基于LPC2132的回轉(zhuǎn)爐溫度測(cè)量系統(tǒng)

白 迪，張科燈

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072 )

0 引言

溫度測(cè)量在國(guó)民生產(chǎn)生活中尤為常見，針對(duì)鋼鐵廠這種特殊環(huán)境，一種高效安全的溫度測(cè)量系統(tǒng)是必不可少的。

[1]提出了一種基于 DALLAS公司的DS18B20的測(cè)溫系統(tǒng)，這種接觸式測(cè)溫不能有效地工作在鋼鐵廠的高溫環(huán)境下。參考文獻(xiàn) [2]提出了一種基于紅外溫度傳感器 MLX90615的多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)有效地解決了參考文獻(xiàn) [1]中接觸式測(cè)溫的問題，但是該系統(tǒng)局限于只能測(cè)量固定區(qū)域的溫度。

鑒于此，本文基于 LPC2132設(shè)計(jì)了一個(gè)針對(duì)回轉(zhuǎn)爐等工業(yè)大型設(shè)備實(shí)時(shí)溫度采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)用 Modbus[3]總線技術(shù)將可360°旋轉(zhuǎn)的云臺(tái)與紅外測(cè)溫探頭能遠(yuǎn)距離非接觸式精確測(cè)溫的特點(diǎn)融合起來，構(gòu)建了云臺(tái)-紅外測(cè)溫節(jié)點(diǎn)（子節(jié)點(diǎn)3），同時(shí)加入了定點(diǎn)紅外測(cè)溫節(jié)點(diǎn)（子節(jié)點(diǎn)1、2）、模擬量及開關(guān)量采集單元、圖像采集單元，并且擴(kuò)展了無線功能，方便在現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)上布線。主模塊 ARM7將采集后的數(shù)據(jù)預(yù)處理后經(jīng) GPRS[4]傳至監(jiān)控上位機(jī)，監(jiān)控上位機(jī)將實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)也可運(yùn)用于其他工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的大型設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控中。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)由五部分構(gòu)成：主模塊、節(jié)點(diǎn)1、2、3以及上位機(jī)。節(jié)點(diǎn)1、2為定點(diǎn)紅外溫度測(cè)量，節(jié)點(diǎn)3為云臺(tái) -紅外旋轉(zhuǎn)式溫度測(cè)量。節(jié)點(diǎn)1、2、3負(fù)責(zé)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)的溫度進(jìn)行采集，主模塊負(fù)責(zé)把采集到的圖像及溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并且通過 GPRS信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)。而上位機(jī)則負(fù)責(zé)把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和還原，最終呈現(xiàn)在監(jiān)控終端軟件上。本系統(tǒng)的子節(jié)點(diǎn)3創(chuàng)新性地應(yīng)用了一種動(dòng)態(tài)測(cè)溫的方法，即用云臺(tái)和紅外測(cè)溫相結(jié)合，利用云臺(tái)可按預(yù)置點(diǎn)（預(yù)先自己設(shè)定）自動(dòng)巡航的特點(diǎn)進(jìn)行溫度檢測(cè)，理論上可以根據(jù)云臺(tái)的工作特點(diǎn)完成數(shù)十個(gè)至上百個(gè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主模塊介紹

主模塊的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 主模塊硬件框圖

2.1.1 主控芯片LPC2132介紹

該芯片是基于一個(gè)實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32位微控制器，并帶有64 KB的嵌入式高速 Flash存儲(chǔ)器。芯片由單個(gè)電源供電，含有上電復(fù)位 (POR)和掉電檢測(cè) (Brown-Out Detection)電路，CPU操作電壓范圍為3.0 V～3.6 V，可通過外部中斷將處理器從掉電模式喚醒，并且可通過降低外部時(shí)鐘來降低功耗。

2.1.2 無線收發(fā)單元電路設(shè)計(jì)

無線收發(fā)單元采用433 MHz射頻芯片CC1100[5-6]。CC1100是一款低功耗、集成度高、多通道的高性能無線射頻收發(fā)芯片，最高數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)500 kb/s，特別適合于433 MHz短距離通信設(shè)備的無線應(yīng)用。射頻芯片通過SPI接口與單片機(jī)相連，其應(yīng)用電路如圖3所示。

圖3 CC1100應(yīng)用電路

2.2 子節(jié)點(diǎn)3（云臺(tái)-紅外測(cè)溫）電路設(shè)計(jì)

子節(jié)點(diǎn)3利用ModBus總線技術(shù)將云臺(tái)驅(qū)動(dòng)單元和紅外測(cè)溫[7-8]單元有機(jī)地結(jié)合起來，在主控單元的控制下，二者能夠協(xié)調(diào)地完成溫度的采集，并且將采集到的溫度預(yù)處理后通過無線發(fā)送給主模塊。子節(jié)點(diǎn)3的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 子節(jié)點(diǎn)3硬件框圖

在子節(jié)點(diǎn)3中，紅外測(cè)溫單元采用的是HBIR1816紅外測(cè)溫探頭，其測(cè)溫范圍高達(dá)1 500℃，它采用先進(jìn)的全數(shù)字化設(shè)計(jì)，多種模擬和數(shù)字信號(hào)輸出方式，重復(fù)測(cè)量誤差小于1℃，分辨力可達(dá)0.1℃，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)500 ms，甚至更短。該測(cè)溫探頭結(jié)合云臺(tái)360°旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)可以達(dá)到很好的測(cè)溫效果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 子節(jié)點(diǎn)3中ModBus通信協(xié)議定義

