專利名稱：無線一體化溫度變送器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及變送器，具體涉及一種基于WIA網(wǎng)絡(luò)的無線一體化溫度變送器。
背景技術(shù)：
溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見和最基本的參數(shù)之一，人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在生產(chǎn)過程中常需對溫度進行實時檢測與監(jiān)控。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫度的測量，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個發(fā)展階段:①傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器，②模擬集成溫度傳感器，③智能集成溫度傳感器。目前，國際上溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展。上世紀(jì)70 80年代開始，工業(yè)無線技術(shù)還是一種單純的通信手段，作為有線技術(shù)的補充以解決長距離的數(shù)據(jù)傳輸為目的，可實現(xiàn)點對點、點對多點通信。本世紀(jì)初，為了實現(xiàn)泛在感知，推動工業(yè)測控模式變革，以解決低成本的信息獲取為目的，工業(yè)無線技術(shù)開始實現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化。在工業(yè)領(lǐng)域，相對于有線網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低成本、靈活性、移動性等眾多優(yōu)點，這對那些不適宜連線的場合提供了技術(shù)支持和實現(xiàn)的可行性。但是在工業(yè)領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用仍然處于起步階段，制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要因素包括能耗、實時性和安全性等。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于:提供無線一體化溫度變送器，根據(jù)有源差分電壓溫度變送器的測溫原理，結(jié)合信號調(diào)理電路以及高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，通過WIA網(wǎng)絡(luò)從遠程上位機下載分度表以軟件查表的方式準(zhǔn)確采集溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實時上傳，同時利用自身的功耗控制特性以及外圍模擬開關(guān)電路，使整個儀表有較好的能耗表現(xiàn)，在滿足工業(yè)測量范圍和精度要求的基礎(chǔ)上低功·耗、實時調(diào)整參數(shù)。本實用新型的技術(shù)解決方案是:該溫度變送器包括四通外殼、K型熱電偶、PT100熱電阻、WIAPA-M1800無線適配器、主控制器、顯示器、3.3V電源和無線天線，在四通外殼的兩個較大開口處安裝顯示器和3.3V電源，在四通外殼內(nèi)部安裝WIAPA-M1800無線適配器和主控制器，在四通外殼兩個較小開口處安裝K型熱電偶、PT100熱電阻和無線天線，K型熱電偶、PT100熱電阻通過信號線聯(lián)接WIAPA-M1800無線適配器上，WIAPA-M1800無線適配器再由插針連接主控制器，顯示器通過插針連接主控制器，整體構(gòu)成溫度變送器。