基于電力載波的智能溫度變送器

摘要：為達到工業應用的溫度信息傳送及監測功能，設計了一種基于電力載波通信技術的新型溫度變送器。采用熱電偶采集溫度，利用MAX6675對模擬溫度信號實施冷端補償、線性化和數字化；通過電力載波技術完成信號調制、傳輸和解調；最終由STM32單片機接收數據并實時顯示溫度值，實現了電路系統設計。電路系統驗證表明：系統具有不需重復布線、抗干擾能力強、穩定可靠、測量范圍廣等優點，實現了智能溫度變送功能，非常適用于企業生產環境的溫度監測。
引言
　　智能測溫技術是智能時代的必然產物[1]。將智能測溫應用到工業領域，可以實時對溫度進行正確測量。智能溫度變送器利用微處理器代替傳統溫度計對溫度進行識別、測量和數據加工[3]。鑒于微處理器的不間斷工作、全方位無死角監控等特點，豐富了智能工業的內容，有著廣泛的應用和發展前景。電力載波技術通過工業電力線網來傳輸控制信號，實現對工業電力線網上的工業設備的智能監控。同時，電力載波具有無輻射、無需重新布線、節能環保、簡單易用等特點，為智能溫度變送器提供了新的解決方案。
　　為達到工業應用的溫度信息傳送及監測功能，本文設計一種基于電力載波通信技術的新型溫度變送器。方法是首先采用熱電偶采集溫度，利用MAX6675對模擬溫度信號實施冷端補償、線性化和數字化；其次通過電力載波技術完成信號調制、傳輸和解調；最終由STM32單片機接收數據并實時顯示溫度值。
1系統硬件設計
　　智能溫度變送器主要由溫度采集、數據調制發送及解調接收、顯示三部分組成。溫度采集的設計是基于K型熱電偶、MAX6675及STM32單片機進行的；數據調制發送及解調接收采用電力載波技術，通過DSSS調制實現信號的過零調制及解調；溫度由另一端的STM32單片機接收數據后，完成處理并顯示。智能溫度變送器系統框圖如圖1所示。
 
2溫度采集和變換設計
　　溫度采集部分是利用熱電偶傳感器的熱電效應原理實現的[4]。K型熱電偶[5]由于其熱電動勢大、靈敏度高、均勻性和線性強以及其性價比高等諸多優點，被廣泛運用到工業測量當中。
　　使用熱電偶所得到的溫度信息是模擬小信號，需要對其進行A/D變換，輸送給STM32單片機系統。溫度信號的A/D變換利用MAX6675芯片實現。MAX6675溫度分辨率高達0.25℃，冷端補償范圍寬至-20~+80℃，工作電壓為3~5V，兼具冷端補償和線性矯正的優點，它可以直接將溫度信號轉換為12位數字量。其內部包含了信號放大器、12位A/D轉換器、冷端補償傳感和校正、數字控制器、SPI接口、邏輯控制等組成。MAX6675內部結構如圖2所示。
 
　　冷端溫漂是影響熱電動勢的主要因素，并且熱電偶熱端接觸測量設備，冷端被封裝在芯片內部，其通過熱電動勢效應測量出的電勢差并非對應0電壓。因此，要想確保測量結果的正確性，就必須在A/D變換的過程中保持冷端溫度的恒定，即冷端補償。
　　芯片內部采用熱敏電阻測量環境溫度，并轉換為電壓。將放大的熱電偶電勢差（測量溫度）和熱敏二極管電壓（環境溫度）疊加交給MAX6675的ADC轉換模塊，進行采樣、量化、編碼形成正確的數字信號，從而實現冷端補償和A/D變換，確保溫度信號的正確性。
3微處理器電路設計
　　在溫度轉換過程中，選用STM32作為處理器，需要接收來自MAX6675的16位數字信號并計算得到實際溫度值，因此將MAX6675的數據輸出引腳S0與STM32的MISO接口PB14相連。MAX6675的片選信號與時鐘信號都由STM32提供，需將STM32的片選引腳PB12和時鐘引腳PB13分別與芯片的CS和SCK相連。具體連接線路如圖3所示。
 
