基于電力載波的智能溫度變送器

摘要：為達到工業(yè)應用的溫度信息傳送及監(jiān)測功能,，設(shè)計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對模擬溫度信號實施冷端補償、線性化和數(shù)字化,；通過電力載波技術(shù)完成信號調(diào)制,、傳輸和解調(diào)；最終由STM32單片機接收數(shù)據(jù)并實時顯示溫度值,，實現(xiàn)了電路系統(tǒng)設(shè)計,。電路系統(tǒng)驗證表明：系統(tǒng)具有不需重復布線、抗干擾能力強,、穩(wěn)定可靠,、測量范圍廣等優(yōu)點，實現(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,。
引言
　　智能測溫技術(shù)是智能時代的必然產(chǎn)物[1]。將智能測溫應用到工業(yè)領(lǐng)域,，可以實時對溫度進行正確測量,。智能溫度變送器利用微處理器代替?zhèn)鹘y(tǒng)溫度計對溫度進行識別、測量和數(shù)據(jù)加工[3],。鑒于微處理器的不間斷工作,、全方位無死角監(jiān)控等特點，豐富了智能工業(yè)的內(nèi)容,，有著廣泛的應用和發(fā)展前景,。電力載波技術(shù)通過工業(yè)電力線網(wǎng)來傳輸控制信號，實現(xiàn)對工業(yè)電力線網(wǎng)上的工業(yè)設(shè)備的智能監(jiān)控,。同時,，電力載波具有無輻射、無需重新布線,、節(jié)能環(huán)保,、簡單易用等特點，為智能溫度變送器提供了新的解決方案,。
　　為達到工業(yè)應用的溫度信息傳送及監(jiān)測功能,，本文設(shè)計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對模擬溫度信號實施冷端補償,、線性化和數(shù)字化；其次通過電力載波技術(shù)完成信號調(diào)制,、傳輸和解調(diào),；最終由STM32單片機接收數(shù)據(jù)并實時顯示溫度值。
1系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　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)計是基于K型熱電偶、MAX6675及STM32單片機進行的,；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DSSS調(diào)制實現(xiàn)信號的過零調(diào)制及解調(diào)；溫度由另一端的STM32單片機接收數(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
　　溫度采集部分是利用熱電偶傳感器的熱電效應原理實現(xiàn)的[4],。K型熱電偶[5]由于其熱電動勢大,、靈敏度高、均勻性和線性強以及其性價比高等諸多優(yōu)點,，被廣泛運用到工業(yè)測量當中,。
　　使用熱電偶所得到的溫度信息是模擬小信號，需要對其進行A/D變換,，輸送給STM32單片機系統(tǒng),。溫度信號的A/D變換利用MAX6675芯片實現(xiàn)。MAX6675溫度分辨率高達0.25℃,，冷端補償范圍寬至-20~+80℃,，工作電壓為3~5V,，兼具冷端補償和線性矯正的優(yōu)點,，它可以直接將溫度信號轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量。其內(nèi)部包含了信號放大器,、12位A/D轉(zhuǎn)換器,、冷端補償傳感和校正、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勢的主要因素,，并且熱電偶熱端接觸測量設(shè)備，冷端被封裝在芯片內(nèi)部,，其通過熱電動勢效應測量出的電勢差并非對應0電壓,。因此，要想確保測量結(jié)果的正確性,，就必須在A/D變換的過程中保持冷端溫度的恒定,，即冷端補償。
　　芯片內(nèi)部采用熱敏電阻測量環(huán)境溫度，并轉(zhuǎn)換為電壓,。將放大的熱電偶電勢差（測量溫度）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,，進行采樣、量化,、編碼形成正確的數(shù)字信號,，從而實現(xiàn)冷端補償和A/D變換，確保溫度信號的正確性,。
3微處理器電路設(shè)計
　　在溫度轉(zhuǎn)換過程中,，選用STM32作為處理器，需要接收來自MAX6675的16位數(shù)字信號并計算得到實際溫度值,，因此將MAX6675的數(shù)據(jù)輸出引腳S0與STM32的MISO接口PB14相連,。MAX6675的片選信號與時鐘信號都由STM32提供，需將STM32的片選引腳PB12和時鐘引腳PB13分別與芯片的CS和SCK相連,。具體連接線路如圖3所示,。
 
　　MAX6675的工作時序如下：當CS引腳從低電平變?yōu)楦唠娖綍r，MAX6675進行信號轉(zhuǎn)換,。當CS從高電平變成低電平時,，MAX6675停止信號轉(zhuǎn)換，并以SCK時鐘為基準通過SO管腳對外發(fā)送數(shù)據(jù),；在CS由高變低時,，SO串行輸出16位數(shù)據(jù)，每個時鐘下降沿輸出一位,。D15始終無用,，D14~D3為從MSB到LSB排列的熱電偶電壓模擬量轉(zhuǎn)化而來的數(shù)字信號，D2用于檢測熱電偶是否斷線（熱電偶工作時為0,，熱電偶斷開時為1）,，D1為標識符，D0為三態(tài),。熱電偶斷線檢測時,，T-必須接地，并使其盡可能接近GND引腳,。同時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溫度信號傳輸設(shè)計
　　電力載波是將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g(shù)[7],，其最大特點是利用現(xiàn)有電力線,，不需重新架設(shè)網(wǎng)絡，就能進行數(shù)據(jù)傳遞,。電力載波電路如圖4所示,。
 
　　整個電力載波溫度信號傳送電路由發(fā)送和接收兩部分組成,，兩部分均由單片機和電力載波電路實現(xiàn)功能[8]。利用電力線作為接收和發(fā)送部分的載體,，實現(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)字信號通過串口發(fā)送至電力載波電路A,，A將數(shù)字信號進行DSSS調(diào)制送上電網(wǎng),。與此同時，電力載波電路B從電網(wǎng)上截取調(diào)制信號,，同樣通過DSSS解調(diào)方式還原信號并通過串口發(fā)送至STM32（乙）,。STM32（乙）將接收到的數(shù)字信號線性轉(zhuǎn)換為十進制溫度，再通過串口在PC端或通過LCD屏實時顯示在接收端,。串口通信統(tǒng)一設(shè)為波特率9600bps,，無校驗位。
5軟件設(shè)計
　　當系統(tǒng)開始工作時,，首先STM32對其內(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）在接收溫度信號時，拉低片選信號讀取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進行或操作,，得到一個完整的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。當兩重判斷都成立時,，即可通過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，通過電力載波電路B接收調(diào)制信號并解調(diào)恢復,，在STM32（甲）的LCD屏或者與STM32（乙）連接的PC端實時顯示,，以達到遠端監(jiān)測工業(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)測試
　　考慮到在一個標準大氣壓下，沸水溫度穩(wěn)定在100℃，故將沸水100℃作為實驗室測試該溫度變送器的環(huán)境條件,。為了檢測電力傳輸距離,，將STM32（甲）和STM32（乙）分布在約100m遠的220V電力線兩端，實時測試沸水溫度,。整個系統(tǒng)工作正常,，與STM32（甲）連接的LCD顯示屏顯示實時測量溫度為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
　　與傳統(tǒng)的模擬溫度變送器相比，本文設(shè)計的智能溫度變送器有強抗擾,、強抗衰,、遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點，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)域的測溫系統(tǒng)提供一種全新可選擇方案。同時,，它無需重新架設(shè)線纜,，體現(xiàn)出極高性價比，具有巨大的實際應用價值,。