基于蓝牙的多路无线测温系统设计和实现Word格式文档下载.docx
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关键词:
蓝牙通信;
无线测温;
AD595;
最小二乘拟合
中图分类号:
TN915⁃34;
TP751文献标识码:
A文章编号:
1004⁃373X(2017)02⁃0129⁃04
Abstract :
Inordertosolvethetemperaturemeasurementproblemofhigh⁃speedrotatingobjects,amulti⁃channelwirelesstemperaturemeasuringsystembasedonBluetoothwasdesigned.Inthesystem,thethermocoupleistakenasthesignalsource,AD595andtwo⁃stageamplificationcircuitareadoptedtoamplifythesignal,andMCUC8051F340developedbySiliconLabsCompanyisactedasthecontrolcore,inwhichthesubsystemADC0collectsthetemperaturesignalanalogquantity.ThehostcomputerdevelopedwithVC++6.0cansendthecommandstoC8051F340throughBluetooth,makesitperformthecorrespondingtemperatureacquisitionaction,anddisplay
thereturnedtemperaturevalue.Theexperimentalresultsandapplicationonthebraketestershowthattheaccuracyofthewirelesstemperaturemeasurementsystemcanreachupto±
0.3℃intherangeof0~1000℃,thesystemhasgoodstability,andcansatisfytherequirementsofavarietyofindustrialtemperaturemeasurement,especiallyfortheoccasionofthewirelesstemperaturemeasurement.
Keywords :
Bluetoothcommunication;
wirelesstemperaturemeasurement;
leastsquarefitting
0引言
在機械制造、冶金、化工等工业领域,温度是工业生产中主要的工艺参数之一,因此,对温度的测量是经常性的课题。
温度测量一般分为接触式和非接触式两类。
非接触式测温通过热辐射原理测量温度,受物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响,其测量误差较大。
接触式测温系统相对比较简单、运行相对可靠,且测量精度较高。
在高温测量领域,接触式测量比较常用的测温元件有基于力学原理的玻璃液体温度计、双金属温度计、压力式温度计和基于电学原理的热电阻和热电偶等[1]。
K型热电偶具有很好的线性度,热电动势较大,灵敏度高,热电性能稳定,抗氧化性能强[2]。
因此,大部分的温度测量系统都采用了接触式的K热电偶进行有线形式的温度测量。
而对于高速转动物体的温度测量,例如制动器测试机中制动器温度的测量,往往采用滑环进行信号传输,不但成本较高,结构复杂,而且稳定性不好,维修困难。
蓝牙技术的应用可以很好地将测试信号从线缆传输的约束中解放出来,变有线线缆传输为无线信号传输[3]。
本文设计一种基于蓝牙的多路无线测温系统,能很好地解决转动物体测温问题,实验和工程应用证明该系统不仅测温范围广、精度高,而且系统稳定性好,能很好地满足各种工业温度的测量,特别是需要无线测温的场合。
1系统设计
1.1蓝牙简介
1998 年5月,瑞典爱立信、芬兰诺基亚、日本东芝、美国IBM和英特尔公司五家著名厂商,在联合拓展短距离无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙(Bluetooth)技术的概念[4]。
蓝牙技术是一项开放的、全球统一的短距离无线通信协议规范,其目的是取代现有的各种电子设备上的有线接口[5],具有适用范围广、支持多信道、功率低、抗干扰能力强、成本低、体积小和便于集成等优点,其应用已不局限于计算机外设,几乎可以被集成到任何数字设备之中,特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。
蓝牙技术特别设计了快速认证和跳频方案。
在一次数据传输中,无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道跳到另一个信道。
与其他工作在相同频段的系统相比,蓝牙跳频更快,数据包更短,每个数据包以不同的频率发送,而且数据包长度不定[6]。
除此之外,蓝牙技术运用的是2.4GHzISM频段以及快速调频和前向纠错等,其对于人体的伤害极小,且运用过程较为简便,容易得到实现[7]。
