基于CC2530和NTC熱敏電阻的鍋爐溫控系統(tǒng)

黃 東 趙 勇 張?zhí)扉_ 王顯靜

(青島理工大學(xué)自動化工程學(xué)院，山東 青島 266033)

鍋爐測溫在生產(chǎn)過程中隨處可見，但通過現(xiàn)場工人設(shè)置的方法對鍋爐溫度進(jìn)行控制時，由于鍋爐較多且生產(chǎn)環(huán)境惡劣或是有一定危險時，操作相對較麻煩，容易對工人人身安全造成威脅，因此需要一套遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對鍋爐溫度進(jìn)行控制。

微機電系統(tǒng)、片上系統(tǒng)、無線通信技術(shù)和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSNs)。WSNs是一種由傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，可將傳感器的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機[1]。因此將WSNs技術(shù)與監(jiān)控軟件相結(jié)合運用到鍋爐監(jiān)控中是溫控系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢?；诖?，筆者設(shè)計了一種以CC2530和NTC熱敏電阻為核心的智能化鍋爐溫控系統(tǒng)，利用低功耗的WSNs實現(xiàn)了鍋爐溫度的采集、顯示和測溫節(jié)點與協(xié)調(diào)器間的數(shù)據(jù)傳輸。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)①

鍋爐溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。傳感器使用NTC熱敏電阻，分壓電路將NTC電阻值轉(zhuǎn)換成電壓值；CC2530的AD轉(zhuǎn)換器采集電壓信號并將其轉(zhuǎn)換成實際溫度；單片機控制LCD顯示相關(guān)信息；串行時鐘芯片DS1302實時顯示和記錄系統(tǒng)時間；基于I2C總線的AT24C02用來保存用戶設(shè)定數(shù)據(jù)。每個測溫節(jié)點通過ZigBee發(fā)送測量數(shù)據(jù)至鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)或接收溫度等設(shè)定值，并將溫度設(shè)定值與測量值進(jìn)行比較，輸出控制信號驅(qū)動光耦，以控制繼電器的斷開與吸合。根據(jù)需要任意設(shè)定測溫節(jié)點數(shù)目，ZigBee測溫節(jié)點與ZigBee協(xié)調(diào)器自組網(wǎng)形成無線網(wǎng)絡(luò)，ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口通信方式與上位機進(jìn)行通信[2]。

圖1 鍋爐溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 ZigBee測溫節(jié)點

2.1 最小系統(tǒng)CC2530

最小系統(tǒng)CC2530內(nèi)嵌業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051CPU，共有21個數(shù)字輸入/輸出引腳，可以配置成普通通用數(shù)字I/O信號或外設(shè)I/O信號。ADC支持14位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，具有8個可配置通道，轉(zhuǎn)換結(jié)果可通過DMA寫入存儲器。同時，CC2530結(jié)合了黃金單元ZigBee 協(xié)議棧(Z-StackTM)，提供了一個強大和完整的ZigBee 解決方案。引腳P1_2和P1_1模擬I2C總線時序、讀寫AT24C02，P1_2和P1_1分別模擬I2C的SCL時鐘線和SDA數(shù)據(jù)線。本系統(tǒng)中射頻電路都是由TI官方提供，最小系統(tǒng)CC2530的電路如圖2所示。

圖2 最小系統(tǒng)CC2530的電路

2.2 系統(tǒng)電源

系統(tǒng)電源電路的主要功能是為各模塊提供不同的電源。整流芯片DB107將降壓后的220V交流電轉(zhuǎn)換成直流電，為整個測溫節(jié)點提供電源(圖3)。由于系統(tǒng)各模塊需要的電壓不同，系統(tǒng)電源電路模塊需要提供不同的穩(wěn)壓電路：LM7812為光耦和繼電器提供12V穩(wěn)壓電源；MC34063輸出5V電壓為液晶12864供電；同時，5V電壓通過降壓芯片ASM1117后輸出3.3V電壓為CC2530供電[3]。

圖3 系統(tǒng)電源電路

2.3 NTC熱敏電阻

NTC熱敏電阻是一種以過渡金屬氧化物為主要原材料，采用電子陶瓷工藝制成的熱敏半導(dǎo)體陶瓷組件，其電阻值隨溫度的升高而降低。電阻溫度特性可以近似地表示為：

RT=RNexp[B(1/T-1/TN)]

(1)

式中B——NTC熱敏電阻特定的材料常數(shù)；

RN、RT——NTC在額定溫度TN和溫度T時的電阻值，Ω；

T——溫度， K；

TN——額定溫度， K。

由于B值隨溫度變化，因此式(1)只能以一定的精度來描述額定溫度或電阻值附近的有限范圍[4]。本系統(tǒng)選用B=3950的NTC熱敏電阻CWF2-502F3950，基于精確的R-T曲線，采用查表方式對溫度進(jìn)行精確的測量[5]。

從R-T關(guān)系表中可以查出NTC的測溫范圍為-55～125℃，電阻值的變化范圍為242.64～250 062Ω，這么大的變化范圍給ADC測量帶來了困難，因此系統(tǒng)采用由NTC熱敏電阻和精密電阻Rm(10kΩ)構(gòu)成的串聯(lián)分壓電路測量鍋爐溫度，測量電路如圖4所示。CC2530的ADC有14位的精度，表中溫度對應(yīng)的ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為：

