无线温湿度测量系统及其应用

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1、无线温湿度测量系统及其应用 The Wireless Measuring System of Temperature and Humidity and Its Application 曹柏荣 冯运达 瞿丹晨 (上海第二工业大学,上海 201209) 摘 要 介绍了利用无线收发元件构成的无线温湿度测量系统的设计方法。采用这种测量方案,不必敷设电缆,节省了费用和时间。 而且,改变测量点位置和增、 减测量点的数目都非常简单。由于采用CMOS材料的低功耗集成电路,测量可以使用电池供电,便于使用 和维修。 关键词 无线收发元件 温湿度测量 单片机 串行通信 VB Abstract The design

2、method of the wireless temperature and humidity measuring system by using wireless transceiving component is introduced. With this method , wiring is not necessary thus it saves money and time. In addition , it is also simple when the measuring position will be changed or measur2 ing points will be

3、increased or decreased. Because of using CMOS low power consumption integrated circuits , battery powered is possible , it brings the advantages of ease operation and maintenance. Keywords Wireless transceiving component Measurement of temperature and humidity Single chip computer Serial communicati

4、on VB 0 引言 温湿度测量在工业生产中有着广泛的应用。通 常,要实现温湿度测量和自动控制,监控室与现场之间 必须敷设大量的电缆,这是一个麻烦的问题。本文提 出采用无线温湿度测量的方案,不必敷设电缆,可以节 省费用和时间。而且,当生产工艺改变而需要改变温 湿度测量点位置和增加或减少测量点数目都非常方 便。在本设计中,采用了CMOS材料的低功耗集成电 路,编码器、 解码器的工作电压在26V之间,静态电 流为110A ,工作电流小于2mA ,无线接收发射电路 的工作电压为6V ,发射时的最大电流为8mA ,因此各 测量点也可以用电池供电,使用和维修将更方便。 1 方案设计 1.1 系统框图 该

5、系统最多可有32个测量点,即可以测量16个 温湿度点。无线温湿度测量系统的框图如图1所示。 图1 无线温湿度测量系统框图 在图1中,当单片机温湿度接收发送控制器发出 某一地址信号后,被选中的无线温湿度测量发射模块 的发射电路则接通电源开始工作,向外发射信号,没有 被选中的无线温湿度测量发射模块不向外发射信号。 这样,在无线温湿度测量系统中,无线温湿度测量发射 模块可以使用相同频率的发射和接收信号进行工作, 简化了电路和方便信号的调试,以便保证单片机在每 一时段能够接收到一个稳定的测量信号。 1.2 技术指标 温度测量范围:0 + 40 测量精度:013 湿度测量范围:20 %95 % 测量精度

6、:3 % 测量点数:16个温湿度点 1.3 无线温湿度测量发射模块 在图2中,温度传感器采用MF5E热敏电阻 (R 25=10k ) , 湿度传感器采用MHS1100电容式湿度 传感器。JDD400是无线接收组件,工作电压69V。 JDD400接收到由单片机温湿度接收发送控制器发送 来的信号后,由VD5027解码器译出8位地址码和4位 控制命令。VD5027解码器是18脚的CMOS双立器件, 与VD5026编码器配合使用。如果接收到的地址码与 本测量模块的地址相同,则在4位控制命令的作用下, 接通A/ D0801电路、RTS5703编码器和FDD400发射器 的工作电源,依次将温度和湿度测量处

7、理电路的0 5V直流电压信号与A/ D0801连接,并转换成8位二进 制数,传送给RTS5703编码后,通过FDD400无线发射 器把温度或湿度的测量值发送出去,完成了温度或湿 度测量信号的发射工作。RTS5703是具有8位数据输 入、 一位编码输出的数字编码器,可以接受A/ D转换 器的二进制数据。FDD400是与JD400配对的无线发 03 自动化仪表 第26卷第7期 2005年7月 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol.26 No.7 July 2005 射组件,结构与JD400相似,组件发射功率为01045W, 不接天线时有效接收、 发射距离在5

8、00m左右,外接 30cm天线时,有效距离可达800m左右。对于任意一 个温湿度测量模块都有其相应的地址,单片机温湿度 接收发送控制器通过发射该地址值而不同的控制命 令,来分别控制该模块的温度或湿度信号的发射。 图2 无线温湿度测量发射模块框图 1.4 无线温湿度测量接收模块 如图3所示,单片机向VD5026编码器发出8位地 址值(该系统原则上最多可以接收256个测量点)和4 位控制命令,编码后由FDD400无线发射出去,由 JDD400接收器接收被选中的测量模块发射来的温度 或湿度的测量信号,通过RTS5703解码器得到8位二 进制的测量数据输入到单片机,RTS5703是与RTS5702 配

9、对使用的数字解码、 编码器,都是双立CMOS电路, 有16个引脚,它们的特点是没有地址线,只有8位数 据线,因此可以直接和8位A/ D转换电路连接,对数 据进行编码和解码。 图3 单片机温湿度接收模块 1.5 单片机温湿度接收发送控制器 在图3中,单片机依次循环地发射16个温湿度测量 模块的地址值,并不断地接收温湿度的测量值。把被测 模块的地址值、 测量的数据和数据的性质(温度值或湿度 值)通过RS- 232串行口传送到PC机。PC机也可以通过 RS- 232串行口,对单片机进行控制,改变测量的顺序或 个数,或改变测量的方式,以适应测量和控制的要求。 2 测量电路 2.1 温度测量电路 在本系

