基于TMP275的電機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)研究

李 陽，時(shí)維鐸，徐 磊，黃 峰

（南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037）

電機(jī)的溫度檢測(cè)與控制在工業(yè)生產(chǎn)中有著至關(guān)重要的作用，目前國(guó)內(nèi)缺乏針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控的系統(tǒng)。而電機(jī)超時(shí)、超負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)溫度急劇上升，輕則影響工業(yè)生產(chǎn)的安全性、穩(wěn)定性，重則直接醞釀巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由于電機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作時(shí)轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)[1]，無法實(shí)現(xiàn)有線測(cè)量，所以大多數(shù)電機(jī)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還以非直接接觸式的測(cè)量為主，但這些方法存在測(cè)量誤差大、延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)[2]。文中研究了一種基于TMP275的電機(jī)溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以MSP430為核心處理器，通過紅外無線發(fā)射模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)設(shè)備溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析得出該系統(tǒng)測(cè)量精度高，誤差小，響應(yīng)速度快，運(yùn)行可靠，可廣泛應(yīng)用于高精度儀器儀表控制系統(tǒng)中。

1 模塊電路硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以MSP430作為控制器，MSP430是一款超低功耗的單片機(jī)，采用+3.3 V供電，特別適合應(yīng)用與電池供電的長(zhǎng)時(shí)間工作場(chǎng)合。通過TMP275對(duì)電機(jī)內(nèi)部溫度進(jìn)行測(cè)量，送MSP430進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果送給固定在轉(zhuǎn)子上的紅外發(fā)射模塊。固定在定子上的紅外接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System of overall structure diagram

1.2 傳感器采集電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的TMP275數(shù)字式溫度傳感芯片，采用+3.3 V供電，同時(shí)集成I2C總線接口和16位AD轉(zhuǎn)換電路。在-55～+127℃的工作溫度范圍內(nèi)，TMP275數(shù)字傳感器僅產(chǎn)生+0.5℃的誤差；同時(shí)相對(duì)模擬型溫度傳感器，TMP275輸出的數(shù)字信號(hào)便于直接送給控制器進(jìn)行處理，避免了模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路的繁瑣與實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)。采集電路的設(shè)計(jì)如圖2所示，其中A2、A1、A0是它的地址引腳，工作時(shí)將它們同時(shí)接地。芯片將采集的溫度轉(zhuǎn)換為16位的二進(jìn)制數(shù)：第1位是符號(hào)位，緊接著是整數(shù)部分7位，小數(shù)部分4位，最后4位全是0。具體溫度格式如下：

+溫度：0XXX XXXX XXXX 0000；

－溫度：11XX XXXX XXXX 0000.

其中最高位代表符號(hào)位：0 代表“+”，1 代表“－”[5]。

圖2 傳感器采集模塊電路Fig.2 The circuit of sensor acquisition module

1.3 檢測(cè)裝置的安裝

紅外收發(fā)裝置由于工作的環(huán)境決定了它們都需要可靠的封裝。封裝時(shí)需要考慮到以下問題：防止電磁干擾對(duì)電路的影響，需要和足夠的機(jī)械強(qiáng)度，方便安裝固定，需要有一定的耐溫性[4]。

該裝置的安裝如圖3所示：溫度傳感器埋設(shè)在勵(lì)磁繞組內(nèi)部或者其他容易過熱的點(diǎn)；紅外發(fā)射模塊通過螺釘固定在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，并用絕緣層隔開；紅外接收裝置安裝在機(jī)座端部的內(nèi)壁，盡量對(duì)準(zhǔn)紅外發(fā)射裝置，以保證良好的接收。

