高精度智能鍋爐回水溫度采集系統(tǒng)的設計與開發(fā)

陳 哲

遼寧廣播電視大學 （沈陽 110034）

目前，我國北方絕大部分地區(qū)在冬季均采用鍋爐供暖來解決用戶用熱問題，因此，需要對用戶的回水溫度進行測量并上傳至上位機，并以此為依據(jù)對鍋爐的運行情況進行監(jiān)測和控制。盡管目前市場上的溫度測量系統(tǒng)眾多，且其生產(chǎn)水平無論在工藝還是在測量精度上都在不斷地提高，但高精度、寬量程以及多通道的溫度檢測儀，價格都十分昂貴，因此，本文設計了一種智能鍋爐回水溫度測量應用系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、測量精度高、量程寬等特點，具有一定的實用性和較高的社會推廣價值。

1 智能鍋爐回水溫度采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計

智能鍋爐回水溫度采集系統(tǒng)采用SyncMOS8952單片機作為主要控制單元，其軟硬件均采用模塊化結(jié)構(gòu)設計，各個模塊功能獨立設計，使系統(tǒng)的軟硬件維護和調(diào)試非常便利，且具有良好的兼容性和持續(xù)開發(fā)性，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能鍋爐回水溫度采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)首先采用Pt100傳感器與輔助測量電路對-40-100℃范圍內(nèi)的鍋爐回水溫度信號進行采集并轉(zhuǎn)換成0-5V電壓信號，再經(jīng)12位A/D轉(zhuǎn)換器MCP4204將模擬信號轉(zhuǎn)換成0-4095的數(shù)字信號，通過查分段線性插值表將其轉(zhuǎn)換成實際溫度值，系統(tǒng)可以采集8路溫度信號，測得溫度值精度可達0.1℃。另外，上位機通信模塊可將所采集溫度通過RS485總線上傳給上位機進行實時顯示和處理。與此同時，實時時鐘模塊能夠為系統(tǒng)提供實時時鐘，并可以通過上位機對時鐘進行校準，所連接的LED顯示屏模塊可以同時顯示實時時鐘和8路溫度值。

2 Pt100傳感器檢測模塊

本系統(tǒng)采用Pt100鉑電阻作為溫度傳感器，鉑電阻溫度傳感器在鍋爐回水這一具有氧化性且高溫環(huán)境下的物理和化學性質(zhì)都非常穩(wěn)定，因此，Pt100非常適合對鍋爐回水溫度進行測量。本系統(tǒng)所采用的Pt100溫度傳感器的長時間穩(wěn)定的重復性可達10-4K，明顯優(yōu)于其它溫度傳感器，這極大地提高了系統(tǒng)的測量精度。在本系統(tǒng)中，對傳感器的信號采集方式使用的是電橋方式，但由于在鍋爐回水溫度測量過程中，傳感器安裝位置一般距測量模塊較遠，當環(huán)境的溫度變化時，由于傳感器連接導線的電阻會隨之變化，因此，為了減小對測量結(jié)果的影響，系統(tǒng)采用三線制接線方法，如圖2所示。

圖2 測量電橋電路

圖3 MCP3204外圍電路

3A/D轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換模塊采用Microchip生產(chǎn)的MCP3204芯片，該芯片為帶有采樣保持電路的逐次逼近型（SRA）12位精度A/D轉(zhuǎn)換器，并可以編程配置為2路偽差分輸入偏置或4路單端輸入，其差分非線性度（DNL）和整體非線性度（INL）為±1LSB，芯片的最大轉(zhuǎn)換速率為200ksps，且芯片采用寬電壓（2.7-5.5V）、低靜態(tài)電流（500mA）設計，工作電流僅為320uA。由于系統(tǒng)所要測量的溫度為0-100℃，精度要求為0.1℃，所以MCP3204的12位精度足以滿足系統(tǒng)的要求，該芯片的外圍電路如圖3所示。

