智能定位便攜式測溫儀

李 彤， 胡 彧

(太原理工大學 測控技術研究所，山西 太原 030024)

智能定位便攜式測溫儀

李 彤， 胡 彧

(太原理工大學 測控技術研究所，山西 太原 030024)

設計一種基于MSP430單片機的應用于電力設備測溫的便攜式紅外測溫儀。采用射頻識別(RFID)技術對測量地點進行定位?；诜墙佑|、遠距的測量特點，設計采用紅外測溫傳感器MLX90614測量目標溫度，同時，利用環(huán)境溫度傳感器采集環(huán)境溫度，依據(jù)紅外測溫原理對目標溫度進行高精度修正。系統(tǒng)內置SD2200時間模塊，準確記錄測量時間。系統(tǒng)內置USB讀寫模塊，將位置信息、目標溫度、環(huán)境溫度、修正溫度、測量時間記錄在內置SD卡內，方便導入電腦并生成報表。該便攜式測溫儀從根本上杜絕電力巡檢中漏測、錯記的問題，生成報表方便查詢，大大提高工作效率。

紅外測溫儀； MSP430； 射頻識別； MLX90614； 溫度修正； 電子報表； USB讀寫

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，電力系統(tǒng)運行安全越來越重要。電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行問題是一個關系到社會穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展的世界共性問題，歷來受到各國政府和電力企業(yè)的高度關注[1]。據(jù)統(tǒng)計，電力系統(tǒng)發(fā)生事故原因中有相當一部分與過熱問題有關。在長期運行中，電力設備及其接觸點的溫度會因各種原因升高，溫度超標直接影響設備的安全運行和使用壽命，甚至引起火災和大范圍停電，造成巨額的財產(chǎn)損失[2]。為確保供電可靠性,電力公司必須定期對線路設備進行巡檢,及時發(fā)現(xiàn)早期損傷和缺陷,安排必要的維護和修復[3]。因此，高效率、零錯誤的電力巡檢對于保障電力系統(tǒng)的正常運行就尤為重要。

國內外現(xiàn)有的測溫設備，測量地點、時間和測量結果的記錄主要是依靠工作人員進行紙質表格的記錄，效率低，可能出現(xiàn)漏測、錯記的問題，甚至某些工作人員未去現(xiàn)場檢測直接填制報表，導致設備故障未能及時發(fā)現(xiàn)，造成巨大的財產(chǎn)損失。本文設計的智能定位便攜式測溫儀可對測量地點準確定位，記錄測量時間，利用環(huán)境溫度進行溫度修正，并將各信息直接存入SD卡內，生成電子報表與溫度曲線，方便按地點或時間查詢，顯著提高工作效率，為保障電力系統(tǒng)安全做出巨大貢獻。

1 系統(tǒng)整體設計

本系統(tǒng)由3個部分組成：信息采集部分、中央處理器和信息顯示及存儲部分。系統(tǒng)主要構架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖Fig 1 Structure diagram of the overall system

如圖1所示，信息采集部分包括射頻識別(radio frequency identification,RFID)模塊、紅外測溫傳感器、環(huán)境溫度傳感器和時間模塊。待檢測的電力設備旁安裝EM4100射頻卡，利用RFID模塊讀取射頻卡信息；紅外測溫傳感器MLX90614和環(huán)境溫度傳感器分別采集目標溫度和環(huán)境溫度；SD2200時間模塊記錄測量時間。

本系統(tǒng)中央處理器為MSP430單片機，其低功耗、運行穩(wěn)定的特點保證本系統(tǒng)的可靠性。處理采集到的如下信息：根據(jù)讀取的射頻卡信息對測量地點進行定位；根據(jù)采集的目標溫度和環(huán)境溫度計算得出修正溫度；將修正溫度與設定好的正常溫度區(qū)間進行對比，若溫度異常則報警；從SD2200時間模塊獲得的測量時間(年—月—日—小時)。

信息存儲部分由CH376S，SD卡以及12 864液晶屏組成，由于中央處理器不支持USB接口，故采用CH376S進行USB讀寫操作，將地點信息、目標溫度、環(huán)境溫度、修正溫度、測量時間按標準格式寫入SD卡內，生成電子報表。

2 硬件設計

2.1 RFID

RFID技術是一項利用射頻信號通過空間耦合(電磁場或交變磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并且通過所傳遞的信息來達到識別目的的技術[4]。RFID系統(tǒng)由硬件、軟件和基本數(shù)據(jù)格式與通信協(xié)議三部分組成。RFID系統(tǒng)硬件部分主要由電子標簽、閱讀器和天線組成。

本系統(tǒng)電子標簽(EM4100射頻卡)提前安裝在各個待測設備旁，閱讀器和天線安裝在便攜式設備上。閱讀器通過RS—232接口與中央處理器連接并進行數(shù)據(jù)交換，測量時將閱讀器靠近射頻卡即可讀取出射頻卡信息并將其傳遞給MSP430。該系統(tǒng)使用的RFID模塊(閱讀器)以EM78P259N系列單片機為處理器，供電電壓為5 V，支持卡片頻率為125 kHz，讀卡距離小于16 cm，輸出接口為UART輸出，可直接將射頻卡信息傳遞給MSP430。

