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无线数据传输的便携式热电偶测温系统的研究

编辑:金沙官网        发布日期:2018-06-22        点击量:821

目前,测温的方法很多,最常用的是热电偶。热电偶是工业生产中用于热工监测与测试所必备的计量工具,在生产过程中发挥着重要的作用。热电偶是基于物体的热电效应,将温度信号转换成电压信号进行传递,这种测温方式方法不仅可以远距离传递,而且可以集中检测和控制。由于热电偶要求冷端温度为0℃,所以在使用时应对冷端温度进行补偿。同时由于热电偶输出的热电动势与温度呈现非线性关系,为了提高系统的测温精度,所以必须使用高精度的A/D转换器和低温漂的放大器件。存储测试系统是把传感器、适配电路、A/D转换器、存储器、控制电路、接口电路以及电源等集合在共同,组成一个微型化测试系统。在实际应用中,要将存储测试系统预先置入被测环境,等记录完毕后回收测试系统,并连接读数电缆以读取测试数据。存储测试技术具有体积小、低功耗、抗干扰、不需要外接引线、标定和校准方便等特点。

本文把无线数据传输模块和存储测试系统结合起来,能实时读取系统的状态,对系统参数进行在线设置,同时集成了USB接口,保证了数据能安全可靠地读取出来。本系统没有外部连线,便于在试验场的布设。系统采用钢外壳,能很好保护内部电路。采用优化的结构设计,减小了体积和重量。

 

无线数据传输的便携式热电偶测温系统的研究

测试系统总体设计及工作原理

1.测试系统总体设计

图1所示为系统总体设计框图,主要有温度测量传感器、冷端温度补偿传感器、数据采集存储模块、无线传输与控制模块、USB接口单元及电源等部分。

本系统采用的测量端传感器是美国热电偶生产的E12型钨铼热电偶,该热电偶的测温范围是0~2 315℃,测温精度为1%F.S,响应时间<20μs,压力范围高达10 000 PSI。冷端温度补偿传感器采用的是MAXIM的DS600高精度模拟温度传感器,它在-20℃~+100℃的范围内具有±0.5℃的精度。它的输出增益为6.45 mV/℃,0℃时偏移量为509mV。如果存在项目问题不大,校准证书还是可以出具的,结合校准证书使用,存在不合格项目就会限制使用。

2.7~5.5 V电源电压范围。重庆计量校准开展全市计量器具新产品的定型鉴定、型式评价及全性能试验,计量器具的司法鉴定、仲裁检验、科技成果鉴定工作;

数据采集模块主要由模拟调理电路、A/D转换芯片、CPLD芯片、存储器、单片机及USB芯片等部分组成。其功能是完成对目标信息的采集处理,数据可以通过USB接口传输到计算机中。根据测试目的的不同,通过单片机控制来改变系统参数完成测量任务。无线传输与控制单元由无线发送模块和无线接收模块组成,主要功能是完成对数据的发送和接收,以及对数据模块的控制功能,它主要通过单片机对无线收发芯片的控制来实现。

2.系统工作原理

系统上电后,无线控制从模块处于接收状态,等待无线控制主模块控制信号的到来;等待系统经过一个稳定时间后,打开计算机的VB主控界面,配置系统参数,信号经过无线控制主模块发出,同时无线控制主模块进入数据接收状态,等待采集的试验数据的到来并能实时检测系统所处的状态。

3.系统电源输出

3.V电压,同时晶振输出8MHz时钟信号,数据采集模块进入待触发工作状态,测量端传感器输出的模拟信号经过模拟电路调理后,经过A/D采样,并不断在SRAM中覆盖。当电路触发后,经过A/D采样后的数据不断写到SRAM中,一定的时间后,CPLD控制A/D采样芯片进入休眠状态,系统进入低功耗阶段。

冷端温度传感器采集到的冷端温度模拟信号经单片机内部的A/D转换后存入单片机内部的RAM中。

本系统存储的数据有两种读取方式方法,一种就是经天线由从模块传到主模块,再通过主模块的USB接口读取到计算机内存中。另一种就是把测试系统中的数据经过USB口直接读取到计算机内存中。测试App能将读取到的数据以文件的形式保存下来,并能将测试曲线实时地显示在计算机屏幕上。

 

数据采集存储模块的设计

数据采集存储模块主要由运算放大器、低通滤波器、A/D转换器、CPLD、单片机、静态存储器及USB芯片等部分组成,如图2所示。重庆计量校准计和工作计量器具的检定、校准及检测工作;数据采集存储模块的功能是处理传感器输出的电压信号,满足A/D采样要求。模拟电路电源产生3.3 V电压,数字电路产生3.3 V电压为各个芯片供电。A/D负责信号的采集,其所允许的模拟输入电压的最大值为2.5 V。在不给系统施加触发信号以前,A/D采集完的12 bit数据不断地循环写入SRAM中。当电路触发后,A/D采集的数据写入该SRAM地址单元。系统具有负延时功能,可以将触发前的一段信息有效地保存,从而得到完整的温度测试曲线。系统上电延时、A/D采集、写SRAM以及负延时功能,均由CPLD对数字电路的逻辑控制来完成。冷端传感器输出的信号经过单片机内部的A/D转换后存储到单片机内部的RAM中。单片机控制将数据通过USB芯片传输到计算机中,也可以通过CPLD控制将数据传给无线通信模块。

 

无线数据传输模块的设计

无线传输系统的功能就是实现计算机和数据采集存储模块之间指令和数据的无线传输。根据连接对象的不同,以无线信道为界划分为两个子系统,分别为连接计算机的主控系统和连接测试系统的从控系统。其中从控系统对应连接测试系统,主控系统通过USB接口与计算机相连,主控系统与从控系统一一对应,如图3所示。


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