安裝時，在工業(yè)設(shè)備的測溫點處安裝該溫度變送器，在WIA網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)安裝WIA網(wǎng)關(guān)，通過RS-485總線或以太網(wǎng)與上位機相連；工作時，上位機將對應(yīng)的校準(zhǔn)參數(shù)通過HART協(xié)議總線接口下載到溫度變送器，主控制器將校準(zhǔn)參數(shù)保存至外存儲器中；熱電偶、熱電阻直接接觸測量測溫點處的溫度，由信號調(diào)理電路對電壓信號進行放大、阻抗匹配、去噪聲處理，再由A/D將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，主控制器將數(shù)字信號與內(nèi)部FLASH中存儲的分度表數(shù)據(jù)進行查詢計算，得到準(zhǔn)確的溫度值，并將數(shù)據(jù)實時上傳并顯示在顯示器上。本實用新型具有以下優(yōu)點:UWIAPA-M1800無線適配器與主控制器均使用MSP430型號單片機，二者之間通過串口進行通訊。2、顯示器采用128段位的液晶玻璃材料，主控制器通過HT1621對其進行驅(qū)動。3、本實用新型體積小，重量輕，一體化，可視化，實時性強，安裝使用方便。4、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用16位A/D，使K型熱電偶和PT100熱電阻的非線性校正采集精度在％。級以上。5、主控制器采用高性能超低功耗16位MSP430微處理器，結(jié)合信號調(diào)理電路、穩(wěn)壓電路、抗干擾電路和開關(guān)電路，整個儀表具有較低的功耗和較聞的穩(wěn)定性。6、將熱電偶輸出的和熱電阻經(jīng)由電橋產(chǎn)生的毫伏級電壓信號變換為A/D器件可采集的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，變送器基于智能無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)體系，符合IEEE 802.15.4無線通信標(biāo)準(zhǔn)，主要面向設(shè)備間信息的無線通信，特別適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境使用，具有很強的抗干擾能力。7、根據(jù)工業(yè)應(yīng)用中常見的溫度參數(shù)，采用K型熱電偶，實現(xiàn)大量程、低功耗，該溫度變送器可以對_50°C、00°C的溫度范圍進行測量，測量精度0.25°C，通過更換感溫元件，可調(diào)整變送器的測量范圍。8、涉及 的智能無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)基于短程無線通信IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，使用符合中國無委會規(guī)定的自由頻帶，解決惡劣環(huán)境下遍布的各種大型器械、金屬管道等對無線信號的反射、散射造成的多徑效應(yīng)，以及馬達、器械運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生電磁噪聲對無線通信的干擾，提供能夠滿足應(yīng)用需求的高可靠、實時無線通信服務(wù)。9、通過使用智能無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)，用戶以較低的投資和成本實現(xiàn)對全流程的“泛在感知”，獲取傳統(tǒng)由于成本原因無法在線監(jiān)測的重要過程參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)實施優(yōu)化控制，達到提高產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能降耗的目標(biāo)。10、本實用新型可以在復(fù)雜的工礦下使用，解決布線難的問題，而且信號穩(wěn)定可
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圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為主控制器電路原理圖。圖3為放大器電路原理圖。圖4為I2C接口及電源電路原理圖。圖5為熱電阻橋式電路原理圖。圖中:1外殼，2 K型熱電偶或PT100熱電阻，3WIAPA-M1800無線適配器，4主控制器，5顯示器，6 3.3V電源，7天線天線。
具體實施方式
