一种低耗能温度变送器的研究与设计

II一种低耗能温度变送器的研究与设计摘要工业的无线电技术是建立在工业环境下，利用无线传感器的网络实现的无线通信。这种通信方式具有诸多的通讯优势，如抗干扰的能力强且能耗低等，能够通过这些优势实现了现代工厂的自动化检测等项目的实施，能够在一些环境恶劣的情况下，如施工环境困难，存在高污染作业场合时，能够进行自动化控制设备的状态。传统温度变送器是通过专用温度传感器将温度转换成电信号进行作业，这种作业方式完成后再通过模拟电路将信号变换成4-20mA的标准工业信号传输到用户端。现阶段工厂中温度检测中数据仍旧是通过有线进行数据的传输，这样的传输方式v恒本高，并且可移动性茶，不能进行机动的布局，当碰到需要进行转动或者机动的作业时很难实现工作的高效运行，并且在很多场合都不适应，传统有线温度变送器的实际应用收到的限制很多。随着科技的发展和实际的应用，现如今就的电子和通信都得到了迅猛的发展，尤其是无线传感器网络技术的研究与应用，这个领域的控制研究逐步成为了研究的重点。本文正是在这样的研究背景下，以温度参数测量为研究基础，研究在变送器节点硬件设计中采用低功耗的元器件，设计并实现一种大量程、低功耗的无线温度变送器，在节点运行机制方面采用定期休眠的方法，将变送器节点的测量范围控制在-50℃-900℃之间。通过实际的实验证明，该功耗的研究方法是可行的，关键词：温度变送器；低耗能；无线传感器论文类型：XXX

目录1引言 12低耗能测温系统的整体结构 13硬件设计 23.1低耗能温度变送器硬件设计 23.1.1低耗能温度变送器最小系统设计 23.1.2信号处理电路设计 33.1.3射频天线的设计 43.2主控器硬件设计 53.2.1复位电路 53.2.2JTAG接口电路 53.2.3电源电路 63.2.4存储电路 73.2.5485总线通信电路 74系统软件设计 84.1无线温度变送器软件设计 84.1.1数据采集主程序设计 84.1.2温度采集程序设计 94.1.3电池电压测量程序设计 114.1.4休眠定时器设置 124.2数据中心节点软件设计 124.2.1数据中心主程序设计 124.2.2RS-485通信程序设计 134.3路由节点软件设计 145实验结果分析 155.1温度变送器功耗测试 155.2温度变送器精度测试 156结语 16参考文献 16致谢 171引言温度变送器在整个过程控制仪表中占据重要的位置，温度变送器最常见的功能是用于对温度的测量与控制，不仅如此，还常用在参数的测量与控制中，作为一个校正参数而存在，能够对相关的参数进行精准的测量与控制。传统的有线控制需要进行不限，这样的测量十分的复杂也需要大量的电线，实现测温元件能够进行远距离的传输并传达到中心控制室。现如今过程检测系统随着发展需要不断地进行扩大，现阶段工厂中温度检测中数据仍旧是通过有线进行数据的传输，这样的传输方式成本高，并且可移动性茶，不能进行机动的布局，当碰到需要进行转动或者机动的作业时很难实现工作的高效运行，并且在很多场合都不适应，传统有线温度变送器的实际应用收到的限制很多。现阶段无线传感的技术在不断的发展，在很多领域的工作都选用无线的方式进行工作的检测和无线电的运用，并去得到了实质性的进展。现阶段很多的工程选用的是无线温度变送器一般都采用电池供电，当电池出现问题时，整个网络和工程就会受到极大的威胁和影响，其次无线温度的变送器的电池并不能经常的进行更换，需要使用很长的年限，因此出现问题就会变得异常麻烦。现阶段遇到的麻烦对低能耗的无线温度变送器进行开发就变得十分重要，以水泥生产中回转窑筒体温度检测为例子，在本文中将业中常用的温度传感器PT100作为测温元件进行试验设计。2低耗能测温系统的整体结构我们在实际的运用过程中可以发现如下几个板块，如中央的库里控制器，JTAG加密编程接口以及数据的储存的等，都是十分常见的。详细的系统部分可以参见图2.1。由需要获取所需要的数据，尤其是压力传感器方面，能够利用一定的信号来源进行A/D转换，这样的控制可以利用数字信号进行处理并得出相关的压力数据。压力的数据得出后，就会向外发送信号，这种发送信号的方式主要是利用ZigBee收发模块。在整个过程中能够根据现阶段的状态得出所需的压力值，并且根据过ＲS-485通信接口和上面的棘口相连，利用压力变送器进行传送，最后获得一系列的数据。