CC BY
10
Научни трудове на Съюза на учените в България - Пловдив. Серия В. Техника и технологии. Том XVII, ISSN 1311 -9419 (Print); ISSN 2534-9384 (Online), 2019. Scientific Works of the Union of Scientists in Bulgaria - Plovdiv. Series C. Technics and Technologies. Vol. XVII., ISSN 1311 -9419 (Print); ISSN 2534-9384 (Online), 2019
БЕЗЖИЧНА МИКРОПРОЦЕСОРНА СИСТЕМА ЗА ИЗМЕРВАНЕ
НА ТЕМПЕРАТУРА Сотир Сотиров Пловдивски Университет „ПаисийХилендарски"
WIRELESS MICROCONTROLLE R BASED TEMPERATURE MEASUINTENT SYSTEM Sotir Sotirov
University of Plovdiv "Paisii Hilendarski", Plovdiv, Bulgaria
Abstract: This paper describes the realization of a wireless measurement system for K-type thermocouple in the range of 0 to +1023.75°C. The developed system consists of a special interface IC MAX6675, which performs measurement and digital conversion of thermocouple signals obtained from thermocouple type K, microcontroller PIC16F877, which controls the measurement and send the results to Bluetooth module BTM222. The digital temperature data obtained is transmitted in series to a personal computer via a Bluetooth module, where a specially designed user software processes it.
Keywords: K-type thermocouple, measuring temperature, wireless measurement system;
Въведение: Нарастващият интерес към мониторинга на изменение на температурата при различни производствени процеси в индустията е причина за разработването на голям брой безжични системи за измерване и събиране на получените данните. Разработената система се състои от специализирана интерфейсна интегрална схема MAX6675 чрез която се извършва измерване и цифрово преобразуване на термоелектрическите сигнали получени от термодвойка тип К, микроконтролер PIC16F877, осъществяващ връзка между интерфейсната схема и безжичен блутут модул BTM222. Получените цифрови данни от измерването на температурата се предават серийно към персонален компютър, чрез блутут модул, където се обработват от специално разработена за целта потребителска програма. Софтуера позволява определен брой измервания да се визуализират в графичен и цифров вид на екрана на персонален компютър както и да се записват във текстов файл. За повишаване на шумозащитеността и надеждноста на работа на системата е разработен цифров филтър.
Материали и методи:
Основната идея при конструирането системата за измерване на температура е получаване на добра шумоустойчивост, висока точност и стабилност на получените резултати от измерванията, при използване на минимален брой електронни елементи. Тези изисквания са в основата на избора на интегралния интерфейсен модул MAX6675 чрез който се обработват сигналите от температурния сензор, който в случая е термодвойка тип К. MAX6675 е цифрова интерфейсна интегрална схема специално разработена за обработка
на сигнали от термодвойки тип К. В нейната конструкция са включени: входен усилвател, 12-битов аналогово-цифров преобразувател (ADC), сензорен диод за измерване и коригиране на промените на температурата на околната среда, цифров контролер, сериен SPI-съвместим интерфейс свързан с контролна логика. Както е известно напрежението получено от термодвойката е пропорционално на разликата в температурите между двата и края. Преди термоелектричното напрежение от сензора да се преобразува в еквивалентна температурна стойност е необходимо да се компенсира разликата между студената страна на термодвойката (температура на околната среда при която се намира MAX6675) спрямо виртуална стойност за температурата от 0°C. Тъй като, при термодвойки тип К напрежението се променя с 41^V/°C, следователно връзката между полученото термоелектрическо напрежение и температурата може да се представи със следното уравнение:
Vout = (41p,V / °C) X (TR - TAMB)
V0ut - изходното напрежение на термодвойката (p,V).
TR - температурата на топлата страна на термодвойката (° С).
TAMB - температурата на околната среда (° C).
Използването на MAX6675 като интерфейсен модул за за обработка на сигналите от термодвойката дава възможност горещият край на термодвойката да се намира в диапазона от 0°C до +1023.75°C, докато температурата на студеният край на термодвойката, която е температура при която се намира платката където е монтирана интегралната схема MAX6675 може да варира от -20°C до +85°C. При MAX6675 за измерването и коригирането на промените на температурата на околната среда се използва вграден сензорен диод.
