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  • 标题一. 热敏电阻总体说明 本简述是说明 NTC热敏电阻器对温度的测量。热敏电阻器把温度的变化转换为电阻阻值...Positive Temperature Coefficient 简称 PTC热敏电阻有电阻值随温度升高而降低的负温度系数Negative Temp

    标题一. 热敏电阻总体说明

    本简述是说明 NTC热敏电阻器对温度的测量。热敏电阻器把温度的变化转换为电阻阻值的变化, 再应用相应的测量电路把阻值的变化转换为电压的变化;然后通过芯片或处理电路,可以把模拟的电压值转换为数字信号,对数值信号进行处理可以得到相应的温度值。也就音特公司常提到的模数转换.

    1.1 热敏电阻器热敏电阻有电阻值随温度升高而升高的正温度系数
    Positive Temperature Coefficient 简称 PTC热敏电阻有电阻值随温度升高而降低的负温度系数Negative Temperature Coefficient简称 NTC 热敏电阻。NTC 热敏电阻器,是一种以过渡金属氧化物为主要原材料,采用电子陶瓷工艺制成的热敏半导体陶瓷组件。这种组件的电阻值随温度升高而降低,利用这一特性可制成测温、温度补偿和控温组件,又可以制成功率型组件,抑制电路的浪涌电流。
    电阻温度特性可以近似地用下式来表示:热敏电阻温度特性
    公式中:RT、RN分别表示NTC在温度T(K)和额定额定温度TN (K)下的电阻值,单位Ω,T、TN 为温度, 单位K(TN(k)=273.15+TN(℃))。B,称作B值,NTC热敏电阻特定的材料常数(Beta)。由于B值 同样是随温度而变化的,因此NTC热敏电阻的实际特性,只能粗略地用指数关系来描述,所以这种方法只能以一定的精度来描述额定温度或电阻值附近的有限的范围。但是在实际应用中,要求有比较精确的 R-T 曲线。要用比较复杂的方法(例如用 The Steinhart-Hart 方程),或者用表格的形式来给定电阻/温度关系。
    下表是选用 NTC热敏电阻器 MF52-502F3950B,基于精确的R-T 曲线,来对温度进行精确的测量。
    1.2 电阻-温度关系如表A1 所示
    NTC 热敏电阻器 MF52-502F3950B 各温度点的电阻值,即电阻-温度关系表。从提供的电阻-温度关系表中可以 看出 NTC 热敏电阻器MF52-502F3950B的测温范围为 [-55℃,125℃],其电阻值的变化范围为[250062Ω,242.64Ω]。
    表A1MF52-502F3950B所示:热敏电阻数据
    热敏电阻数据

    热敏电阻数据
    热敏电阻数据
    1.3数值处理
    通过表 A1 电阻-温度关系表可以很直观的看到电阻的变化范围从 242.64Ω到 250062Ω,在-55℃的时候其表现出的电阻值是 125℃时所表现的电阻值的 1030 倍,这么大的变化范围也为模数转换测量带来了困难。
    测量电路如下图所示。热敏电阻测量电路
    如上图所示 NTC 热敏电阻 Rv 和测量电阻 Rm(精密电阻)组成一个简单的串联分压电路,参考电压VCC_Ref 经过分压可以得到一个电压值随着温度值变化而变化的数值,这个电压的大小将反映出NTC 电阻的大小,从而也就是相应温度值的反映。 通过欧姆定律可以得到输出电压值Vadc 和 NTC 电阻值的一个关系表达式1:电压值与电阻值转换
    那么接下来的数据处理将基于式上式展开:查出处理芯片也称模数转换器 ADC 的精度,其参考电压为 5V,因此这里可以选择 Vref=5V。各温度点对应的 ADC 转换后的数字量可以计算。
    表达式2.
    Dadc = 1024Vadc/5V
    结合表达式1和表达式2,可以得出表达式3:
    Dadc = 1024
    Rm/(Rv+Rm)

