BM00201-40型多路溫濕度變送器自動測量裝置的研制

秉承“MEMS & MicSens”技術，淯源儀器近段時間一口氣推出了BM00201-40型溫濕度變送器巡檢儀、BM00101-2便攜式醫用輸液泵（注射泵）檢測儀、BM00301-（32-96）PCR儀溫度校準儀、BM00401-8全站儀自動檢測儀四款小型儀器。這四款儀器已經在諸多私人計量檢測公司得到應用。

BM00201-40型溫濕度變送器巡檢儀,可同時連接40臺溫濕度變送器（每臺待檢變送器由一根獨立的易拔插信號線連接，防止連線出錯），自動完成供電并有短路保護功能，自動讀取露點儀標準值，10秒內完成40臺變送器的信號采集、數據處理、報表打印等工作。上位機應用軟件有各種參數設置、數據自動計算、原始記錄查看、打印等功能。檢測流程簡單，避免使用多種笨重、復雜的儀表，同時避免人工讀數、計算、記錄等低效方式，從而大幅降低成本，效率提高了10倍。

BM00201-40型溫濕度變送器巡檢儀以其精密的測量、便捷的操作獲得成都計量院等省、市計量院青睞，下面四川淯源儀器詳細分析這款儀器的研發。

 

引言

溫濕度變送器(以下簡稱變送器)廣泛應用于工業生產、科學實驗、檢驗檢測、倉貯等作業環境的溫濕度測量。其輸出信號一般為(4～20)mA的直流信號或(0～l0)V的電壓信號。變送器校準采用高精度溫濕度校驗箱或發生器作為溫、濕度源，采用精密露點儀為標準器，校準時，首先需要對其施加24V直流電源，然后用高精度電壓或電流表測量其信號值，再由人工計算和記錄溫濕度數據。一次只能測量一路信號，每次人工切換檢測信號都要重新連接儀表。當被檢變送器較多時，測量過程非常繁瑣，加上大量的讀數和計算過程，使校準工作效率低、成本高、勞動強度大。為此，研制一體化多路溫濕度變送器測量裝置。

 

1 系統工作原理

 

系統工作原理如圖1所示。系統以ARM為核心。ARM控制變送器電源導通后，根據其輸出信號類型自動將信號切換到相應的信號調理電路，模擬開關在ARM的控制下將信號輸入A／D轉換器，將模擬信號轉換為數字信號，再通過無線模塊上傳至上位機處理。此外，ARM控制RS232和I2C接口分別與露點儀和EEPROM通信。上位機控制軟件基于可視化編程軟件Labview，實現數據的讀取、計算、保存、顯示，以及原始記錄自動生成等功能。

 

2 硬件電路設計

硬件電路主要包括：信號調理電路、模擬開關、A／D轉換器、ARM控制器、無線模塊、EEPROM、電源模塊等。

2．1 ARM控制器

ARM 控制器選用意法半導體公司生產的STM32F103C8，該處理器基于高性能的32位ARM Cortex—M3內核，高頻率達72MHz，內置64K FLASH 和20KSRAM。利用其豐富的接口實現對電源、信號類型切換、模擬開關、A／D轉換器的控制，以及同露點儀、上位機的通信。

2．2 信號調理電路

變送器輸出信號類型有電流和電壓兩種，為了將變送器信號調整到A／D轉換器的輸入范圍，電壓信號通過電阻分壓，使其降到(0～5)V，電流信號通過取樣電阻使其變為(1～5)V電壓信號。調整后的信號再由電壓跟隨器輸出至模擬開關。ARM通過控制繼電器切換電流或電壓調理電路，如圖2所示。為了控制34路繼電器開關，系統采用74HC595移位寄存器作為驅動器。該芯片具有8位鎖存、8位串行輸入、8位串／并行輸出、串／并移位寄存器和三態輸出等功能。8位并行輸出端可分別控制8路繼電器，因此，系統共需要5片74HC595。如圖3所示，并行輸出端Q0～Q7同三極管B極連接，當輸出端為高電平時繼電器吸合，此時電路為電壓信號檢測電路，反之為電流信號檢測電路。串行數據輸入端Ds接收ARM發出的串行數據，Q7一連接下級的Ds端，依次傳遞串行數據。

