出一位。D15始終無(wú)用，D14~D3為從MSB到LSB排列的熱電偶電壓模擬量轉(zhuǎn)化而來(lái)的數(shù)字信號(hào)，D2用于檢測(cè)熱電偶是否斷線（熱電偶工作時(shí)為0，熱電偶斷開(kāi)時(shí)為1），D1為標(biāo)識(shí)符，D0為三態(tài)。熱電偶斷線檢測(cè)時(shí)，T-必須接地，并使其盡可能接近GND引腳。同時(shí)為降低電源耦合噪聲，需在電源引腳和接地端之間并聯(lián)接入一只0.1μF的電容。
4溫度信號(hào)傳輸設(shè)計(jì)
　　電力載波是將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)[7]，其最大特點(diǎn)是利用現(xiàn)有電力線，不需重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。電力載波電路如圖4所示。
 
　　整個(gè)電力載波溫度信號(hào)傳送電路由發(fā)送和接收兩部分組成，兩部分均由單片機(jī)和電力載波電路實(shí)現(xiàn)功能[8]。利用電力線作為接收和發(fā)送部分的載體，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和傳送。電力載波電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。
 
　　STM32（甲）將采集的數(shù)字信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送至電力載波電路A，A將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行DSSS調(diào)制送上電網(wǎng)。與此同時(shí)，電力載波電路B從電網(wǎng)上截取調(diào)制信號(hào)，同樣通過(guò)DSSS解調(diào)方式還原信號(hào)并通過(guò)串口發(fā)送至STM32（乙）。STM32（乙）將接收到的數(shù)字信號(hào)線性轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制溫度，再通過(guò)串口在PC端或通過(guò)LCD屏實(shí)時(shí)顯示在接收端。串口通信統(tǒng)一設(shè)為波特率9600bps，無(wú)校驗(yàn)位。
5軟件設(shè)計(jì)
　　當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，首先STM32對(duì)其內(nèi)部控制寄存器初始化，使得SPI總線，串口1、2正常工作。STM32（甲）在接收溫度信號(hào)時(shí)，拉低片選信號(hào)讀取MAX6675發(fā)送的高8位數(shù)據(jù)c，將其左移8位賦給i。緊接著再次讀取MAX6675發(fā)送的低8位數(shù)據(jù)c，將其與高8位數(shù)據(jù)i進(jìn)行或操作，得到一個(gè)完整的16位溫度數(shù)據(jù)。再將16位數(shù)據(jù)i右移3位，得到D14~D3的12位有效數(shù)據(jù)并賦給t，那么當(dāng)前溫度temperature=0.25t。判斷i是否為有效數(shù)據(jù)，在其基礎(chǔ)上判斷D2，確定熱電偶是否正常連接。當(dāng)兩重判斷都成立時(shí)，即可通過(guò)STM32（甲）與電力載波電路A的連接將數(shù)據(jù)調(diào)制送上電網(wǎng)。最后，通過(guò)電力載波電路B接收調(diào)制信號(hào)并解調(diào)恢復(fù)，在STM32（甲）的LCD屏或者與STM32（乙）連接的PC端實(shí)時(shí)顯示，以達(dá)到遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備溫度的目的。溫度采集及發(fā)送流程圖和關(guān)鍵代碼如圖6所示，溫度接收及顯示流程圖和關(guān)鍵代碼如圖7所示。
 
6系統(tǒng)測(cè)試
　　考慮到在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，沸水溫度穩(wěn)定在100℃，故將沸水100℃作為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試該溫度變送器的環(huán)境條件。為了檢測(cè)電力傳輸距離，將STM32（甲）和STM32（乙）分布在約100m遠(yuǎn)的220V電力線兩端，實(shí)時(shí)測(cè)試沸水溫度。整個(gè)系統(tǒng)工作正常，與STM32（甲）連接的LCD顯示屏顯示實(shí)時(shí)測(cè)量溫度為99.25~99.75℃之間。該系統(tǒng)可靠地完成了溫度采集、電力載波通信以及溫度顯示功能。
 
7結(jié)束語(yǔ)
　　與傳統(tǒng)的模擬溫度變送器相比，本文設(shè)計(jì)的智能溫度變送器有強(qiáng)抗擾、強(qiáng)抗衰、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，能把溫度數(shù)據(jù)更加正確、具象地呈現(xiàn)在監(jiān)控員眼前，從而為智能工業(yè)領(lǐng)域的測(cè)溫系統(tǒng)提供一種全新可選擇方案。同時(shí)，它無(wú)需重新架設(shè)線纜，體現(xiàn)出極高性價(jià)比，具有巨大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。