电源模块电源模块中央控制器A/D转换器加HTAG加密编程接口中央控制器A/D转换器加HTAG加密编程接口加传感器信号调理模块加数据存储模块加传感器信号调理模块加数据存储模块加ZigBee收发模块ZigBee收发模块LCD显示模块加RS-485通信接口LCD显示模块加RS-485通信接口图2.1系统框图在这个测试中所运用的电源主要是3.3V的电压的电源模块，主要的功能就是为整个系统提供动力，由芯片和供电传感器等部分共同组成。这个系统所采用的数据模块的型号是24LC32，储存卡的容量是32KB，并且所使用的供电电压为2.5V。该系统的LCD显示模块主要的型号为LCM141C-01，这是一个加条码的液晶显示模块，这个显示屏的好处在于清晰度高，并且可以进行灰度调整，操作间接，是由微量功耗的产品，他所适应的工作电压值在2.7-5.2V。最后就是信号的处理模块，这个模块主要的功能就是对压力信号进行提取，并且能增强电路的信号。另外一个是A/D转换器，这个转换器的型号芯片为AD7794，他的有点就在于功耗低，并且能够融入终端，这就为降低噪声和功耗提供了准备，是最适合低功耗与精度测试的要求。中央的控制器主要是美国的一起，型号为MSP430F149，它最大的优势就是他的低功耗，并且能够高速处理，开发更为方便也更为丰富。3硬件设计3.1低耗能温度变送器硬件设计3.1.1低耗能温度变送器最小系统设计图3.1显示的是无限温度变送器，这是一个最小的系统，这个系统所才有的主要的是微处理器CClll0，电源电路、两个晶振电路、复位电路以及下载电路。对其型号进行详细的介绍，供电的带能源采用的主要是3.6v的电池，这个电池可以进行直接的供电，为能力极强的铿电池。这个电池内部有两个晶振时钟存在两个类型，根据工作状态的不同会选择不同的时钟。还有就是复位电路的设计，主要就是保证整个系统都会处于正常状态下的运行。复位电路存在一个总开关，配合一个电阻和电容。通电前的准备，就是将RESET端的电压调整为0，通电后会进行充电，主要是VCC对C13进行充电。整个充电的过程不是一次性的变化，而是需要持续的低电平后，利用其中的RESET引脚完成最后实现一段时间内的复位。当总开关闭合，就会有电荷放出，这时候RESET引脚电平处于低的状态，开关打开后就会重复以上的上电复位。次啊再扣的设置就更为简单，只需要信号线就可以实现。图3.1无线温度变送器最小系统3.1.2信号处理电路设计信号的处理放大器所采用的是仪用放大芯片，该芯片的型号为AD627，这个芯片最突出的优势就是能耗低，设计的简单使得操作方便且灵活，另外搭配上一个电阻，就可以实现高的增益，增益调节的区间在5-1000。这个信号处理电路的最低工作电压可以低脂2.2V。其次这个信号所涉及的有一个REF端口，可以利用设计的相关需求调整，如利用端口的入口进行调节，能够利用放大器调节到适合的范围中，这个范围一定是与A/D检测相匹配的范围。其次就是温度的检测，所选用的是铂热电阻传感器，这个传感器所采用的是三线制接法，能够与系统中的臂桥相连接，能实现低能耗的提供长期稳定的电桥电压。信号采集电路的供电由MOS管65250统一控制，当温度变送器在工作期间单片机通过控制G5250的使能控制端去打开工作电源，当温度变送器体眠期间单片机控制G5250使能端断开工作电源。该MOS管的工作电压在2.2V-5V之间，静态工作电流只有65uA，最大的关断电流只有1uA。信号处理电路如图3.2所示:图3.2信号处理电路3.1.3射频天线的设计射频天线的设计主要有两种方式，分别是采用PCB的天线或者是外接的天线。采用PCB天线的根据是该设计相关的数据理论得出，能够根据详细的演算去绘制电路，这个电路能在电路板上实现电磁波的感测和信息的收发。其中涉及到一种单机天线，这是一个有线导体天线，能够对地面上的垂直元件进行输出。图3.3射频天线电路3.2主控器硬件设计3.2.1复位电路复位电路的构成主要包括三个部分，其分别是一个10K阻值的电阻，一个luf的电容C23，一个开关按键RST1。该复位电路可以手动复位也可以自动复位。在通电前，开关REST的电压为0，当电路接通之后C23电容开始充电，在这个过程中，电容的电压从0开始一直到3.3V慢慢饱和，这是一个循序渐进的过程，而非瞬发过程。