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北京28大小单双算法:低功耗无线压力变送器采集电路系统的设计

作时间:2016-12-20  来源:  作者:重庆理工大学
   

北京28开奖号码 www.infoambi.com 摘要:针对传统无线压力变送器硬件控制电路功耗高的问题,设计了一种新型低功耗无线压力变送器采集电路系统。建立以ARM 微控制器为核心的无线压力变送器采集电路系统,解决了硬件控制电路功耗高的问题,实现了对压力信息的实时传输监测。该系统主要包括STM32L 处理器、压力采集??橛隚PRS 无线通信???,具有高精度、低功耗、速度快和无线传输等特点。

0 引言
目前,无线压力变送器已经广泛应用。随着电子技术的发展,为了能够降低自动化成本,提高自动化系统的应用范围,无线工业网络技术成为了一个热点技术。传统的压力变送器存在着布线困难和电磁场的干扰,降低了压力变送器的精确性和使用范围。

压力变送器在SF6断路器中应用广泛,需要用压力变送器实时监测SF6压力。针对传统的压力变送器静态性能人工检测效率低、精度差、可靠性不高和劳动强度大等问题。提出了一种基于STM32L 处理器、压力采集??橛隚PRS 无线通信??榈奈尴哐沽Ρ渌推鞑杉缏废低?,实现了压力信号的采集与传输。此压力变送器具有高精度、低功耗、速度快和无线传输等特点,有效解决了传统压力变送器存在的问题。

1 系统设计方案
无线压力变送器主要由3 部分组成:采集???、数据管理??楹虶PRS 通信??樽槌?。仪表的功能框图如图1 所示。采集??橥ü齅PT570 压力变送器采集目标区域的压力值,并将处于休眠状态的数据管理??榛叫?,向它传输压力信号。数据管理??橹饕涸鸾ㄐ拍?榛叫?,并将采集的数据传输给通信???,是无线压力变送器的核心,所有的电池电量检测、MPT570 压力检测、时间检测、数据处理与数据存储都在这个??榈淖饔孟峦瓿傻?。GPRS 通信??榻涔吹氖?,通过SIM900A 由短信的方式发送给用户。

采集系统的功能框图

2 变送器的选择
2. 1 微功耗压力变送器
压力变送器检测被测物体的压力,并将压力信号转换成电信号,通过信号处理后,由信息的方式传送出去。综合考虑低功耗、环境问题、可靠性等条件,选择MPT570压力变送器。MPT570 是为工作电压为2. 7 ~ 3. 6 V,需要输出信号在0 ~ 3Vdc 的配套终端设备而设计的产品,信号处理电路采用高性能的MCU 及高精度的ADC和DAC,可以长期稳定在0. 5 %F·S 以内工作,专用的数字信号处理电路无需电位器调节,通过程控器就能方便的对其零点和满程进行校准、标定和量程的缩放,量程的缩放比例为5∶ 1。

2. 2 压力测量原理
对于金属材料或半导体材料,如果给它的一个面施加压力或者拉力,其内部结构就会发生变化,影响导体电阻压力率的变化,这种现象称为压阻效应。为了得到比较高的灵敏度和比较小的零点输出,在传感器电路中应用惠斯通电桥,惠斯通电桥如图2 所示。

惠斯通电桥

R1,R3和R2,R4是压阻系数符号不同的力敏电阻,初始条件下,R1 = R2 = R3 = R4 = R,此时电桥平衡,零输入状态下平衡,输出电压为0。

3.jpg

式中:Vs为输出电压;V 为输入电压。当弹性膜片受到外界压力时,薄膜两侧出现压差,使4 个电阻发生变化,电桥失去平衡。

4.jpg

式中ΔR1,ΔR2,ΔR3,ΔR4为有压力时,电阻发生变化的值。

2. 3 压力变送器工作原理
2. 3. 1 传感器部分
传感器采用的是弹性材料,依据不同的受力方式从而加工成环、梁、膜、片等不同的形状,在弹性材料基体上刻蚀、粘贴或溅射4 个等值电阻,形成了一个惠斯通电桥,当弹性材料基体感受压力后,电桥失去平衡,输出一个与压力成正比的电压信号。