子節(jié)點(diǎn)3部分的紅外測(cè)溫單元使用RS-485通信總線接口，通信協(xié)議使用ModBus協(xié)議。該通信協(xié)議每個(gè)8 bit的字節(jié)包含兩個(gè)4 bit的十六進(jìn)制字符。一個(gè)字節(jié)由11個(gè)bit位組成，包括1個(gè)起始位（置0），8個(gè)數(shù)據(jù)位（D0～D7）,1個(gè)奇偶校驗(yàn)位（置1），1個(gè)停止位（置1），具體字節(jié)格式如圖5所示。

圖5 發(fā)送數(shù)據(jù)包格式定義

整個(gè)消息幀必須作為一個(gè)完整的數(shù)據(jù)流傳輸，一個(gè)幀由一個(gè)字節(jié)的地址碼、一個(gè)字節(jié)的控制碼、一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度域、n個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)域（0≤ n≤32）和2個(gè) CRC校驗(yàn)碼組成，詳細(xì)的幀格式如圖6所示。

圖6 幀格式

3.2 子節(jié)點(diǎn)3軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)子節(jié)點(diǎn) 3 通過無線收發(fā)單元接收到主模塊的相關(guān)命令后就會(huì)通過 ModBus 總線來啟動(dòng)云臺(tái)-紅外測(cè)溫探頭，當(dāng)紅外測(cè)溫探頭正確接收到啟動(dòng)命令后就會(huì)啟動(dòng)一次溫度檢測(cè)過程，然后通過相應(yīng)的 CRC 校驗(yàn)后將數(shù)據(jù)返回給主模塊。云臺(tái)-紅外測(cè)溫的工作流程圖如圖7所示。

圖7 云臺(tái) -紅外測(cè)溫的工作流程圖

4 上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件用 Delphi編寫，Delphi主要采用 serversocket控件來接收數(shù)據(jù)。當(dāng)其和客戶端建立通信時(shí)，可以得到客戶端的 IP端口信息，并基于此建立雙向通信，如果主模塊進(jìn)入休眠，則其IP會(huì)發(fā)生變化，所以此時(shí)需要重新建立通信。如果需要長(zhǎng)時(shí)間建立連接，而數(shù)據(jù)采樣間隔又設(shè)置得比較大，這時(shí)，可以人為地建立心跳包。如果用戶名和密碼相符，則進(jìn)入上位機(jī)主界面，服務(wù)器名和服務(wù)器 IP會(huì)顯示在主界面的右上角。當(dāng)主模塊請(qǐng)求與上位機(jī)連接并連接成功時(shí)，主模塊客戶機(jī)名和客戶機(jī) IP會(huì)被上位機(jī)讀取，在上位機(jī)界面的最下面，原本“等待客戶機(jī)連接…”字樣會(huì)變成當(dāng)前與上位機(jī)連接的終端IP，如圖8所示。

圖8 上位機(jī)已登錄界面

5 功能測(cè)試與分析

節(jié)點(diǎn)3主要用于測(cè)量大型回轉(zhuǎn)爐設(shè)備的溫度變化，其選用高徑距比的工業(yè)級(jí)紅外傳感器。由于紅外測(cè)溫探頭是非接觸性地測(cè)量溫度，同樣也會(huì)存在各種誤差[9-10]。測(cè)溫范圍越窄，精度就越高；測(cè)溫范圍過寬，會(huì)降低精度，尤其在低端測(cè)溫。其主要影響因素包括輻射率、距離系數(shù)及環(huán)境因素，而影響回轉(zhuǎn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫的主要因素為回轉(zhuǎn)設(shè)備的輻射率變化、粉塵及環(huán)境溫度等原因，而大型回轉(zhuǎn)設(shè)備均存在上述問題。

實(shí)驗(yàn)采用大量有效數(shù)據(jù)求平均值的方法對(duì)誤差進(jìn)行量化，每個(gè)預(yù)置點(diǎn)在60 min內(nèi)采集600組數(shù)據(jù)，參考溫度和檢測(cè)溫度的采集分時(shí)進(jìn)行。經(jīng)過測(cè)量，圖中選擇預(yù)置點(diǎn)1和預(yù)置點(diǎn)2進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣分析，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 節(jié)點(diǎn)3預(yù)置點(diǎn)1和預(yù)置點(diǎn)2溫度誤差分析

由圖中預(yù)置點(diǎn)1和預(yù)置點(diǎn)2的溫度數(shù)據(jù)可知，檢測(cè)溫度與參考溫度有十多度的偏差，但就溫度的基準(zhǔn)考慮，這個(gè)偏差是可以接受的，而如果回轉(zhuǎn)設(shè)備出現(xiàn)了破爐故障，其溫度將比此偏差大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

6 結(jié)論

基于紅外溫度傳感器和 LPC2132的回轉(zhuǎn)爐測(cè)溫系統(tǒng)將一系列的信息通過通信鏈路實(shí)時(shí)傳遞到監(jiān)控終端，達(dá)到了對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大型設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。該設(shè)備已經(jīng)在某鋼鐵廠工作數(shù)月，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

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