10、统中,温度传感器采用半导体热敏电阻,如 图4所示。Rt是半导体热敏电阻温度传感器,型号为 MF5E(R25= 10k ) , 采用011 %精度的热敏电阻,可以 直接进行互换。热敏电阻的灵敏度高,电阻值大,导线 的长度和接触点电阻对测量的影响小。E为高精度稳 压电源,R为热敏电阻的三点式线性校正电阻。所谓 三点式线性校正,就是在测量电路里,串联一只固定电 阻来补偿热敏电阻的非线性。补偿后,在10范围 内,最大误差约为 0101,在30范围内,约为 0105,50 范围约为 016,100 范围约为 3。 补偿电阻R的数值可按下述方法求出。首先,把 测量区间划分成二等分,所得三个温度点由低至高分

11、 别是Ta、Tb和Tc,相对应的热敏电阻阻值分别是Ra、 Rb和Rc。 图4 温度测量电路 即有:Vc-Vb=Vb-Va 亦即 Rc R1+ Rc E - Rb R1+ Rb E = R1 R1+ Rb E - Ra R1+ Ra E 整理后有: Rc R1+ Rc + Ra R1+ Ra = 2R6 R1+ R6 R1= Rb ( R a+ Rc ) - 2RaRc Ra+ Rc-2Rb 由上式可知,电路非常简单,但大大改善了热敏电 阻的非线性状态。热敏电阻的取样电压和测量的零点 迁移电压通过R1、R2加到运算放大器,进行相减后再 放大,成为05V的电压信号,供后级使用。 2.2 湿度测量电

12、路 湿度传感器采用MHS1100电容式传感器,是不需 要校正就可以互换的传感器,可以直接输出线性电压, 测量应用电路如图5所示。图5中Vcc = 4180 5120V ,Vout = 01033RH + 011所有电阻及电容C2的 精度为1 %。 图5 湿度测量电路 3 PC机与数据处理 (下转第34页) 13 无线温湿度测量系统及其应用 曹柏荣,等 人员或检修人员及时处理。 由于DVC5000系列数字智能定位器采用了微处 理器技术和新型的传感器技术及现场总线技术,使其 不仅仅只是一只阀门定位器,而是智能数字控制器和 阀门定位器集成的新型智能数字控制器。它大大提高 了作为控制回路终端执行元件

13、调节阀的精度,使 其达到015 % ,极大地改善了控制回路的调节品质。 同时它使控制功能下移至现场仪表,实现了控制系统 的风险彻底分散。 2 DVC应用 DVC技术取得重大应用进步的示例是用于紧急关 闭(ESD)阀的部分行程测试。一些公司通过延长连续 过程的运行时间来增加利润。延长包括安全仪表系统 (SIS)的过程运行时间常要求改变安全系统测试频率, 使用紧急关闭(ESD)阀的部分行程测试。部分行程测 试可帮助运行人员保证在安全系统范围内的ESD阀 能按要求操作。将具有在板诊断程序和可获得通信性 能数据的主系统DVC用作ESD阀,使其成为部分行程 测试解决方案的一部分,以满足常规要求。 部分行

14、程动作测试可以确认阀门工作正常与否, 不会干扰工艺过程。由于试验期间不需要切断工艺过 程,测试可以更加频繁地进行。又由于整个测试过程 可以用程序编入数字智能定位器中,所以部分行程动 作测试能够自动进行而不需要操作员的关注。 通过提供阀门性能恶化分析,数字智能定位器对 于预见性维护是一个很大的帮助,这一点对于安全系 统里的关键阀门是很重要的。在进行部分行程动作测 试时,如果由于某种原因阀门卡住了,有些数字智能定 位器并不完全释放执行机构压力。可以确保阀门解卡 后不会突然关闭。而数字智能定位器会放弃测试并发 出报警,告诉操作员阀门卡住了。 总之,考虑到这些独特的好处,使用数字智能定位 器进行部分行

15、程动作测试是确保紧急停车安全系统可 靠性的一种明智而经济可行的解决方案。 3 结束语 随着计算机技术、 数字通信技术、 新型传感器技术 和现场总线技术的发展以及数字智能定位器应用范围 不断扩大,基于现场总线技术的数字智能定位器在工 业控制领域将会得到更大的发展。 参考文献 1 阳宪惠.现场总线技术及应用.北京清华大学出版社,1999.5 修改稿收到日期:2005 - 01 - 15。 第一作者赵剑明,男,1969年生,1992年毕业于西安交通大学化工自动 化与仪表专业,获学士学位,工程师;现从事化工自动化工程管理及应用。 (上接第31页) PC机用VB610进行编程,通过RS - 232串行口

16、, 可以方便地与单片机进行数据的串行通信。VB610是 一种具有强大数据处理和图形处理功能的高级语言, 提供了许多控件供用户使用,其中MSCOMM.OCX就是 用于串行通信的控件。PC机与单片机的通信协议设 定波特率为9600 ,偶校验,8个数据位,一个停止位。 PC机把单片机传送过来的温湿度测量值存放在内存 中,并可以利用PC机的时间功能,记录下测量数据的 时间。VB编写的应用程序,可在显示屏幕上以表格或 曲线的形式来显示温湿度的值,还可打印和存储大量 的温湿度测量值,供以后参考和分析,也是对单片机性 能不足的补充。 可利用VB610对测量的数据进行数字滤波,提高 温湿度的测量精度。也可以用最小二乘法,对测量结 果进行线性化处理,进一步提高测量的精度。 4 结束语 本无线温湿度测量系统的应用现场是浙江安吉的 农业种植园,用于温室栽培中的温湿度测量。可以根 据种植的需要,方便地改变测量点的位置。同样,该原 理也可以用于农业种植中对其他参数测量和设备控 制,实现无线遥测和遥控,提高现