    如果这里取 测量电阻Rm 选择4.7KΩ,那么可以计算出:
    在- 55℃时 所对应的 Dadc = 10241000/(250062+1000) = 4;
    在 125℃时 所对应的 Dadc= 1024
    1000/(242.64+1000)= 824。
    根据这样的对应关系对数据进行预处理,得到如下处理结果如下数据所示:
    atic const Int16 NTCTAB2[181] =
    {19,20,21,22,23,24,26,27,29,30,32,34,36,38,40,42,44,47,49,52,55,57,61,64,67,71,74,78,82,86,90,95,99,104,109,114,120,150,156,161,168,172,180,187,194,201,208,215,222,230,238,247,255,264,272,280,291,302,310,319,328,338,347,357,367,376,384,395,405,414,424,434,444,453,464,474,484,494,502,512,522,531,540,551,560,569,579,586,595,604,613,624,633,642,650,658,666,673,680,688,696,704,712,719,726,733,741,749,755,760,767,774,780,785,791,798,804,811,816,821,827,832,837,842,847,851,856,862,868,873,856,860,864,868,872,876,879,883,886,890,893,896,899,902,905,908,911,914,917,919,922,924,927,929,931,934,936,938,940,942,944,946,947,949,951,953,954,956,958,959,961,962,964,965,966,968,969,970,971,973,974};//4.7K

    重要说明:
    这个表格是应用中所需要的一个很重要的转换表,这一部分是事先制作好的表格,将为接下来的处理提供参考依据。测量电阻 Rm 的选取是有一定的规律的,在实际的应用中不一定都需要测量全程温度,可以估算出大致的温度范围。本着提高测量精度的宗旨:如果是应用在测量低温的系统中建议 Rm 选择较大 的电阻(10KΩ),如果在测量较高温的系统中建议 Rm 选择较小的电阻(1KΩ)
    等。
    1.4线性插值****
    在ADC 进行数据采集的过程中不可能每一个数值都在整温度所对应的 ADC 数值上,所以如果在两个数据的中间一段就要对其进行进一步的精确定位。这样就必须知道采集到的数据在数据表中的具体位置,因此要对数据表进行搜索、查找。线性表的查找(也称检索),可以有比较常见的顺序查 找、折半查找及分块查找等方法,分析线性数据表可以得到折半查找的算法是比较高效的。
    例如:如果 ADC 采样的数值为 Dadc = 360,即 357<Dadc<367,那幺温度值就绝对不是一个 整数值了,怎么来得到具体的温度值呢!可以运用简单可行的线性插值来对付类似的情况。 插值求得温度值实际就是用直线 L 拟和温度曲线 T,这样的做法虽然难免的有一定的误差,但是可以控制在允许的范围内的,线性插值原理如下图所示。
    已知点(X1,Y1)和点(X2,Y2)求(Xi,Yi)。 由两点可以得到直线L 的方程式:
    直线L 的方程式
    点(X1,Y1)和点(X2,Y2)为相邻两温度点,所以 X2-X1=1那么由式上式可得:方程式
    这样通过 ADC采样来的 Dadc(Y1)数值带入式X上式中,可以求得相应的温度值。 插值计算出来的数值肯定是小数,那幺需要对数值进行特殊的处理:基于定点计算的思想,把
    数据首先规格化,把小数点定在第六位即计算数值放大64倍参与计算,当然在计算后的温度数据也应该是真实数值的64倍,所以需要 X/64得到的数值为实际测量到的温度值。把小数点定的位数越 高表示的精度越高。
    这样的插值计算实际上是分段的, 用直线段来模拟温度曲线, 因此在处理的过程中分段越细致拟和的曲线就越接近实际温度曲线。
    二.软件部份 (本司不做详细说明)
    应用例程序部分主要针对 NTC热敏电阻测量温度的应用,其中最主要的是使用 ADC模块对信号的采集和处理,从而得到温度数值。
    三. 硬件原理图
    硬件原理图,如下图所示。显示部分电路原理图为示意图。热敏电阻硬件原理图
    音特电子研发组
    音特电子更多电路保护元器件解决方案与技术支持:www.yint.com.cn

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  • 思迈科华针对热电阻温度传感器温度采集的方案 热电阻简介 这里主要介绍一下铂热电阻,Pt100是铂热电阻,它的阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为:当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆,在100℃时...