(2)

圖4 測量電路

將式(2)的計算結(jié)果以表格形式保存在內(nèi)存中。

2.4 線性插值

在ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過程中不可能每一個數(shù)值都在整數(shù)溫度對應(yīng)的ADC數(shù)值上，因此若采集的數(shù)據(jù)在兩個數(shù)據(jù)中間就要對其進(jìn)行進(jìn)一步的精確定位，這就要求知道采集的數(shù)據(jù)在表的具體位置，因此要對數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索、查找。如果出現(xiàn)非整數(shù)溫度的情況，可以利用線性插值法提高測量溫度的精度[6]。

插值求得的溫度值實際是直線L擬合溫度曲線T，這樣的做法難免有一定的誤差，但可以控制在允許的范圍內(nèi)，線性插值原理如圖5所示。

圖5 線性插值原理

已知點(X1，Y1)和(X2，Y2)，求(Xi，Yi)。由兩點可以得到直線L的方程為：

(3)

點(X1，Y1)和(X2，Y2)為相鄰溫度點，所以有X2-X1=1，則：

(4)

這樣將ADC轉(zhuǎn)換來的數(shù)值代入式(4)就可得到相應(yīng)的溫度值。

插值計算出來的值是小數(shù)，需要對其進(jìn)行特殊處理：基于定點計算思想，首先把數(shù)據(jù)規(guī)格化，將小數(shù)點定在第六位(即計算數(shù)值放大64倍)進(jìn)行計算，得到的溫度數(shù)據(jù)縮小64倍后就是實際溫度值。小數(shù)點定的位數(shù)越高，計算精度越高。插值計算是分段的，因此在處理過程中分段越細(xì)致，擬合的曲線越接近實際溫度曲線[7]。

3 軟件設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)器的工作流程如圖6所示。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、允許測溫節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)收發(fā)與處理。同樣，監(jiān)控軟件通過建立的網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y溫節(jié)點。協(xié)調(diào)器在不采集狀態(tài)時處于休眠狀態(tài)，即測溫節(jié)點不被查詢[8]。

圖6 ZigBee協(xié)調(diào)器的工作流程

ZigBee測溫節(jié)點工作流程如圖7所示。測溫節(jié)點一旦被查詢就開始采集溫度，采集到溫度濾波后傳送到CC2530，再發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機。如果溫度值超過設(shè)定值，CC2530控制繼電器動作。

圖7 ZigBee測溫節(jié)點工作流程

鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)由LabVIEW編寫，用VISA開發(fā)串口通信模塊。加載窗口，設(shè)定相關(guān)串口通信參數(shù)。打開串口后可以利用上位機接收、上傳、顯示和保存數(shù)據(jù)[9]，上位機工作流程如圖8所示。

圖8 上位機工作流程

4 系統(tǒng)測試

將整個系統(tǒng)安裝完畢后，測量鍋爐降溫過程中的溫度。為了減小人為測量誤差，將標(biāo)準(zhǔn)溫度計(精度0.1℃)測溫觸點和NTC熱敏電阻固定在一起。系統(tǒng)供電后，通過監(jiān)控軟件設(shè)置ZigBee測溫節(jié)點系統(tǒng)時間及溫度上/下限值等，并將設(shè)置信息存入AT24C02。同時，在相同時刻讀取溫度計溫度和監(jiān)控軟件顯示溫度(保留兩位小數(shù)點)，這里僅列出部分測量結(jié)果(表1)。

表1 測溫結(jié)果 ℃

從表1可以看出：ZigBee測溫節(jié)點的測溫誤差控制在2.00℃以內(nèi)，測量結(jié)果達(dá)到了設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

筆者介紹的鍋爐控溫系統(tǒng)結(jié)合了NTC熱敏電阻和ZigBee無線通信技術(shù)的優(yōu)點，構(gòu)成了智能無線網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控系統(tǒng)，其測量精度較高，數(shù)據(jù)傳輸速度穩(wěn)定，同時可以根據(jù)用戶的要求設(shè)置測溫節(jié)點的數(shù)目，滿足了鍋爐測溫需求，也可應(yīng)用于智能家居及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。

[1] 馬正華，王順先，周炯如.爐溫遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國科技論文，2012，7(7)：567～570.

[2] 唐洪富，張興波.基于STC系列單片機的智能溫度控制器設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(5)：86～88.

[3] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2001：20～264.

[4] 梅小雨，許昌，魏艷紅.基于對數(shù)的NTC熱敏電阻測溫系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化與儀表，2011，26(5)：54～57.

[5] 周以琳，李金亮，楊勇，等.NTC熱敏電阻R-T特性的高精度補償[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，31(1)：80～82.

[6] 趙軍，謝作品，吳珂.NTC熱敏電阻線性化新方法[J].電測與儀表，2006，43(1)：12～14.

[7] 程雙雙，姜平，肖紅升，等.NTC熱敏電阻分段曲線擬合[J].煤礦機械，2009，30(10)：41～43.

[8] 李新慧，俞阿龍，潘苗.基于CC2530的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(3)：85～88.

[9] 吳后平，張振東，郭輝.基于LabVIEW的汽車壓力空調(diào)開關(guān)性能檢測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014，(1)：64～66.