如圖1所示，該溫度變送器包括四通外殼1、K型熱電偶或PT100熱電阻2、WIAPA-M1800無線適配器3、主控制器4、顯示器5、3.3V電源6和無線天線7，在四通外殼I的兩個較大開口處安裝顯示器5和3.3V電源6，在四通外殼I內(nèi)部安裝WIAPA-M1800無線適配器3和主控制器4，在四通外殼I兩個較小開口處安裝K型熱電偶或PTlOO熱電阻2和無線天線7，K型熱電偶或PT100熱電阻2通過信號線聯(lián)接WIAPA-M1800無線適配器3上，WIAPA-M1800無線適配器3再由插針連接主控制器4，顯示器5通過插針連接主控制器4，整體構(gòu)成溫度變送器。如圖2所示，TPS62203是美國德州電氣公司的DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)3.6V至3.3V的電壓準(zhǔn)換，并通過MCU對外圍電路的供電進行開關(guān)控制；ADS1110是美國德州電氣公司的A/D芯片，采用I2C形式的接口，內(nèi)置f 8增益的低噪聲可編程放大器，對電壓信號進行放大處理并采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；MSP430F149對A/D輸出的數(shù)字信號進行處理，查表計算出溫度，通過內(nèi)部12位AD采集環(huán)境溫度進行溫度補償，采集(AVcc-AVss) /2實現(xiàn)電池電量的檢測，通過串口與無線模塊通信，將采集到的結(jié)果上傳PC以及其他實時通信，同時將實時溫度數(shù)據(jù)和電池電量指示顯示到液晶屏幕上，通過內(nèi)部定時器對工作模式切換進行能耗控制；熱電阻電橋?qū)犭娮枋軠囟扔绊懚l(fā)生的電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓量的變化；LTC20 53是LINEAR公司精密放大器，對熱電偶采集的毫伏級信號進行放大、濾波、阻抗匹配；AT24LC64存儲溫度計算過程中所需的校正參數(shù)；HT1621b顯示熱電偶采集的測溫點的溫度以及所在當(dāng)前環(huán)境下的溫度并指示電池電量；WIA-M8000采集的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到WIAPA-M1800無線通信模塊，再接入WIAPA-GW1498無線網(wǎng)關(guān)，在遠程PC上對數(shù)據(jù)進行顯示，同時在系統(tǒng)初次使用時由PC將對應(yīng)于每個探頭的分度表經(jīng)該無線模塊傳送至MCU，保存在外部存儲器中。其中，具體電路連接如下:電源:3.6V鋰電池供電，主控制器使用3.6V轉(zhuǎn)3.3V可控開關(guān)芯片對模擬部分和數(shù)字部分提供所需的電源，電源芯片TPS62203的5腳與電感LI的一端相連，LI的另一端與TPS62203的4腳、旁路電容C3、3.3V輸出端相連，旁路電容C2、C3分別為4.7uF、10Uf,LI 為 IOuH ；K型熱電偶:熱電偶的輸出正極XZl的6腳與型濾波電容Cl、濾波電容C3、保護電阻R3相連，Cl另一腳與熱電偶輸出負(fù)極XZl的4腳、濾波電容C2、保護電阻R2相連，濾波電容C2，C3的另一腳接地，Cl、C2、C3均為0.1uF ；熱電阻電橋:PT100熱電阻采用三線制接法，熱電阻的正極XZl的3腳與平衡電阻R6、31型濾波電容Cl、濾波電容C3、保護電阻R3相連，R6的另一端接3.3V電源，熱電阻的一路負(fù)極XZl的7腳接地，熱電阻的另一路負(fù)極XZl的5腳與可變電阻RPl的一端相連，RPl的滑動端與另一端相連，再與平衡電阻R5的一端、濾波電容C2、保護電阻R2相連，濾波電容C2、C3的另一腳接地，R5的另一端連至3.3V電源；16位A/D:是美國德州電氣公司的ADS1110芯片，采用I2C形式的接口，ADS1110的I腳與RC濾波器R4和C6連接，ADSl110的3腳、4腳與上拉電阻R20、R21、MSP430的P5.3、P5.4腳相連，R20、R21的另一端以及ADSl110的5腳與+3.3V電源連接，ADSl110的2腳和6腳接地，ADS1110電源的旁路電容為C5，R4為1ΚΩ，C6為4.7uF, C5為0.luF，R20、R21為IOkQ ；MCU:選用美國德州電氣公司的MSP430F149芯片，晶振選用32.768kHz，程序下載使用標(biāo)準(zhǔn)14針JTAG接口，MCU的54、55、56、57、58腳分別與雙排座XZ3的14、12、10、8、4腳相連,MCU 