    思迈科华针对热电阻温度传感器温度采集的方案

    热电阻简介

    这里主要介绍一下铂热电阻,Pt100是铂热电阻,它的阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为:当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆,在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理:当PT100在0摄氏度的时候,它的阻值为100欧姆,它的阻值会随着温度上升而成匀速增长。
    国标热电阻主要接线方式有三种:
    二线制:在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制:这种引线方法很简单,但由于连接导线必然存在引线电阻R,电阻R的大小与导线的材质和长度的因素有关,因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。
    三线制:在热电阻根部的一端连接一根引线,另一端连接两根引线的方式称为三线制,这种方式通常与电桥配套使用,可以较好的消除引线电阻的影响,三线制是工业过程控制中最常用的引线电阻。
    四线制:在热电阻根部两端各连接两根导线的方式称为四线制,其中两根引线为热电阻提供恒定电流I,把R转换成电压信号U,再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响,主要用于高精度的温度检测。

    温度变送器

    当使用热电阻进行温度采集时,思迈科华公司这里提供的是USB-3000系列的数据采集卡进行温度的采集(数据采集卡最通用最常见的接收信号就是电压信号)。热电阻PT100传感器输出类型属于电阻型,随着温度的升高电阻值增大,所以就需要温度变送器将热电阻的电阻变化转换成采集卡能识别的标准信号,通常是转换成电压与电流信号,这里选用的温度变送器是将电阻变化转换成电压信号。如图1.1温度变送器。
    在这里插入图片描述

                                            图1.1温度变送器
    

    数据采集卡与温度变送器的连线

    这里主要说明能够输出标准电压的温度变送器与数据采集卡连线的问题。这里使用的温度变送器有6个端子,分别是给温度变送器供电的电源正,电源负(电源地),A端子,两个B端子,还有输出端子(标准电压的输出的接口)。需要为温度传感器选择一个合适的电源(具体电源大小需要根据温度变送器的手册来选择),这里采用的是三线制接线方式,具体接线方式参考热电阻简介。然后按照图1.2进行连线。下图使用的是温度变送器输出电压形式给出的接线图,可以适配通用数据采集卡。如果使用的温度变送器是输出4—20ma电流,接线就需要参考思迈科华官网知识库里采集卡采集电流数据专题。
    链接:http://www.smacq.cn/knowledge/typical/current.html。

    在这里插入图片描述

                                            图1.2数据采集卡与温度变送器连线
    

    这里对于数据采集卡与温度变送器连线有以下说明,通常给温度变送器供电,会忽略温度变送器供电电源是否与数据采集卡共地。如果不共地,那么温度变送器相对采集卡就是浮空源,所以需要按照图1.2来进行连线,将AI Sense与AGND进行短接。如果能够确定采集卡与温度变送器共地,就可以不必对AI Sense与AGND进行短接,电源负直接就可以与AI Sense连接就可以。关于浮空源与接地源具体接线的方法需要参考USB-3000系列手册。
    数据采集卡软件操作
    首先在使用温度变送器之前,需要了解所使用温度变送器的一些重要参数,要了解选用的温度变送器是否符合热电阻型号,温度变送器的电源供电电压,温度范围,输出电压是多少。在这里,思迈科华公司实际做测验的时候,选用的是供电电压为24V,温度取值范围是-50℃—400℃,输出电压0V—10V的温度变送器。
    接下来进入思迈科华公司的Smacq DAQ Software设置界面,设置软件采用的单端模式,选取的是AI 0通道进行数据采集。量程选用的是±10.24V,采样率选用的是10Sa/s/ch(在实际采集中可以依据实际情况和采集卡已有的采样率来设定),然后需要设定温度变送器的量程与输出电压,如图1.3温度变送器参数。
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                                          图1.3温度变送器参数
    