蓝牙串口模块支持蓝牙串口协议[8],是一种集成了蓝牙技术的无线串口通信模块,内部采用了CSRBC4加8MBFLASH方案,包含12种可选波特率,最大达到1382400b/s。
由于已经专门定制了UART接口,所以使用非常方便,无需对其进行调试和二次开发。
1.2系统的构成
采用带UART接口的蓝牙模块,可以方便地完成下位机和上位机的无线通信。
下位机主要采用SiliconLabs公司研发的C8051F340单片机为控制核心。
该片机是完全集成的混合信号片上系统型MCU,其高速的8051微控制器内核采用流水线指令结构,70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期。
时钟来源包含内部集成的12MHz高速振荡器(支持1,2,4,8分频和4倍频),精度能达0.25%,也支持晶体,RC,C等形式的外部时钟,两者可在运行中进行切换,极具灵活性。
C8051F340 内部集成有10位200KSPS的最大采样速率的SARADC,INL可达±
1LSB,利用此ADC可以对采集到的温度模拟电压信号进行数字的转换。
同时,模拟输入多路选择器
AMUX0可以随时切换输入的模拟信号,端口I/O引脚中的20个引脚都可用作ADC的输入,从而实现多路温度信号的循环采集。
系统构成如图1所示。
将多个热电偶放置在测温点,由热电偶产生的电压信号连接到热电偶放大电路进行冷端补偿、运算放大和两级放大。
经热电偶放大电路处理后的电压信号将符合
C8051F340的模拟电压输入标准,即0~VREF(VREF为内部基准电压,值为3.3V)。
C8051F340将输入的模拟电压转换成数字,并按转换公式进行温度值的计算,然后利用蓝牙模块将计算结果发送给上位机进行显示和数据保存。
2无线测温系统的电路设计
2.1热电偶放大电路的设计
热电偶是利用导体或者半导体材料的热电效应将温度的变化转换为电动势变化的元件,2种不同材质的导体连接时会产生接触电动势;
同一材质的导体在两端温度不同时会产生温差电动势,这两部分之和组成了热电偶的总热电动势[2]。
这一现象称为热电效应或赛贝克效应
(SeebackEffect)。
两导体形成回路的总热电动势如式
(1)所示:
式中:
指热端和冷端温度;
指赛贝克系数,大小与热电极材料有关。
K型(镍铬⁃镍硅)热电偶,温度每变化1℃,电压变化为41。
所以其對应的电压输出和温度的关系式如下:
由式
(2)可知,只要知道和便可求出当前温度。
的最先确定称为冷端补偿,又加上热电偶输出的电压都是级别,所以必须经过放大。
而AD595是AD公司生产的一款热电偶专用放大器,将仪器放大器和热电偶冷接头补偿器全部集成在1块单片芯片上,产生一个10mV/℃的输出,能很好地完成电压的放大和冷端补偿[9]。
众所周知,在实际应用中热电偶可能由于各种原因发生断路,使仪器不能正常工作,如果不能及时发现,势必给工业生产造成损失
[10]。
AD595有热电偶断线检测功能,并将断线警报由ALM+和ALM-输出,若不用此警报,则必须将ALM-短接于COM;
其余的C+,C-,T+,T-为校准接脚,可接电阻来改变放大倍率值[11]。
经过AD595放大的热电动势并不能直接输入给C8051F340控制器,因为其ADC模块在单端输入时只支持0~VREF(使用内部参考电压3.3V),所以必须将其再次放大到0~
VREF之间。
使用AD595和两级放大的电路如图2所示。
2.2蓝牙和无线供电电路设计
HC ⁃04/06主从蓝牙模块工作在3.3V的电压下,提供了34个外设接口,支持在线编程,用户可根据要求选择连接接口,因此被广泛应用在车载、GPS和工业传输等场合中。
内置了
2.4GHz天线,不需要对天线进行调试。
使用蓝牙前,可以用串口助手发送命令进行主从模块的连接和波特率设置。
工作中的蓝牙只有在硬件链路产生信号衰变时出现误码,其自身的误码率为0。
整个系统采用HY0012无线供电模块进行供电。
该模块内部集成了振荡电路、整形电路、检测电路、频率干扰抑制电路、电流自动控制、无线发射管等,输入电压支持5~18V。
在常规应用下,能为接收端提供300~2000mA的供电电流,并把电磁波频率控制在对人体无害区域。
由于利用了电磁波传输时的谐振技术,传输效率可达70%以上。
蓝牙和无线供电电路如图
3所示。
3软件设计和实验
3.1下位机和上位机软件设计
下位机的软件设计主要是对C8051F340中ADC0、UART0的设置,以及完成数据运算处理和发送。
需要特别注意的是,被选择为ADC0输入的引脚应被设置为模拟输入,并且应被数字交叉开关跳过。
ADC0配置函数如下:
voidADC0_Init (void)
{
ADC0CN=0x02 ;
//选择定时器2溢出触发REF0CN=0x03 ;
//选择内部参考电压AMX0P=0x04 ;
//ADC0正电压接入引脚P2.5
AMX0N=0x1F ;
//ADC0负电压接入引脚GNDADC0CF= ((SYSCLK/3000000)⁃1)
// 设置SAR时钟为3MHzEIE1=
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- 基于 蓝牙 无线 测温 系统 设计 实现