因此，REST端可以一直保持较低的电平值，而这个过程中，复位开关能够完成自动复位。当启动RST1开关时，C23上电容里的电荷被释放，REST端口的电压又瞬间恢复为0，当RST1开关松开之后，该过程又和通电的过程如出一辙，如图3.4所示。图3.4复位电路原理图3.2.2JTAG接口电路JTAG下载接口最常被使用，他的接连方式简单因此得到了普遍的推广，他利用的是ARM处理器，需要简单的信号线就能完成功能的在线调节。具体电路图如图3.5所示。图3.5JTAG接口硬件原理图3.2.3电源电路对主控器电源进行控制的方面很多，主要就是微处理和相关设备的供电处理，能够根据电压进行不同的分工与操作，当金星不通过作业时所需要的电源电压也有所不同，主要是3.3V和5V。3.3V常用于电源系统中最小的系统，对其进行供电，此时的功率普遍大于200mW，5V电源功率一般大于33mW，多用在蜂鸣器这种大型宫殿的使用。在此次实验中最需要注意的是供电的转化，能够根据主控器的需要实现5V和3.3v之间的转化。系统中的3.3V电源是由SV电源经过SPX1117-3.3线性稳压芯片稳压得到，这款芯片具有低压差的特点，最低压差可以达到1.1V，同时可提供最大到800mA的稳定电流，具体电路如图3.6所示。图3.63.3V电源电路原理图3.2.4存储电路对电路的存储也很重要，需要进行关键数据的保存，这个常用于嵌入式的设计，并且利用一些外部的数据储存设备来实现，如FLASH、EEPROM或者SD卡等。在本文的实验设计中，需要用户设定一定的参数来让主机进行预警。本次实验所涉及的数据线较少，因此选用的储存零件也会更小，节省空间并且便于安装使用，选择的是EEPROM来对数据进行储存。该芯片能够实现与接口的连接，形成STMF103连，这样的连接方式可以实现数据的直接储存与填写，具体的堤岸路如图3.7。图3.7存储电路设计图3.2.5485总线通信电路工业数据的测量最为普遍，选取的是485总线，这个能够实现系统的稳定于建嵘，此次设计就是将其作为数据的控制与主要的通信方式。。RS-485通信最早问世于1983，由电子工业协会制定并发布，他弥补了当时通信的很多不足，并且在原来的通讯基础上进行了升级与发展。他有多个方式通信功能，能够实现在一个总线上进行多个方式的连接，这种了连接方式拓展了整体的功能，更加具有保护性，并且其驱动能力和规模范围也有所扩大。RS-485通信接口还能实现降噪模式的处理，能够扩大通讯的距离与范围，这都由于他内在的差分接收器和平衡的驱动器发挥作用的原因，这个使得他的最大传输速度可以达到达10Mb/s，距离可以远至1200m。这个通讯的创新使得利用最短的电线传输最大的通讯，这是一个巨大的进步和创新。本文选区的正是SP485作为RS-485通信芯片，这个芯片的作用极大，能够实现起保护的增强并实现其收发，并优化以往的收发器存在的不足。具体的电路模式如3.8所示。图3.8RS-485通信接口电路原理图4系统软件设计4.1无线温度变送器软件设计4.1.1数据采集主程序设计无线温度的变送器采集端的作用很大，选哟完成电池电压的测量，能够节后很多无限通信的数据，并接收到接口处，具体的设计如图4.1所示。系统初始化系统初始化进入休眠模式使能相关中断进入休眠模式使能相关中断定时器唤醒搜寻到网络N N定时器唤醒搜寻到网络采集温度发送Jion请求Y Y采集温度发送Jion请求成功加入网络采集电压 N成功加入网络采集电压发送Link请求发送数据Y发送Link请求发送数据发送数据结束成功建立连接 N N发送数据结束成功建立连接 Y图4.1无线采集主程序流程图随后是温度变送器需要进行上电，根据初始化的硬件进行设计，如看门狗和定时器的设计。当初始化的程序完成后，可以根据温度的需要进行设备的传输，当数据在中心设备检测搭配网络时候会受到温度变送器的请求。随着温度变送器的数据搜集，会收到数据的信号就会入网成功，随着数据的变化会接受到设备重新发射的信号。这种Link信号伊迪娜被接受，就可以接收到变送器和数据进行通讯。当变送器和数据中心成建立之后，能设定时间休眠，再根据工作的周期进行工作的唤醒，也可以根据唤醒时间进行休眠的设变。在一定的时间设定下可以进行唤醒的设定，能够进行温度的设定和采集，能够将设定的反馈回来。