    如果需要采集卡采集的电压信号转换成温度,这里可以勾选单位变换。如图1.4采集卡采集的电压曲线,如图1.5采集卡经过单位变换采集的温度曲线。
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                                           图1.4 电压曲线
    

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                                            图1.5 温度曲线
    

    这样就可以得到采集卡所采集到的电压曲线和温度曲线,然后也可以利用思迈科华公司提供的软件功能对采集到的数据进行导出,得到采集的电压与温度生成的Excel表格形式的数据。关于数据采集卡软件操作请参考 《Smacq DAQ Software 快速使用指南》。

    远程IO模块对热电阻进行数据采集

    上述方案是针对数据采集卡USB-3000系列制定的热电阻温度采集,当然还有另一套热使用热电阻对温度进行数据采集的方案,它是思迈科华公司推出的M2100系列的M2111远程IO模块,M2100系列温度采集远程IO模块是基于Modbus RTU标准协议的计算机接口模块。可支持两种热电阻类型分别是PT.CU,数据接口是RS-485(2线),具体信息可以参考思迈科华公司官网的产品手册。由于现在的PC机已经很少有485接口,思迈科华公司提供了SDS1000串口转换器,它使用USB标准协议,可以支持RS-232和RS-485的转换。

    远程IO模块M2111与热电阻PT100的连线图

    首先使用的是SDS1000串口转化器和M2111远程IO模块,还有一个供电电源设备,M2111供电电压是9V—30V。如图1.6IO模块与热电阻连接示意图。
    在这里插入图片描述

                                         图1.6 IO模块与热电阻连接示意图
    

    以上连接就是思迈科华公司对热电阻温度采集,给出的远程IO模块搭建的温度采集系统的连线示意图。(需要注意的是接线时不要将485接口线接反,而且注意热电阻的接线方式,这里采用的是三线制接线方式)接线正确后,就可以操作思迈科华公司提供的软件进行温度采集。

    远程IO模块M2111的软件操作

    首先根据远程IO模块的型号参考产品手册下载远程IO 模块对应的软件M Console,在能识别串口和通讯的基础上,要设置跟远程IO模块产品型号相关的参数,具体设置可以参考IO模块的产品手册。以下示意图是思迈科华公司在测试产品时的软件设置及热电阻PT100温度采集的样例。
    在这里插入图片描述

                                          图1.7基本参数设置
    

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                                         图1.8 温度采集界面
    

    也可以点击主页面的数据记录表Data logger,选择要记录温度的通道进行数据采集,然后设置文件生成的地址,就可以实时显示采集到的温度的数据,而且采集的温度数据可以生成.CSV格式的表格,方便用户进行数据分析。如图2.0数据波形。
    在这里插入图片描述

                                          图 2.0数据波形
    

    以上就是思迈科华公司针对热电阻温度传感器对温度采集给出的两种方案,客户可以根据自身实际情况以及所需功能来自行选择数据采集卡或M2111远程IO模块。

    有更多关于数据采集方面的问题与想法可以关注思迈科华公司官网和公众号
    http://www.smacq.cn/daq.html
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  • 思迈科华公司针对电偶温度传感器温度采集的方案 热电偶简介: 热电偶(thermocouple)是温度测量仪表中常用的测温元件,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的...

    思迈科华公司针对电偶温度传感器温度采集的方案

    热电偶简介:

    热电偶(thermocouple)是温度测量仪表中常用的测温元件,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。各种热电偶的外形常因需要而极不相同,但是它们的基本结构却大致相同,通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成,通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。
    热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势——热电动势,这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect)。两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的一端为工作端,温度较低的一端为自由端,自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的,不同的热电偶具有不同的分度表。
    热电偶的技术优势:热电偶测温范围宽,性能比拟稳定;丈量精度高,热电偶与被测对象直接接触,不受中间介质的影响;热响应时间快,热电偶对温度变化反响灵活;丈量范围大,热电偶从-40℃—+ 1600℃ 均可连续测温;热电偶性能牢靠,机械强度好。运用寿命长,装置便当。图1.1常用热电偶。
    在这里插入图片描述