2. 3. 2 电路部分
(1)4 ~ 20 mA 输出,二线制,采用V/I 转换专用电路,具有高精度、高可靠、高稳定性等优点,零点可自由迁移。
(2)0 ~ 3 V 输出,三线制,采用仪表运算放大器,具有稳定性好、精度高、共模拟制比高、输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。
(3)程控变送器电路,可以对变送器的量程在20∶ 1范围内任意调节。零位可以在50% 内任意迁移,消除了地域环境改变所产生的误差。

3 采集电路设计
系统控制电路采用STM32L 系列ARM 内核32 位微控制器为主控制器。主控制器获取压力变送器采集到超过阈值的压力输入电平信号后,控制GPRS ??橐韵蛑付ㄓ没Х⒊霰ň畔?。

3. 1 主控制器
通过整体考虑功耗、发射频率、接收时间、芯片成本、耐用度等指标,系统控制电路主控制器采用了STM32L151C8T6。它基于高品质的ARM Cortex - M3内核,内置128 K 闪存存储器容量,工作频率为72 MHz,具有超高性能和低功耗与工业级温度范围的特性。它应用了节能最优化的架构与0. 13 μm 的STMicroelectronics 超低漏电生产工艺。STM32L 划分了6 种工作模式,能够让它在不同的工作时间都能用最低的功耗来完成相应的任务。稳压器为Vcore( 稳压器输出电压) 域提供超低功耗电压,用来保持寄存器和内部RAM 中的数据,并且通过相关函数的编写降低了内部参考电压的功耗。硬件电路如图3 所示。

3. 2 GPRS 通信???br /> GPRS 通信??樽饔?无线传输含有压力、时间信息的数据至用户移动终端,并接收用户移动终端对其发出的系列指令。GPRS ??橛布缏吠? 所示。??榘⊿IM900A ??楹蚐IM 卡,SIM900A 具有低功耗的性能,待机模式电流低于18 mA,休眠模式下的耗流为1. 0 mA。使用AT 命令“AT + CSCLK = 1”设置允许进入SLEEP 模式,然后通过DTR 引脚来控制??榻牖蛘咄顺鯯LEEP 模式。当DTR 为高电平时,??榇τ诖刺?,也没有其他中断产生,??榻远隨LEEP 模式。这种模式下,??槿阅芙邮绽醋酝绲暮艚泻投滔?。

4 系统软件设计
系统软件设计由主程序、GPRS 通信???、上位机等子程序共同组成。主程序设计为保证采集系统电路正常运转。GPRS 通信??樽映绦蛏杓莆迪钟没в胂低辰⒘庸叵?,并使报警信息与采集压力数据在指定用户之间发送与接收。

4. 1 采集??榱鞒?br /> 采集??槿砑鞒掏既缤? 所示,它的运行过程为:上电,系统配置,A/D 转换等初始化,完成后??榻氲凸哪J?。当监测电池电量低于设定值时,直接向数据管理??榉⑺褪?监测电量正常时,采集MTP570 监测的压力大于阈值产生一个大于3. 2 s 高电平信号,直接发送到数据管理???当压力小于阈值,监测设定时间未达到规定时间,重新回到监测电量状态;时间达到规定时间,数据管理??橥ü诮邮詹杉?榉⑺偷氖?。这样,采集??橥瓿梢淮问莶杉?。

4. 2 GPRS 通信??槌绦蛄鞒?br /> 当收到数据管理??榉⑺偷氖菔?,通信??榇有菝吣J浇氲秸9ぷ髂J?。通信??槭紫冉谐跏蓟?,设置短信文本样式,设置GPRS 字符集,编辑信息类型,发送短信。维护人员接收到通信??橥ü鼼PRS 网络以短信的形式送来的数据,流程图如图6 所示。

4. 3 上位机程序流程
上位机接收到GPRS 通信??橐远绦诺男问椒⑺屠吹牟杉?,将数据进行校验,如果校验成功则储存数据,并通知采集??槭菀丫方邮?,再将经过算法处理后的数据发送至数据管理系统,同时也以短信的形式发给运行维护人员。数据管理系统对数据进行储存分析。流程图如图7 所示。

上位机流程图

5 结束语
文中设计了一种基于低功耗无线压力变送器采集电路系统,实现对压力信号的实时采集。当压力超过阈值时,及时报警,满足对故障及早发现、及早排除的基本要求,具有反应速度快、精度高、实时性好等优点。通过软件设计解决了功耗问题,延长了变送器的使用周期,实现了工业现场数据无线传输。

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