4.1.2温度采集程序设计温度采集程序的软件流程框图如图4.2所示，温度数据测量是一个电路中重要功能，数据的测量需要一个具体的精度，但又常常受到外界的影响。需要在保证测量数据精准的基础上还要注重能好得使用，能够最大程度降低能耗。在实际的测算中经常采用的手段是利用可续的计算方法得出实验的温度。受到外界影响时，尤其是受到环境的干扰时，AD采集的值可能会与实际值产生一定的偏差，因此在采集数据时要多次采集，一次的数据不够精准，得出的数据有一定的偏差没有可靠性。在实际的发展过程中，常常会利用AD进行序列组的采样，这样获得数据更接近实际操作的数据。本文正是利用这样的方法进行试验，一种去极值数字滤波算法，具体的的算法是利用信号测量值的多次记录并进请求和处理，筛选掉机制温度，求平局值，得出的平均值与真实的电压情况最为接近，本次测量中的取样数为256。开始开始V[i]＞MaxV[i]＞Max定义变量Max,Min定义变量Max,Mini=0,Max=Min=V[0]设置循环次数i=0,Max=Min=V[0]设置循环次数V[i]＜Min开启定时器中断V[i]＜Min开启定时器中断 N Min=V[i]低耗能模式 Min=V[i]低耗能模式Vsum+=[i]Vsum+=[i]睡眠定时器中断 N睡眠定时器中断i++i++i=256采集数据i=256采集数据 N数据处理i=0,Max=Min=V[0] Y数据处理i=0,Max=Min=V[0]发送数据发送数据 图4.2温度采集程序软件流程框图本次程序实验我们选择了速度最快也最节约资源的运算方法，主要是查表法和线性插值的算法，能够实现在PT100铂热电阻传感器的更这个，首先我们可以对单片机进行一个温度电阻表的建立，这个建立可以在ROM中实现，因此我们在中间选取了100个点，这些点的选取范围为在0-450，祖居为5摄氏度，这样形成了R[i](阻值)与T[i](温度)的一一对应。当实现开始，温度进行转换时，将最终得到的值Rx通过二分查表，与标定值R[i]进行比较，当确定电阻区间R[i]<Rx<R[i+1]后，再用线性插值法就可以得到温度值Tx，即公式(4.1)所求。TX=T[i]+RX由于表中每间隔摄氏度标定了一个电阻值，所以实际温度值即公式(4.2)所TX=T[i]+5*Ri+14.1.3电池电压测量程序设计变送器的使用是无人化的使用，这个过程中没人人员进行看守，因此设定能够自动化实时进行工作状态的跟踪十分重要，尤其是能够对工作状态有所了解也十分重要。另外就是电池电压的测量与设定，可以随时知道电压的工作情况，当电池不足或者处于欠压状态时，可以及时的对客户进行提醒并及时更换装备。电磁的具体测量程序如4.3所示。开始开始系统初始化系统初始化配置采样通道和参考电压配置采样通道和参考电压设定采样次数 设定采样次数低功耗模式 低功耗模式睡眠定时器中断 睡眠定时器中断 N采样值中值滤波启动AD采样 Y采样值中值滤波启动AD采样AD采样启动AD采样启动发送数据发送数据采样次数+1采样次数+1采样完成采样完成 图4.3电池电压测量程序流程图如图，我们可以进行更进一步的操作，首先是对设备的初始化操作，能够对转换器进行设备的配置与调试，因为整个实验中的电量与电压是时刻变化的，所以选取测量的时间就变得极其重要。该设备中的CC1110单片机可以满足实时测量的需要，主要针对的是电源电压和相关模拟电压的功能，实际的操作中我们无法对电源和电压进行之记得测量。其次就是必须选用稳定性较好的参考电压，在本文实验中选择的为1/3的模拟电压。接下来就是外部基准源的选择，需要参考电压，在该实验中选择的的铿电池电压正好满足要求，其基准电压为1.2v。根据流程图和分析我们可以得出这样一个结论，那就是需要正确的选择AD采样配置并且进行多次的数据采集，得出最终的数据选项。4.1.4休眠定时器设置温度变送器在实际的运用中需要进行休眠的设定。温度的变化会造成电池公共点的方式有所不同，因此休眠定时可以降低一定的系统功耗，这对于整个系统来说十分重要。其次就是如何对温度变送器进行休眠，最常见的方式就是利用无限温度变送器，他的数据与整个系统数据项连接后，就会随着时间的变化进行同步设计。这样能够实现时间上的同步处理。其次是在这个工作条件下环形的可以减少时间差距所产生的变送器的不同步，减少工作定时器唤醒的通讯问题及可能产生的影响。