                                          图1.1常用热电偶
    

    热电偶常见种类

    现在经常使用的热电偶都是标准热电偶,所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为中国统一设计型热电偶。
    当工作中用到热电偶测温时,需要根据使用环境的温度范围,所需精度,使用气氛,测定对象的性能,相应时间和经济效益等综合考虑。具体型号需要和热电偶厂家沟通。
    温度变送器
    当使用热电偶进行温度采集时,思迈科华公司这里使用的是USB-3000系列的数据采集卡进行温度的采集(数据采集卡最通用最常见的接收信号就是电压信号)。由于热电偶测温时,其冷端温度受环境影响较大,会影响到测量的电信号,为了得到稳定的电信号,需要对热电偶进行了冷端补偿。热电偶的测温原理是基于热电效应转换,虽然它集放热,转换为一体,能直接实现温度到电压的输出,但输出幅度较小,如K型热电偶的灵敏度位0.04mv/℃,因此需要信号的放大。而温度变送器很好的能够解决上述两点问题。如图1.2温度变送器。
    在这里插入图片描述

                                            图1.2温度变送器
    

    数据采集卡与温度变送器连线

    这里主要说明能够输出标准电压的温度变送器与数据采集卡的连线问题。在这里采用的温度变送器有5个端子,分别是给温度变送器供电的电源正,电源负(电源地),热电偶正极,热电偶负极,还有输出端子(标准电压的输出的接口)。需要为温度传感器选择一个合适的电源(具体需要根据温度变送器的手册来选择),然后按照图1.3进行连线。下图使用的是温度变送器输出电压形式给出的接线图,可以适配通用数据采集卡。如果使用的温度变送器是输出4—20ma电流,接线就需要参考思迈科华官网知识库里采集卡采集电流数据专题,链接:http://www.smacq.cn/knowledge/typical/current.html。
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                                      图1.3 数据采集卡与温度变送器连线
    

    这里对于数据采集卡与温度变送器连线有以下说明,通常给温度变送器供电,会忽略温度变送器供电电源是否与数据采集卡共地。如果不共地,那么温度变送器相对采集卡就是浮空源,所以需要按照图1.3来进行连线,将AI Sense与AGND进行短接。如果能够确定采集卡与温度变送器共地,就可以不必对AI Sense与AGND进行短接,电源负直接就可以与AI Sense连接就可以。关于浮空源与接地源具体接线的方法需要参考USB-3000系列手册。

    数据采集卡软件操作

    首先在使用温度变送器之前,需要了解所使用温度变送器的一些重要参数,要了解选用的温度变送器是否符合热电偶型号,温度变送器的电源供电电压,温度取值范围,输出电压是多少。在这里,思迈科华公司实际做测验的时候,选用的是供电电压为24V,温度取值范围是-50℃—400℃,输出电压0V—10V的温度变送器。
    在外部设备接线正确的情况下,进入思迈科华公司的Smacq DAQ Software设置界面,设置软件采用的单端模式,选取的是AI 0通道进行数据采集。量程选用的是±10.24V,采样率选用的是10Sa/s/ch(在实际采集中可以依据实际情况和采集卡已有的采样率来设定),然后设定温度变送器的量程与输出电压,所以说温度变送器的一些重要参数需要根据产品手册来了解,图1.4温度变送器参数。
    在这里插入图片描述

                                           图1.4温度变送器参数
    

    如果想要实现采集卡采集的电压信号转换成温度,这里勾选单位变换。如图1.5采集卡采集的电压曲线,如图1.6采集卡经过单位变换采集的温度曲线。
    在这里插入图片描述

                                             图 1.5电压曲线
    

    在这里插入图片描述

                                             图1.6温度曲线
    

    这样就可以得到采集卡所采集到的电压曲线和温度曲线,然后也可以利用思迈科华提供的软件功能对采集到的数据进行导出,得到采集的电压与温度生成的Excel表格形式的数据。关于数据采集卡软件操作请参考 《Smacq DAQ Software 快速使用指南》。