Конструиране на безжична микропроцесорна система за измерване на температура:
На фиг1 е представена принципна схема на разработената безжична микропроцесорна система за измерване на температура. Разработеното устройство може да се използва за измервания на температура от 0 до +1023.75°С и има разделителна способност 0.25°С.
Фигура1. Принципна схема на безжична микропроцесорна система за измерване на
температура.
Основната идея при тази конструкция е че МАХ6675 обработва сигналите получени от термодвойката и предава данните чрез сериен интерфейс към микроконтролер. За да прочете данните от преобразуването на МАХ6675 микроконтролера първо подава
ниско ниво на вход CS и след това тактов сигнал на вход SCK. Данните от преобразуването се извеждат на изход SO на интегралната схема MAX6675 в сериен вид и постъпват в микроконтролера. Протокол на серийния интерфейс на MAX6675 е представен на фигура 2.
^ЛЛЛШШЛШТТШЛТШЛ^
Фиг.2 Протокол на серийния интерфейс на MAX6675
След като микроконтролера PIC16F876 приеме 12 битовата стойност за температурата тя се разделя на два байта и се изпраща към персонален компютър. Тази функция се осъществява от безжичния блутут модул BTM222 чрез който се реализира двупосочна комуникация между микроконтролера и компютъра. За обмена на информация между BTM222 и микроконтролера PIC16F876 се използва асинхронен сериен интерфейс UART. За изпълнението на полседователността от логически операции на микропроцесорната сиситема е специално разработен фърмуер за PIC16F876, схема с алгоритъма на който е представена на фигура 3.
Фигура 3.Блок схема на алгоритъм за измерване на температура
Процедурата за прочитане на стойностите от измерване на температурата се управлява от персонален компютър, който предава цифрова стойност стойност 0x31 като условие за старт. Когато това условие е изпълнено микроконтролера стартира процедурата за прочитане на стойността за температурата от MAX6675 чрез серийния SPI порт, преобразува я в подходящ вид и я изпраща към персонален компютър, след което отново се изчаква условие за старт на следващо измерване. За визуализация на измерванията от температурата в графичен и цифров вид е разработен специализиран софтуер. Потребителския интерфейс на системата е представен на фигура 4.
тек О
0 0 0
- 1 Н II 1 иии ¡_ пппп ииии еаю ВПАРН У15ЧДИ5*110М
0 ТЕМРЕВАТШЕ ПНЕ МТЕНШ. |з| 0 0
ф 0
/ - 1 I \ А ; М : N \ : ! т \1 \ А .. лА.д]........¿Л
я ... \Г \
о го « ео ю им и ав гг »1 2« 2М 0
Фигура 4. Потребителски интерфейс на цифров термометър
Основните настройки на софтуера се задават от потребителското меню представено на фигура 5. За подобряване на съвместимостта между различни термодвойки от тип К и хардуера на системата е предвидена възможност за въвеждане на температурно отместване. Графичната визуализация на резултата може да се избира в определени граници като за целта се въвеждат гранични стойноси за максимална и минимална стойност. За подобряване на точността и подтискане на нежелани външни шумове е разработен алгоритъм за цифрова филтрация, като влиянието на филтъра върху резултата от измерването може да се определя от потребителя, чрез регул Иране на неговия коефициент.
в Рогт4 !■=■ 1 И 1
ППег coвfficiвnt
р ЗатрИпд ¡гйегуа!
рооооо МитЬег of натр1е!з *
ТетрегаЫге сЬаг1 [С0]
|0 Т гшп |55б Т шах
[а Offsвt [С0]
ок |
Фигура 5. Потребителско меню Цифровата филтрация се осъществява чрез използване на следната функция:
х(0 =х !) +
Х т - Х (г _! )
Където : Хф - Текущ резултат показан на екрана, X (( - А) - Предишен резултат показан на екрана, Хт- текущо измерване, К- коефициент на филтъра Заключение
Представената безжична микропроцесорна система е предназначена за измерване на температура в диапазона 0°С до +1023.75°С с разделителна способност от 0,25°С.
Системата има възможност за компенсация на студения край на термодвойка тип К в температурния диапазон -20°С до +85°С с точност от +/- 3 °С. Чрез безжичното предаване на данни се избягва галванична връзка между двете устройства, което разширява възможността за използване на системата при по-голям брой индустриални приложения.
Литература:
[1] https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX6675.pdf
[2] http://www.tempsens.com/pdf/materials/Thermocouple_type_K_table.pdf