　　MAX6675的工作時序如下：當CS引腳從低電平變為高電平時，MAX6675進行信號轉換。當CS從高電平變成低電平時，MAX6675停止信號轉換，并以SCK時鐘為基準通過SO管腳對外發送數據；在CS由高變低時，SO串行輸出16位數據，每個時鐘下降沿輸出一位。D15始終無用，D14~D3為從MSB到LSB排列的熱電偶電壓模擬量轉化而來的數字信號，D2用于檢測熱電偶是否斷線（熱電偶工作時為0，熱電偶斷開時為1），D1為標識符，D0為三態。熱電偶斷線檢測時，T-必須接地，并使其盡可能接近GND引腳。同時為降低電源耦合噪聲，需在電源引腳和接地端之間并聯接入一只0.1μF的電容。
4溫度信號傳輸設計
　　電力載波是將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術[7]，其最大特點是利用現有電力線，不需重新架設網絡，就能進行數據傳遞。電力載波電路如圖4所示。
 
　　整個電力載波溫度信號傳送電路由發送和接收兩部分組成，兩部分均由單片機和電力載波電路實現功能[8]。利用電力線作為接收和發送部分的載體，實現數據通信和傳送。電力載波電路結構如圖5所示。
 
　　STM32（甲）將采集的數字信號通過串口發送至電力載波電路A，A將數字信號進行DSSS調制送上電網。與此同時，電力載波電路B從電網上截取調制信號，同樣通過DSSS解調方式還原信號并通過串口發送至STM32（乙）。STM32（乙）將接收到的數字信號線性轉換為十進制溫度，再通過串口在PC端或通過LCD屏實時顯示在接收端。串口通信統一設為波特率9600bps，無校驗位。
5軟件設計
　　當系統開始工作時，首先STM32對其內部控制寄存器初始化，使得SPI總線，串口1、2正常工作。STM32（甲）在接收溫度信號時，拉低片選信號讀取MAX6675發送的高8位數據c，將其左移8位賦給i。緊接著再次讀取MAX6675發送的低8位數據c，將其與高8位數據i進行或操作，得到一個完整的16位溫度數據。再將16位數據i右移3位，得到D14~D3的12位有效數據并賦給t，那么當前溫度temperature=0.25t。判斷i是否為有效數據，在其基礎上判斷D2，確定熱電偶是否正常連接。當兩重判斷都成立時，即可通過STM32（甲）與電力載波電路A的連接將數據調制送上電網。最后，通過電力載波電路B接收調制信號并解調恢復，在STM32（甲）的LCD屏或者與STM32（乙）連接的PC端實時顯示，以達到遠端監測工業生產設備溫度的目的。溫度采集及發送流程圖和關鍵代碼如圖6所示，溫度接收及顯示流程圖和關鍵代碼如圖7所示。
 
6系統測試
　　考慮到在一個標準大氣壓下，沸水溫度穩定在100℃，故將沸水100℃作為實驗室測試該溫度變送器的環境條件。為了檢測電力傳輸距離，將STM32（甲）和STM32（乙）分布在約100m遠的220V電力線兩端，實時測試沸水溫度。整個系統工作正常，與STM32（甲）連接的LCD顯示屏顯示實時測量溫度為99.25~99.75℃之間。該系統可靠地完成了溫度采集、電力載波通信以及溫度顯示功能。
 
7結束語
　　與傳統的模擬溫度變送器相比，本文設計的智能溫度變送器有強抗擾、強抗衰、遠距離傳輸等優點，能把溫度數據更加正確、具象地呈現在監控員眼前，從而為智能工業領域的測溫系統提供一種全新可選擇方案。同時，它無需重新架設線纜，體現出極高性價比，具有巨大的實際應用價值。