    远程IO模块对热电偶进行数据采集

    上述方案是思迈科华公司关于数据采集卡USB-3000系列制定的热电偶温度采集,当然还有另一套热电偶对温度进行数据采集的方案,它是思迈科华公司推出的M2100系列的M2101远程IO模块.M2100系列温度采集远程IO模块是一组基于Modbus RTU标准协议的计算机接口模块。它有8种热电偶类型支持,8个热电偶采集通道,数据接口是RS-485(2线),具体信息参考思迈科华公司官网的产品手册。由于现在的PC机已经很少有485接口,思迈科华公司提供了SDS1000串口转换器,它使用USB标准协议,可以支持RS-232和RS-485的转换。

    远程IO模块M2101与热电偶的连线图

    首先使用的是SDS1000串口转换器和M2101远程IO模块,还有一个供电电源设备,M2101供电电压是9V—30V,。如图1.7IO模块与热电偶连接示意图。

    在这里插入图片描述

                                      图1.7 IO模块与热电偶连接示意图
    

    以上连线就是思迈科华公司对热电偶温度采集,给出的远程IO模块搭建的温度采集系统的连线示意图。(需要注意的是接线时不要将485接口线接反,而且注意热电偶分正负极。)接线正确后,就可以操作思迈科华公司提供的软件进行温度采集。

    远程IO模块M2101的软件操作

    首先根据远程IO模块的型号参考产品手册下载远程IO 模块对应的软件M Console,在能识别串口和通讯的基础上,要设置跟远程IO模块产品型号相关的参数,具体设置可以参考IO模块的产品手册。以下示意图是思迈科华公司在测试产品时的软件设置及热电偶温度采集的样例。
    在这里插入图片描述

                                          图1.8 基本参数设置
    

    这些都是需要设置的,在设置完这些基本参数后,需要点击功能配置键Function Config 来选取采样率,以及对应的热电偶型号,点击RUN就可以进行温度采集了。就可以看到实时采集到的温度,如图1.9温度采集界面。
    在这里插入图片描述

                                          图1.9 温度采集界面
    

    也可以点击主页面的数据记录表Data logger,选择要记录温度的通道进行数据采集,然后设置文件生成的地址,就可以实时显示采集到的温度的数据,而且采集的温度数据可以生成.CSV格式的表格,方便用户进行数据分析。如图2.0数据波形。
    在这里插入图片描述

                                          图2.0 数据波形
    

    以上就是思迈科华公司针对热电偶温度传感器对温度采集给出的两种方案,客户可以根据自身实际情况以及实际所需功能来自行选择据采集卡或M2101远程IO模块。

    有更多关于数据采集方面的问题与想法可以关注思迈科华公司官网和公众号
    http://www.smacq.cn/daq.html
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  • 摘要:针对广阔空间环境温度采集系统对功耗及成本的要求,设计了基于无线传感网络技术的多点温度采集系统.以CC2430 为主控芯片,选用DS18B20 作为温度采集节点的传感器,基于ZigBee 协议栈构建无线网络实现主从节点...
    摘要:针对广阔空间环境温度采集系统对功耗及成本的要求,设计了基于无线传感网络技术的多点温度采集系统.以CC2430 为主控芯片,选用DS18B20 作为温度采集节点的传感器,基于ZigBee
     协议栈构建无线网络实现主从节点之间数据的采集与传输,利用串口通信技术与PC 机通信,并编程实现数据处理、存储与显示。
    

      1 引言

      随着生产技术的提高, 环境温度指标越来越多的影响到生产效率、能源消耗和生活水平。不管是工业、农业、军事及气象领域, 还是日常生活环境, 都需要对温度进行监测。因而,设计可靠且实用的温度采集系统显得非常重要。