2.2 紅外測溫傳感器

由于高壓帶電體所處環(huán)境為高電壓、大電流、強磁場等惡劣環(huán)境，為了安全和準確性考慮，本系統(tǒng)使用遠距離紅外測溫傳感器MLX90614，其物距比為12∶1，測溫范圍-70～380 ℃，在室溫范圍內提供的標準精度為±0.5 ℃。紅外傳感器與MSP430的通信使用SMBus總線，具體連線如圖2所示。

圖2 紅外傳感器電路圖Fig 2 Circuit diagram of infrared sensor

2.3 CH376S進行USB讀寫

本系統(tǒng)的一大優(yōu)點是將采集到的相關信息按固定格式寫入SD卡內并生成電子報表，杜絕漏測、錯記問題，方便查詢，大大提高工作效率。由于MSP430不支持USB接口，故使用恒沁公司的CH376S完成USB讀寫任務。CH376是文件管理控制芯片，用于單片機系統(tǒng)讀寫U盤或者SD卡中的文件，其中,內置了USB通信協(xié)議的基本固件，內置了處理海量存儲設備的專用的通信協(xié)議的固件，內置了SD卡的通信接口固件，支持常用的USB存儲設備；此控制芯片支持3種通信接口，分別是：SPI接口、八位并口、異步串口，可以由用戶按需求隨意選??；支持USB設備的控制傳輸、批量傳輸和中斷傳輸；提供文件管理功能，包括：打開、刪除和新建文件，枚舉和搜索文件、創(chuàng)建子目錄、支持長文件名；提供文件讀寫功能，包括：以字節(jié)為最小單位或者以扇區(qū)為單位對多級子目錄下的文件進行讀寫操作；提供最高3 Mbps 速度的異步串口，支持連接到單片機的串行口，支持通信波特率動態(tài)調整；支持5 V電源電壓和3.3 V電源電壓以及3 V電源電壓，支持低功耗模式。CH376S通信接口如圖3所示。

圖3 CH376S通信接口Fig 3 Communication interface of CH376S

本系統(tǒng)通信接口可通過WR#和RD#引腳的高低電平設置接口方式。例如：兩引腳都為低電平則為SPI方式，兩引腳都為高電平則為異步串口方式。CH376S電路圖如圖4所示。

圖4 CH376S電路圖Fig 4 Circuit diagram of CH376S

3 軟件設計

3.1 軟件設計整體流程圖

整個系統(tǒng)軟件的設計主要包括RFID、溫度采集、溫度修正、USB讀寫、液晶顯示5個部分。圖5為系統(tǒng)主程序的流程圖，硬件初始化后開始工作。

先對射頻卡識別并得出地點信息，如果位置識別正確，開始采集溫度；如果無法正確識別位置信息，則不采集溫度，繼續(xù)進行RFID。通過紅外測溫傳感器和溫度傳感器分別采集到目標溫度和環(huán)境溫度后送入MSP430計算，得出修正溫度并判斷是否在正常溫度區(qū)間，若超標，則報警。將時間和以上信息按固定格式在液晶屏顯示并傳遞給USB讀寫模塊記錄在SD卡內。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖Fig 5 Flow chart of main program

3.2 SMBus總線

本系統(tǒng)采用紅外傳感器MLX90614采集目標溫度，其采集到的數(shù)據(jù)信息通過SMBus總線傳遞給MSP430處理。每一個數(shù)據(jù)采集周期MLX90614傳遞給MSP430處理器16位數(shù)據(jù)，分2次傳輸，每次發(fā)送1個字節(jié)。MLX90614默認從器件地址為5BH，對5BH和00H均能作出響應。SMBus總線數(shù)據(jù)傳遞流程圖如圖6所示。其中，S為起始位，Slave Address為從器件地址，Wr為寫標志，Command為命令字節(jié)，Rd為讀標志，PEC為出錯數(shù)據(jù)包，P為停止位[5]。數(shù)據(jù)傳輸是以字節(jié)為單位進行的，每次發(fā)送1個字節(jié)( 按位來發(fā)送) ，然后判斷對方是否應答，有應答，則繼續(xù)發(fā)送下一個字節(jié)；否則，重復發(fā)送該字節(jié)，直至得到應答信號，繼續(xù)發(fā)送[6]。