4 通信模塊電路

本系統(tǒng)與上位機的通信采用RS-485方式，接口設計采用MAX487芯片，在實際工作過程中，由于MAX487的接收靈敏度為±200mV，即當接收端的差分電壓大于＋200mV時，接收器輸出為高電平，若該電壓小于－200mV時接收器輸出為低電平，介于±200mV之間時接收器輸出為不確定狀態(tài)，因此，當該芯片的某個節(jié)點接收器在總線空閑、傳輸線開路或短路時會產(chǎn)生低電平，這將使串行接收器無法識別起始位，從而引起通信異常，為了解決此問題，系統(tǒng)在硬件上采用將MAX487芯片的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻，保證在發(fā)出有效數(shù)據(jù)時所有接收器都能接收到完整數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用半雙工通信方式，各節(jié)點間的通信通過雙絞線傳輸，因雙絞線的特性阻抗為120?，因此，系統(tǒng)在MAX487的始端和末端各接一個120Ω電阻以減少線路上傳輸信號的反射。由于系統(tǒng)無法保證各模塊上電或復位在同一時刻完成，如某個時刻MAX487處于發(fā)送狀態(tài)，這將占用通信總線而使其它模塊無法與主機進行通信，本系統(tǒng)在SyncMOS8952的P3.5端口與MAX487的DE端之間加接光耦TIL817，保證了系統(tǒng)上電復位時MAX487的DE端為低電平，有效解決了該問題。

5 溫度顯示模塊

本系統(tǒng)采用多個數(shù)碼管完成溫度顯示功能，并使用74HC595通過串入并出級聯(lián)對數(shù)碼管進行驅(qū)動，74HC595數(shù)據(jù)線通過SDAT輸入時鐘，SCLK信號使74HC95時鐘同步，最后再使用HOLD信號實現(xiàn)74HC595同步鎖存輸出。

6 溫度采集程序設計

本系統(tǒng)的溫度采集程序由四部分組成，即溫度采集、時鐘、顯示和上位機通信程序。

在溫度采集程序中，系統(tǒng)首先將Pt100采集的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換、濾波、查表和插值等步驟轉(zhuǎn)換成實際溫度值。MCP3204通過CD4051選擇相應的采集通道，讀出A/D值，并對A/D值進行濾波，最后取得A/D值，并通過處理得出測量溫度結(jié)果。系統(tǒng)通過CD4051進行通道切換，直至8路通道都采集完畢，在采集過程中的延時程序?qū)⑹笴D4051有足夠時間進行通道切換。

時鐘程序主要包括讀時鐘程序和校準時鐘程序，當串口接收到上位機發(fā)送的校準數(shù)據(jù)后，立即將校準標志位置1，然后執(zhí)行校準程序，讀時鐘部分采用單字節(jié)讀取模式，每次讀出一個字節(jié)，讀出的時間值以BCD碼表示，再將BCD碼轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)，并執(zhí)行顯示碼轉(zhuǎn)換程序。

顯示程序主要是將溫度值和時間值在LED顯示屏上顯示出來。單片機采用I/O口分別連接數(shù)據(jù)、時鐘和顯示允許信號，并通過74HC595芯片將顯示碼送至LED顯示屏完成顯示功能。

上位機通信程序的主要功能是將所測得的各路溫度值發(fā)送至上位機，系統(tǒng)采用RS-485通信方式，首先對溫度值進行編碼，每一幀數(shù)據(jù)都包括起始位字節(jié)、通道號字節(jié)、十位字節(jié)、個位字節(jié)、小數(shù)位字節(jié)、校驗字節(jié)及停止字節(jié)。系統(tǒng)中的校驗字節(jié)采用和校驗方式，每測量出一路溫度值就將其發(fā)送給上位機。

7 結(jié)語

理論與實驗表明，本系統(tǒng)對鍋爐回水溫度的采集具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、測量精度高和量程寬等特點。通過模塊化的結(jié)構(gòu)設計使系統(tǒng)的軟硬件維護和調(diào)試非常便利，為智能鍋爐回水溫度測量提供了一種比較理想的方法與解決方案。

[1]王祁.智能儀器設計基礎[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[2]魏學業(yè).傳感器與檢測技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2012.