      在传统的温度采集系统中, 节点一般采用有线连接方式, 布线繁琐, 扩展性和可移植性较差。尤其对于广阔空间环境中的温度采集,如果采用有线方式其成本和功耗都比较高。而ZigBee 作为一种新兴的短距离、低功耗、低成本的无线通信技术, 能广泛应用于工业控制、消费电子、家庭自动化、医疗监控各种领域。

      本文设计了一种基于ZigBee 无线技术的多点温度采集系统, 实现了主从节点间数据的无线传输, 同时上位PC 机采用串口与主节点通信,并建立温度数据库,实现了数据的统一管理。该系统具有扩展性好、稳定可靠、维护方便等特点。

      2 系统整体概述

      本文设计的温度采集系统结构如图1 所示。系统采用ZigBee 星型网络拓扑结构,建立了一个主节点,四个从节点的无线传感网络,实现数据的无线传输。各个从节点连接数字温度传感器DS18B20 定时采集环境温度,并通过无线传感网络将数据依次向主节点发送,主节点收到数据后通过串口传给上位PC 机,上位机将采集的数据存入数据库, 对数据进行分析处理, 并在监控界面显示温度实时变化曲线。

     
     

    图1 温度采集系统结构图

      3 系统硬件设计

      3.1 主节点硬件设计

      选择CC2430 作为主节点的处理器,该芯片是全球首款支持ZigBee 协议的片上系统(SOC)解决方案,集成了一个8051MCU 内核以及符合IEEE802.15.4 规范的2.4GHz 的无线收发器。芯片内部有8kb 的RAM,可选32/64/128kB 的Flash 存储单元,包含模拟数字转换器定时器、看门狗定时器、AES128 协处理器等,同时提供了2 个UART 接口以及21 个可编程I/O 引脚。该芯片具有高度集成性和丰富的硬件资源,使得外围电路的设计变得十分简单。

      主节点是整个网络的协调器,作为全功能设备(FullFunction Device,FFD),负责网络组建和维护、温度采集数据无线接收、与上位PC 机串口通信。因此采用CC2430-F128(128kB Flash)芯片,并在CC2430 典型应用电路的基础上扩展串行通信接口,选用MAX3232 芯片实现TTL 与RS232 电平转换。ZigBee 主节点的硬件电路如图2 所示。



    图2 ZigBee 主节点电路

      3.2 从节点硬件设计

      从节点主要负责温度采集和数据无线传输, 可作为简化功能设备(Reduced Function Device,RFD),以降低功耗和成本。芯片采用CC2430-F32(32kB Flash),其硬件电路和主节点大致相同, 只是去掉了串口通信电路,同时在从节点芯片的I / O 口上接入多个温度传感器DS18B20 以实现多点温度数据的采集。

      DS18B20 是“单总线数字温度传感器,其测量温度范围为-55℃~+125℃,支持3~5. 5V 电压供电, 主要由四部分组成:64 位光刻ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器和配置寄存器。ROM 中的64 位序列号出厂前已光刻固化,每个传感器的序列号都是唯一的,因此可以在一根总线上挂接多个DS18B20,能极大减少I/O 口的占用。本系统中用DS18B20 进行多点温度采集时,传感器与从节点的CC2430 的连接形式如图3 所示。


    图3 温度传感器节点连接图

      由于ZigBee 设备功耗很低,并且能设置成定时睡眠模式以进一步省电,而DS18B20 本身功率也非常小,所以本系统中的主、从各节点均采用2 节1.5V 电池供电即可满足实际需要。

      4 系统软件设计

      4.1 温度传感器数据采集

      DS18B20 可设定9~12 位的分辨率,本系统采用12位分辨率,转换精度为0. 0625℃,转换温度信号所需最长时间为750ms。温度数据由2 字节组成,以符号扩展的二进制补码形式存储,最低4 位是小数部分,中间7 位是整数部分, 1 位符号位。

      DS18B20 内部RAM 由9 个字节的高速缓存器和E2PROM 组成,前2 个字节即为温度数据。通过复位指令、ROM 和RAM 功能命令,即可完成对指定DS18B20温度数据的采集和读取, 所有读写操作都是通过与CC2430 的I/O 口连接的DQ 引脚完成。