的 P2.0、Ρ2.1、Ρ2.2、Ρ2.3 腳分別與 ΧΖ2 的 4、5、6、3 腳相連，MCU 的 Ρ3.4、Ρ3.5腳與XZl的9、10腳相連，旁路電容08、09為0.1uF ；放大器電路:熱電偶的正極與保護電阻R3的一端連接，R3的另一端與放大器LTC2053的同相輸入端連接，LTC2053的反相輸入端與保護電阻R2的一端連接，LTC2053的I腳和4腳接地，LTC2053的5腳與可變電阻Radjl的滑動端相連，Radjl的另兩端接3.3V電源和地，LTC2053的6腳接電阻Rl的一端、可變電阻Radjl的滑動端、反饋電容C4的一端，Rl的另一端接地，Radjl和C4的另一端接LTC2053的7腳和RC濾波器R4的一端，RC濾波器C6的另一端接地，LTC2053的8腳接3.3V電源，旁路電容為C5，R2、R3為IOkQ，C4為 0.1uF, Radj2 調(diào)節(jié)至 510 Ω，C5 為 0.1uF ；EEPROM存儲器:片外存儲芯片選用MicroChip公司的24LC64芯片，采用I2C接口，由3.3V電源供電，24LC64的5、6腳通過R20、R21上拉電阻與MCU的P5.3、Ρ5.4 口相連，C6用于旁路濾波，24LC64的I腳接高電平，24LC64的2、3、4腳接地用于指示物理地址。顯示器:是SPI總線結(jié)構(gòu)的48腳ΗΤ1621Β驅(qū)動液晶屏幕，其中SEG0 SEG23和C0M(TC0M3共24個腳與液晶玻璃連接，DATA腳接上拉電阻R52的一端再與MCU的P2.1 口連接，CS腳接上拉電阻R53的一端再與MCU的P2.0 口連接，WR腳接上拉電阻R54的一端再與MCU的P2.2 口連接，RD腳接上拉電阻R55的一端再與MCU的P2.3 口連接，上拉電阻R52、R53、R54、R55的另一端與VDD連接，VDD與VLCD腳之間連接R51可變電阻，VDD與VSS分別連接主控制器上的3.6V電源和地線，其余腳懸空，R52、R53、R54、R55為IOkQ ；無線通信 :MCU的P3.4、P3.5 口與WIAPA-M1800無線通信模塊的串口接口相連。
權(quán)利要求1.無線一體化溫度變送器，其特征是:該溫度變送器包括四通外殼(I)、K型熱電偶或PTlOO熱電阻(2)、WIAPA-M1800無線適配器(3)、主控制器(4)、顯示器(5)、3.3V電源(6)和無線天線(7)，在四通外殼(I)的兩個較大開口處安裝顯示器(5)和3.3V電源(6)，在四通外殼(I)內(nèi)部安裝WIAPA-M1800無線適配器(3)和主控制器(4)，在四通外殼(I)兩個較小開口處安裝K型熱電偶或PT100熱電阻(2)和無線天線(7)，K型熱電偶或ΡΤ100熱電阻(2)通過信號線聯(lián)接WIAPA-M1800無線適配器(3)上，WIAPA-M1800無線適配器(3)再由插針連接主控制器(4)，顯示器(5)通過插針連接主控制器(4)，整體構(gòu)成溫度變送器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線一體化溫度變送器，其特征是所述溫度變送品的具體電路連接如下: 電源:3.6V鋰電池供電，主控制器使用3.6V轉(zhuǎn)3.3V可控開關(guān)芯片對模擬部分和數(shù)字部分提供所需的電源，電源芯片TPS62203的5腳與電感LI的一端相連，LI的另一端與TPS62203的4腳、旁路電容C3、3.3V輸出端相連，旁路電容C2、C3分別為4.7uF、10Uf，LI為 IOuH ； K型熱電偶:熱電偶的輸出正極XZl的6腳與型濾波電容Cl、濾波電容C3、保護電阻R3相連，Cl另一腳與熱電偶輸出負(fù)極XZl的4腳、濾波電容C2、保護電阻R2相連，濾波電容C2，C3的另一腳接地，Cl、C2、C3均為0.1uF ； 熱電阻電橋=PTlOO熱電阻采用三線制接法，熱電阻的正極XZl的3腳與平衡電阻R6、π型濾波電容Cl、濾波電容C3、保護電阻R3相連，R6的另一端接3.3V電源，熱電阻的一路負(fù)極XZl的7腳接地，熱電阻的另一路負(fù)極XZl的5腳與可變電阻RPl的一端相連，RPl的滑動端與另一端相連，再與平衡電阻R5的一端、濾波電容C2、保護電阻R2相連，濾波電容C2、C3的另一腳接地，R5的另一端連至3.3V電源； 