采用公式(4.3)来使设备的唤醒时间分突开，TSTART=ID*TSLOT(4.3)在这个公式中，TSTAR代表的是休眠结束的时间。该公式所得出的结果能保证每个温度变送器都能实现在不同时间的唤醒，这样能够方式系统中数据的缺失或者其他可能存在的问题。当数据传送到中心后，会进入到休眠状态，一旦到达设定的时间会再次唤醒，进行循环的记录。这样的程序模式从根本上降低了能耗来保证其使用时间和通讯的可靠性。4.2数据中心节点软件设计4.2.1数据中心主程序设计数据中心的作用十分突出，需要进行星状网络的建立，能够将管理的温度送入网格中，并获取电池电压中的数据并反传至数据中心。数据中心的主要模式和节点如图4.4所示。根据所设计的模型格式，数据中心一旦通电第一步就是初始化的程序运用，即对所有的数据和资源实现初始化。最后根据SMPL_Init(sCB)函数初始化网络协议栈进行通讯的控制。树蕨中心可以根据所得到的反回至进行数据的接收，根据接收到的温度数据进行后续的决策，来分辨是温度变送器和网络请求的数据。得到的是温度变速器的数据请求，就会条用调用SMPL-SLinkListen()进行后续的入网处理，如果是网络请求数据，就会进入另一个调用SMPL-Send()进行书的传输。这些数据都最终会回到主控器中。开始开始系统初始化系统初始化使能相关中断使能相关中断网络建立成功网络建立成功 N侦听是否有信号 Y侦听是否有信号 N判断收到的信号 Y判断收到的信号收到的为数据帧收到的为Jion请求信号收到的为数据帧收到的为Jion请求信号读取采集数据建立连接，分配地址读取采集数据建立连接，分配地址数据通过485总线发送给主控器数据通过485总线发送给主控器图4.4数据中心程序流程图4.2.2RS-485通信程序设计数据中心通过通讯程序实现整个系统数据间的传输，在整个数据中心中，最常采用的就是RS-485总线通讯方式。也就是说，无线的温度变送器进行数据采集后，会根据协议的内容发送整个数据。具体的通讯模式如图图4.5所示。发射信号是第一步，只有使得485处于发送信号的状态，才能进行数据的发送，并且利用数据缓冲区进行数据的编写与寄存，并打包给数据中心进行判断，判断其完整性与有效性。调用SMPL-Send()开始开始使能485发送器使能485发送器配置发送数据的个数配置发送数据的个数清除发送标志位清除发送标志位写发送数据到写发送数据到数据寄存器数据发送成功 N数据发送成功 发送计数+1发送计数+1数据发送结束数据发送结束 N 结束结束图4.5通信程序流程图4.3路由节点软件设计路由器的节点设计也十分重要，这个节点在学术领域也称为范围的扩大节点。这个需要依赖一定的中心节点实现，并且这个中心节点会收到距离的限制，因此会增加该节点在其中的控制范围。该节点主要的进行模式如下，第一步是进行相关数据和硬件的初始化程序，随后发送中心数据来得到入网的请求。最后路由器节点加入会开始进行检测和数据的反馈发送。在进行此向程序的时候是不允许有其他的操作，只能进行设数据的接受与发送。该设计的软件流程图如图4.6所示。接收数据开始接收数据开始转发数据板级初始化转发数据板级初始化协议栈初始化协议栈初始化是否转发是否转发请求加入网络请求加入网络转发数据加入成功转发数据加入成功 N图4.6路由节点软件流程图5实验结果分析5.1温度变送器功耗测试本次实验需要对无限的温度变送器进行筛选，这个无限的变送器主要依靠采集电路和射频电路采集数据。这个数据采集需要进行温度数据的记录。数据通过射频进行中转与发送。根据实验，我们将不同功耗下的消耗电流进行记录，具体的电流数据如表5.1所示。表5.1不同模式的耗电测试功耗模式电流持续时间功耗PM270μA10s70mA正常工作32.1mA50ms1605mA从表5.1可以看出:无线温度变送器每天消耗的能量:P1=70+1065mA∗ms/cycle3600000ms/h使用武汉孚安特ER18505M锂亚硫酰氯电池，其额定电压为+3.6V，容量为2200mAh综合考虑电池的损耗，电池只有百分之八十的容量有效，可以计算出无线温度变送器的使用周期为(2200mAh/0.1675mA)*80%≈42682h≈437day。5.2温度变送器精度测试习用的正常通讯离不开无限温度的变送器，并且要对起进行极其精确的测试，一个是热力电阻的精确使用。可以使用准确度为0.005%的高