圖6 SMBus數(shù)據(jù)傳遞流程圖Fig 6 Flow chart of SMBus data transmission

3.3 CH376S

CH376芯片進行初始化之前，需要發(fā)送CMD_CHECK_EXIST命令用于檢查通信接口和工作狀態(tài)。檢查CH376芯片是否正常工作。當CH376芯片正常工作,即可對CH376芯片進行初始化。單片機需要發(fā)送CMD_SET_USB_MODE命令初始化CH376芯片。該命令需要輸入一個數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是模式代碼，模式代碼為03H時切換到SD卡主機模式，管理和存取SD卡中的文件。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口使用SPI接口，SPI同步串行接口信號線包括：SPI片選輸入引腳SCS、串行時鐘輸入引腳 SCK、串行數(shù)據(jù)輸入引腳SDI、串行數(shù)據(jù)輸出引腳 SDO、中斷輸出引腳INT#,以及接口忙狀態(tài)輸出引腳BZ(可省略)。CH376在SCK的上升沿采樣數(shù)據(jù)，在SCK的下降沿輸出數(shù)據(jù)；CH376工作在SPI模式時，將SCS由高變?yōu)榈椭蟮牡谝粋€字節(jié)作為命令處理；在一個命令周期處理結束之后,單片機應該將SCS置為高電平[7]。

本系統(tǒng)使用的主要命令有：

CMD_SET_FILE_NAME:該命令用于設置將要操作的文件或者目錄(文件夾)的文件名或者目錄名(路徑名)。

CMD_FILE_OPEN:該命令用于打開文件或者目錄，打開文件是讀寫文件之前的必要操作。

CMD_BYTE_WRITE:命令用于以字節(jié)為單位向當前位置寫入數(shù)據(jù)塊。

4 修正溫度的計算

根據(jù)紅外測溫傳感器的測溫原理，環(huán)境溫度會對測量結果有一定的影響。為了消除這種影響，本系統(tǒng)在使用紅外測溫傳感器測量目標溫度的同時使用環(huán)境溫度傳感器采集當時的環(huán)境溫度，將其傳遞給MSP430，根據(jù)設定好的精確算法計算得出修正溫度。設被測物體的溫度為T1,環(huán)境溫度為T2時,則該物體發(fā)出的凈輻射能Q[8]為

式中A為探測器的有效元面積；ε為物體的輻射率；α為物體的吸收率。

根據(jù)此公式，可計算得出更精確的修正溫度。

5 測試結果

測量結束后將SD卡插入電腦中，讀取TXT文檔并轉換為Excel表格，生成電子報表(表1)。TXT文檔的文件名是測量當日的時間，生成電子報表后，工作人員可以按時間或地點查詢溫度值并得到溫度曲線值。

表1 測試結果Tab 1 Test results

6 結束語

相比較國內外現(xiàn)有的便攜式紅外測溫儀，本系統(tǒng)在實時定位、自動記錄、測量精度和生成電子報表等方面具有很大的優(yōu)勢。系統(tǒng)成本較低，使用方便，顯著提高工作效率。在電力系統(tǒng)實際應用的4個月中，運行穩(wěn)定。

[1] 湯 涌.電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定綜合防御體系框架[J].電網(wǎng)技術,2012,36(8):1-5.

[2] 張振國,胡 彧.高壓帶電體溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].儀表技術與傳感器,2013(4):53-55.

[3] 陳中偉,肖 華,吳功平.高壓巡線機器人電磁傳感器導航方法[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,25(9):33-39.

[4] 王小輝,汪云甲,張 偉.基于RFID的室內定位技術評述[J].傳感器與微系統(tǒng), 2009, 28(2): 1-7.

[5] Melexis Corporation.MLX90614[EB/OL].[2012—09—22].http:∥www.doc88.com/p—970466610266.html.

[6] 田偉平，田 躍，李 杰.新型紅外測溫傳感器的原理與應用[J].傳感器世界，2007(12)：44-46．

[7] 沁恒電子.CH376手冊(一)[EB/OL].[2012—09—12].http:∥www.wch.cn/download/list.asp?id=124.

[8] 帕羅·E M·斯，塞斯·R D.輻射傳熱[M].北京：高等教育出版社，1982.

李 彤(1988-)，山西臨汾人，碩士研究生，主要從事便攜式儀器儀表技術的研究。

Intelligent positioning portable thermometer

LI Tong, HU Yu

(Institute of Measuring and Controlling Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

Based on MSP430 single chip microcomputer,a portable infrared thermometer used for electric power equipments is designed.The thermometer locates measurement location using radio frequency identification(RFID)technology.And based on noncontact and distant measurement characteristics,the design uses infrared temperature measuring sensor MLX90614 to measure the target temperature;using environment temperature sensor to collect environment temperature,the equipment corrects the target temperature according to the principle of infrared temperature measurement.The system built-in SD2200 time module to record measuring time accurately.Built-in USB read-write module to record the location,target temperature,environment temperature,modification temperature and measuring time in the internal SD card for importing computers conveniently and generating report.The portable thermometer puts an end to the missing and wrong record during power checking,and generates reports to make reading convenient,and greatly improves work efficiency.

infrared thermometer； MSP430； RFID； MLX90614； temperature correction； spreadsheet; USB read-write

2013—09—15

TH 865

B

1000—9787(2014)04—0095—04