 

2．3 模擬開關

模擬開關具有體積小、速度快、功耗小、無抖動等特點，在多路信號采集系統中有廣泛應用。本系統采用ADI公司的16選I CMOS模擬開關ADG706。該芯片導通電阻為2．5Q，開關時間40ns，大輸入電壓5．5V。34路變送器共有68通道信號，因此需要5片ADG706。系

統工作時，ARM控制模擬開關的地址選通端和輸出使能端，輸出需要檢測的信號。

2．4 A／D轉換器

采用TI公司生產的高性能A／D轉換器ADS1256。其主要特點有：24位無數據丟失；非線性度：0．0010％ ；高達23比特的無噪聲精度；數據采樣率可達30ksps；帶有模擬多路開關(MUX)；可配置為8路單極輸入或4路差動輸入；具有自校準和系統校準；帶有串行外設接口

(SPI)等。ADS1256提供了8路模擬輸入端，可使用模擬多路開關(MUX)寄存器來將其配置為四路差動輸入、八路單極輸入或差動輸入和單極輸入的組合。系統采用5路單極輸入i貝0量，將AIN0～AIN4作為單極輸入端，AINCOM作為公共輸人端。而未用的模擬輸入引腳懸空，這樣有

利于減小輸人泄漏電流。ADS1256的主時鐘由一個7．68MHz外部晶振提供。在模擬電源和數字電源的輸入端并聯一個小的陶瓷電容和一個大的鉭電容。ADS1256外圍電路如圖4所示。

 

2．5 變送器電源控制

變送器電源一般為12～24VDC，要求每路電源獨立可控且文波小于1％ 。因此，需要設計34路24V電源。24V電源由外接的開關電源提供，以34路達林頓管作為每路電源的開關。ARM控制達林頓管就可控制變送器電源。為減少干擾，輸出電壓經過LC濾波。為防止短路等情況，每路電源增加可恢復保險絲。變送器控制電源電路如圖5所示。

 

2．6 無線模塊

采用深圳市安美通科技有限公司生產的APC320無線數據傳輸模塊。它嵌入了高速低功耗單片機和高性能射頻芯片SI4463，創新的采用高效的循環交織糾錯編碼，抗干擾能力和靈敏度都大大提高。APC320模塊工作電壓為2．1～3．6V，在接收狀態下電流僅15mA。

2．7 EEPROM

EEPROM用于存儲自動校準數據。采用ATMEL公司生產的AT24C512。該存儲器特點：64KB容量，I2C串行總線，16 位地址，100000 次編程／擦寫周期。AT24C512外圍電路如圖所示：A0一A2接地設置存儲器地址為0，WP接地設置為可讀寫，SCL和SDA接上拉電阻。外圍電路如圖6所示。

 

 

3 上位機設計

上位機控制軟件基于Labview和Access2007數據庫開發，實現系統管理與控制、變送器數據采集、顯示、運算處理、存儲、數據查詢和自動生成word測試報告等功能。

 

4 結論

經測試，本裝置電壓測量范圍：0—10V；分辨率：0．1mV；大允許誤差：0．05％ ；電流測量范圍：0～20mA；分辨率：0．1uA；大允許誤差：0．05％。可同時滿足34臺變送器即64路電信號的自動測量。具有操作簡單、效率高、成本低、智能化程度高等特點，非常適合多臺溫濕度變送器校準工作。

 

參考文獻

[1]康赫男．溫濕度變送器輸出參數的校準方法[J]．計量與測試技術，2011(08)．

[2]梅榮．基于單片機的溫濕度檢測與控制系統研究[J]．農機化研究，2012(01)．

[3]彭剛，春志強．基于ARM Cortex—M3的STM32系列嵌入式微控制器應用實踐[M]．北京：電子工業出版社，2011．

 

作者簡介：曾博才，男，工程師，碩士。工作單位：四川淯源儀器有限公司。