采用ADuCRF101的无线温度巡检系统设计

时间:2022-08-08 03:22:50

采用ADuCRF101的无线温度巡检系统设计

引言

烟草厂内的温度情况是烟草贮存和生产过程中的一个重要参量。在烟草烤制完毕的贮存阶段,工作人员要实时地对烟草垛内的温度进行测量并记录,从而保证烟草不会产生霉变等问题。目前,工业生产中使用较多的是传统的采用有线传输方式的巡检系统,这类系统不仅布线和维护成本高,而且长线传输精度也得不到保证。本设计采用ADuCRF101微控制器为核心,设计了一套对工厂烟草垛内温度进行实时检测的巡检系统。利用ADuCRF101微控制器特有的射频传输功能,可以方便地进行信息的远程传输和控制。同时,该系统在粮仓、冷库和智能建筑场合都可以使用,具有较强的应用价值。

系统总体结构

温度巡检系统的结构框图如图1所示,该系统由温度检测单元、运算处理与射频发射单元、射频接收单元及辅助单元构成。其中温度检测单元采用3组共24支测温仪表构成检测网络,能够覆盖仓库内的所有烟草垛。测温仪表可以直接检测到烟草垛内部温度变化,并输出范围在4~20mA的电流信号。信号经采样电阻采集后送AADuCRF101的差分ADC接口,转换成可供微控制器处理的数字信号,主机微控制器处理完成后通过其内置的射频发送模块将温度数据发送给远端控制室的接收机,接收机再将数据发送给上位机或对异常数据做出报警提示。

硬件单元设计

控制器及射频收发单元

本系统中的控制器及射频收发单元采用ADuCRF101微控制器。ADuCRF101是ADI公司最新开发的一款针对低功耗无线应用的精密微控制器。该器件内置431~464MHz和862~928MHz UHF收发器、低功耗ARM Cortex-M3内核和Flash/EE存储器,并集成了一系列片内外设,用户可以根据应用需要通过微控制器软件控制进行配置。这些外设包括:UART、12C和SPI串行接口、6通道单端或3通道差分ADC、29引脚GPIO端口、8通道PWM、2个通用定时器、唤醒定时器及系统看门狗定时器。ADuCRF101可以直接采用3.6V电池供电,专门针对低功耗工作而设计,通过使用自主包处理器能最大程度地降低无线通信期间的系统功耗。

温度检测单元

本系统要对24个测温点进行温度巡检,而ADuCRF101片内只集成了3通道差分ADC,所以设计中采用ADI公司的ADG707多路复用器对采样通道进行扩展。由于前端信号输出为4~20mA的电流信号,所以多路复用器的导通电阻不会对温度测量产生影响。考虑到ADuCRF101内部的参考源为1.25V,设计中采样电阻R1~R3选择标称值为49.9Ω的精密电阻,以保证不会超过量程范围。温度检测单元的电路图如图2所示。

辅助单元

辅助单元主要包括日历/时钟电路、超限语音报警及液晶显示电路,下面将分别进行介绍。

日历/时钟电路

日历/时钟芯片选择PCF8563芯片,该芯片采用I2C总线与ADuCRF101通信,只需一条时钟线SCL和一条数据线SDA即可实现数据传输。使用时为保证数据可靠,这两条线需通过上拉电阻连接至ADuCRF101模块的数字高电平VDD,如图3所示。

语音报警电路

语音报警电路能够更加智能地向用户报告异常温度点位置,设计中采用WT588D语音芯片设计了语音报警电路。在语音报警电路中,24个采样点的点温度值的异常情况可以被识别并对异常点位置进行语音提示报警。只需把录制好的语音文件下载到存储器中,WT588D芯片便可以根据触发信号所指引的地址找到对应的音频文件,对异常位置做出语音提示,方便用户准确判断并及时处置。设计中根据温度数据判断应该触发的信号,采用三个8选1数据选择器芯片ADG1608,实现触发信号与语音报警模块的连接,即从机的输出经过三个ADG1608芯片发送到语音报警芯片的输入端,减少了硬件资源的占用。

液晶显示电路

液晶显示在便携式移动终端中应用广泛。为了使用户能够更方便地监控温度数据,设计中采用1602液晶作为显示器件制作了便携终端,使用户不用借助上位机即可对温度数据进行查看。1602液晶显示电路如图4所示。图中采用74HCl64芯片将数据传输方式由并行转换为串行,原本8条数据线由一条时钟线和一条数据线替代,节约了硬件端口资源。

软件程序设计

温度巡检系统采用两片ADuCRF101以主从方式工作,其中主机负责采集温度信号并发送,从机负责接收主机发送的温度信号并实现超限报警及数据上传任务,主从机的软件流程图如图5所示。下面分别介绍主从机工作流程。

主机上电后首先给从机发送一个启动信号。若从机产生应答,说明从机已就绪,无线传输系统可以正常工作,随后主机通过GPIO端口控制多路复用器依次将各路温度信号送至ADuCRF101片上的ADC端口进行采样。为了保证检测精度,软件中还使用了滤波程序,采样数据经过处理转换为实际温度后,就可以通过射频发送器向从机传输了。程序中设置了一段延时程序,用以保证当从机接收数据全部完成后才开始下一个巡检周期。

从机与主机配合工作。当接收到启动信号后向主机发送应答信号,并等待主机发送温度数据,期间从机会读取PCF8563日历芯片数据,当主机发送数据后,从机从数据帧中解码出温度数据,并根据温度经验表判读温度是否异常。如果异常则先进行语音报警提示,然后显示各点数据,否则不报警。日期与温度的统计经验表如表1所示(由于地域不同,该经验表会有所变化)。

实验与调试

环境会对射频信号的传输距离产生影响,为了验证系统的可靠性,实验选择在阴雨天气。烟垛距离控制室大约300米,在控制室内观察便携式接收器显示。结果如图6所示,系统可以正常工作,显示1号烟垛的温度为22.5℃,所有烟垛状态正常。

结语

采用ADuCRF101微控制器的无线温度巡检系统不仅节省了长线传输的铺线成本、降低系统维护难度、增强了传输的精度,对控制室的选址和变迁也具有很强的适应性。随着各种无线传输技术的发展,应用无线数据传输的各类系统在工业领域将具有广阔的发展前景,新型的无线工业巡检系统值得我们进行深入的探索和研究。

参考文献:

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[2]李雪,冯晓丽多路温度巡检系统的开发与应用[J]山西电子技术2008,(2):41-43

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[5]王春武,刘春玲基于wT588D模块的语音播报系统设计[J],电子技术应用,2012,34(9):115-117

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