16位A/D:是美國德州電氣公司的ADS1110芯片，采用I2C形式的接口，ADS1110的I腳與RC濾波器R4和C6連接，ADSl110的3腳、4腳與上拉電阻R20、R21、MSP430的Ρ5.3、Ρ5.4腳相連，R20、R21的另一端以及ADSl110的5腳與+3.3V電源連接，ADSl110的2腳和6腳接地，ADS1110電源的旁路電容為C5，R4為1ΚΩ，C6為4.7uF, C5為0.luF，R20、R21為IOkQ ； MCU:選用美國德州電氣公司的MSP430F149芯片，晶振選用32.768kHz，程序下載使用標(biāo)準(zhǔn)14針JTAG接口，MCU的54、55、56、57、58腳分別與雙排座XZ3的14、12、10、8、4腳相連，MCU 的 Ρ2.0、Ρ2.UP2.2、Ρ2.3 腳分別與 ΧΖ2 的 4、5、6、3 腳相連，MCU 的 Ρ3.4、Ρ3.5 腳與XZl的9、10腳相連，旁路電容08、09為0.1uF ； 放大器電路:熱電偶的正極與保護電阻R3的一端連接，R3的另一端與放大器LTC2053的同相輸入端連接，LTC2053的反相輸入端與保護電阻R2的一端連接，LTC2053的I腳和4腳接地，LTC2053的5腳與可變電阻Radjl的滑動端相連，Radjl的另兩端接3.3V電源和地，LTC2053的6腳接電阻Rl的一端、可變電阻Radjl的滑動端、反饋電容C4的一端，Rl的另一端接地，Radjl和C4的另一端接LTC2053的7腳和RC濾波器R4的一端，RC濾波器C6的另一端接地，LTC2053的8腳接3.3V電源，旁路電容為C5，R2、R3為IOkQ，C4為0.1uF,Radj2 調(diào)節(jié)至 510 Ω，C5 為 0.1uF ； EEPROM存儲器:片外存儲芯片選用Microchip公司的24LC64芯片，采用I2C接口，由3.3V電源供電，24LC64的5、6腳通過R20、R21上拉電阻與MCU的P5.3、P5.4 口相連，C6用于旁路濾波，24LC64的I腳接高電平，24LC64的2、3、4腳接地用于指示物理地址； 顯示器:是SPI總線結(jié)構(gòu)的48腳HT1621B驅(qū)動液晶屏幕，其中SEG0 SEG23和C0M(TC0M3共24個腳與液晶玻璃連接，DATA腳接上拉電阻R52的一端再與MCU的P2.1 口連接，CS腳接上拉電阻R53的一端再與MCU的P2.0 口連接，WR腳接上拉電阻R54的一端再與MCU的P2.2 口連接，RD腳接上拉電阻R55的一端再與MCU的P2.3 口連接，上拉電阻R52、R53、R54、R55的另一端與VDD連接，VDD與VLCD腳之間連接R51可變電阻，VDD與VSS分別連接主控制器上的3.6V電源和地線，其余腳懸空，R52、R53、R54、R55為IOkQ ； 無線通信:MC U的P3.4、P3.5 口與WIAPA-M1800無線通信模塊的串口接口相連。
專利摘要本實用新型公開了無線一體化溫度變送器，在四通外殼(1)的兩個較大開口處安裝顯示器(5)和3.3V電源(6)，在四通外殼(1)內(nèi)部安裝WIAPA-M1800無線適配器(3)和主控制器(4)，在四通外殼(1)兩個較小開口處安裝K型熱電偶或PT100熱電阻(2)和無線天線(7)，K型熱電偶或PT100熱電阻(2)通過信號線聯(lián)接WIAPA-M1800無線適配器(3)上，WIAPA-M1800無線適配器(3)再由插針連接主控制器(4)，顯示器(5)通過插針連接主控制器(4)，整體構(gòu)成溫度變送器。本實用新型以軟件查表的方式準(zhǔn)確采集溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實時上傳，在滿足工業(yè)測量范圍和精度要求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)低功耗，并能實時調(diào)整參數(shù)。
文檔編號G01K7/04GK203132723SQ20132000431
公開日2013年8月14日 申請日期2013年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月6日
發(fā)明者陳云, 崔善超, 劉劍 申請人:金湖中博物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司