      在一线制总线上串接多个DS18B20 器件时,需要先发送跳过ROM 指令,将所有传感器都进行一次温度转换,之后通过匹配ROM 依次读取每个传感器的温度数据,实现对单I/O 口上的多个DS18B20 器件的操作。整个温度采集的流程如图4 所示。



    图4 DS18B20 温度采集流程图

      4.2 ZigBee 无线组网及数据通信

      ZigBee 通信协议采用分层结构,节点通过在不同层上的特定服务来完成所要执行的各种任务。本系统采用TI 提供的ZigBee2006 协议栈Z-Stack,在IEEE 802.15.4 标准物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)基础上增加了网络层、应用层和安全服务规范,是一种较好的无线传感网络组建方案。

      ZigBee 设备类型按网络功能分为三种:协调器、路由器、终端。由于本系统采用星型网络拓扑结构,所以只存在协调器和终端两种设备。

      本系统中主节点被初始化为网络协调器。协调器包含所有的网络消息, 存储容量最大、计算能力最强。

      它的功能是发送网络信标、建立网络、管理网络节点、存储网络节点信息、收发信息。

      从节点被初始化为无信标网络中的终端设备。上电复位后,即开始搜索指定信道上的网络协调器,并发出连接请求。建立连接成功后, 从节点将得到一个16 位的网络短地址,并采用非时隙CSMA-CA 机制,通过竞争取得信道使用权,向主节点发送数据。各从节点每30 秒读取一次I/O 接口上多片温度传感器数值, 同时开启睡眠定时器,当数据发送成功后该节点立即进入睡眠状态,最大程度地降低功耗, 延长从节点的电池使用时间。

      数据包的格式由从节点串接的DS18B20 的数量决定,每个DS18B20 传输的数据长度定义为3 字节,第1 字节为标识符,包括从节点编号,CC2430 的I/O 口编号以及此温度传感器的编号, 后2 个字节为温度采集数据。

      主节点收到数据包后, 对数据进行分析处理, 把从节点上的每个温度传感器的数据采集值进行转换,得到实际的温度值,然后发送给上位PC 机。主从各节点的组网及通信流程如图5 所示。


    图5 主从节点组网通信流程图

      4.3 PC 机串口通信及监控


    图6 上位机软件运行界面

      上位机采用VB 编程语言编写串口通信及数据库程序,在工程中添加MSComm 控件实现串口传输和接收数据[4]。使用ADO 对象连接Access 数据库,将当前数据存入数据库中,将控件Pictur eBox 作为容器,实现曲线图的动态显示,此过程涉及到曲线、坐标轴、格线和坐标刻度的消隐和重绘。消隐的实现主要用背景色重绘曲线和网格线, 并覆盖坐标刻度数字, 重绘实时曲线和坐标轴网格线通过Li n e 方法来实现, 坐标轴刻度、标签、图标等的标注使用Print 方法实现[5]。

      当程序开始运行后, 打开串口, 就可将接收到的实时数据加入到各节点的历史温度数据库,同时可以从运行界面看到历史温度变化曲线。图表中曲线的最右端为当前温度, 点击节点按钮, 然后选中指定的温度数据框,即可查看对应传感器节点的温度历史数据和变化情况, 软件运行时的界面如图6 所示。

      5 结束语

      本文设计了一种基于ZigBee 技术的无线温度采集系统,采用CC2430 芯片设计主从节点,硬件结构精简、体积小、能耗低, 所组成的无线传感网络具有自组织,自适应的特点。通过实验调试,该温度采集系统达到了设计要求,效果良好。鉴于无线传感网络技术具有功耗低、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好、实现成本低等诸多优点, 可广泛应用于生产生活的各个领域, 尤其适用于数字家庭、智能大厦温度控制、小区安防监测等, 具有较好的通用性和应用前景。


     

    来源:http://www.360doc.com/content/11/1022/08/7906690_158127418.shtml

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