圖3 檢測(cè)裝置安裝示意圖Fig.3 Detection device installation diagram

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包含：首先上電對(duì)控制器MSP430、TMP275傳感芯片、LCD1602初始化，緊接著MSP430發(fā)送請(qǐng)求讀取TMP275溫度值的指令，如果MSP430未接收到來自TMP275發(fā)送的溫度值，則MSP430再次發(fā)送請(qǐng)求讀取溫度指令，一直等待讀取成功后將數(shù)值送給紅外發(fā)送模塊，等待紅外發(fā)射模塊成功將數(shù)值發(fā)射，紅外接收模塊等待數(shù)據(jù)的接收，確認(rèn)數(shù)值接收成功后，最后將數(shù)據(jù)送給LCD1602顯示模塊和報(bào)警模塊[5]。以上就是本設(shè)計(jì)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的整體軟件流程方案。系統(tǒng)的整體流程圖如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)主要測(cè)試了溫度傳感器的精確度以及響應(yīng)時(shí)間。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 System program flow chart

3.1 TMP275與DS18B20溫度測(cè)量對(duì)比

TMP275溫度傳感芯片工作溫度在－55～+127℃，這里選取具有同樣分辨率的單線－數(shù)字式的DS18B20溫度傳感器作為比較對(duì)象。將傳感器埋在可控溫度的密閉烘箱里[6]，經(jīng)過一定時(shí)間的溫度變化，最后得到一系列測(cè)得溫度和實(shí)際溫度的數(shù)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。這里以PT100型鉑電阻溫度計(jì)測(cè)得的溫度記為實(shí)際溫度。

表1 不同溫度對(duì)TMP275傳感器的影響Tab.1 The influence on the TMP275 sensor under different temperature

從上表可以看出，在不同的溫度下，DS18B20測(cè)量的最大溫差為1.21℃，最大相對(duì)誤差為7.49%，與DS18B20相比，TMP275測(cè)量的最大溫差為0.48℃，最大相對(duì)誤差為4.40%。

綜上，TMP275溫度傳感器的工作溫度范圍之內(nèi)，測(cè)量精度高，相對(duì)誤差小，完全滿足對(duì)電機(jī)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的要求。

3.2 TMP275響應(yīng)時(shí)間的比較

從控制器發(fā)送溫度采集命令給溫度芯片那一刻起到控制器接收到溫度數(shù)據(jù)那一刻止，這一溫度采集的過程所需要時(shí)間稱之為傳感器的響應(yīng)時(shí)間。由于這里所涉及到的時(shí)間一般都比較短，所以必須要利用MSP430自帶的計(jì)時(shí)器進(jìn)行測(cè)量。從上位機(jī)MSP430發(fā)送溫度采集命令后的那一刻開始計(jì)時(shí)到MSP430接收到溫度數(shù)據(jù)那一刻計(jì)時(shí)停止，記為一個(gè)響應(yīng)時(shí)間。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得PT100型鉑電阻溫度計(jì)、DS18B20與TMP275的響應(yīng)時(shí)間。如表2所示。

表2 TMP275響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量Tab.2 The research of the response time on the TMP275 sensor

通過對(duì)上表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，DS18B20響應(yīng)最慢，大概需要1 250 ms；而鉑電阻溫度計(jì)響應(yīng)需660 ms左右，相比以上兩種傳感器，TMP275響應(yīng)時(shí)間僅需430 ms。

綜上，TMP275溫度傳感器與單總線的DS18B20相比響應(yīng)迅速，且快于鉑電阻溫度計(jì)的響應(yīng)。因此基本認(rèn)為TMP275對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的監(jiān)測(cè)是實(shí)時(shí)的。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)控系統(tǒng)的諸多缺陷，選用TMP275溫度傳感芯片通過紅外傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)出了精確、快速讀取電機(jī)內(nèi)部溫度的檢測(cè)系統(tǒng)。研制的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作可靠，可以達(dá)到所需要的控制精度，溫度測(cè)量精度高、反應(yīng)時(shí)間短，能夠準(zhǔn)確的遠(yuǎn)程傳送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在線控制，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，可推廣應(yīng)用到發(fā)電廠、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域。

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