BM00201-40型多路溫濕度變送器自動(dòng)測量裝置的研制

秉承“MEMS & MicSens”技術(shù)，淯源儀器近段時(shí)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(yī)用輸液泵（注射泵）檢測儀、BM00301-（32-96）PCR儀溫度校準(zhǔn)儀、BM00401-8全站儀自動(dòng)檢測儀四款小型儀器。這四款儀器已經(jīng)在諸多私人計(jì)量檢測公司得到應(yīng)用。

BM00201-40型溫濕度變送器巡檢儀獲得成都計(jì)量院等省、市計(jì)量院青睞，下面詳細(xì)講講這款儀器的由來。

引言

溫濕度變送器(以下簡稱變送器)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、檢驗(yàn)檢測、倉貯等作業(yè)環(huán)境的溫濕度測量。其輸出信號(hào)一般為(4～20)mA的直流信號(hào)或(0～l0)V的電壓信號(hào)。變送器校準(zhǔn)采用高精度溫濕度校驗(yàn)箱或發(fā)生器作為溫、濕度源，采用精密露點(diǎn)儀為標(biāo)準(zhǔn)器，校準(zhǔn)時(shí)，首先需要對(duì)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(hào)值，再由人工計(jì)算和記錄溫濕度數(shù)據(jù)。一次只能測量一路信號(hào)，每次人工切換檢測信號(hào)都要重新連接儀表。當(dāng)被檢變送器較多時(shí)，測量過程非常繁瑣，加上大量的讀數(shù)和計(jì)算過程，使校準(zhǔn)工作效率低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大。為此，研制一體化多路溫濕度變送器測量裝置。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖1所示。系統(tǒng)以ARM為核心。ARM控制變送器電源導(dǎo)通后，根據(jù)其輸出信號(hào)類型自動(dòng)將信號(hào)切換到相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，模擬開關(guān)在ARM的控制下將信號(hào)輸入A／D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過無線模塊上傳至上位機(jī)處理。此外，ARM控制RS232和I2C接口分別與露點(diǎn)儀和EEPROM通信。上位機(jī)控制軟件基于可視化編程軟件Labview，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、計(jì)算、保存、顯示，以及原始記錄自動(dòng)生成等功能。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要包括：信號(hào)調(diào)理電路、模擬開關(guān)、A／D轉(zhuǎn)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(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103C8，該處理器基于高性能的32位ARM Cortex—M3內(nèi)核，頻率達(dá)72MHz，內(nèi)置64K FLASH 和20KSRAM。利用其豐富的接口實(shí)現(xiàn)對(duì)電源、信號(hào)類型切換、模擬開關(guān)、A／D轉(zhuǎn)換器的控制，以及同露點(diǎn)儀、上位機(jī)的通信。

2．2 信號(hào)調(diào)理電路

變送器輸出信號(hào)類型有電流和電壓兩種，為了將變送器信號(hào)調(diào)整到A／D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，電壓信號(hào)通過電阻分壓，使其降到(0～5)V，電流信號(hào)通過取樣電阻使其變?yōu)?1～5)V電壓信號(hào)。調(diào)整后的信號(hào)再由電壓跟隨器輸出至模擬開關(guān)。ARM通過控制繼電器切換電流或電壓調(diào)理電路，如圖2所示。為了控制34路繼電器開關(guān)，系統(tǒng)采用74HC595移位寄存器作為驅(qū)動(dòng)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(tài)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(tǒng)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(dāng)輸出端為高電平時(shí)繼電器吸合，此時(shí)電路為電壓信號(hào)檢測電路，反之為電流信號(hào)檢測電路。串行數(shù)據(jù)輸入端Ds接收ARM發(fā)出的串行數(shù)據(jù)，Q7一連接下級(jí)的Ds端，依次傳遞串行數(shù)據(jù)。

2．3 模擬開關(guān)

模擬開關(guān)具有體積小、速度快、功耗小、無抖動(dòng)等特點(diǎn)，在多路信號(hào)采集系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)采用ADI公司的16選I CMOS模擬開關(guān)ADG706。該芯片導(dǎo)通電阻為2．5Q，開關(guān)時(shí)間40ns，大輸入電壓5．5V。34路變送器共有68通道信號(hào)，因此需要5片ADG706。系

統(tǒng)工作時(shí)，ARM控制模擬開關(guān)的地址選通端和輸出使能端，輸出需要檢測的信號(hào)。

2．4 A／D轉(zhuǎn)換器

采用TI公司生產(chǎn)的高性能A／D轉(zhuǎn)換器ADS1256。其主要特點(diǎn)有：24位無數(shù)據(jù)丟失；非線性度：0．0010％ ；高達(dá)23比特的無噪聲精度；數(shù)據(jù)采樣率可達(dá)30ksps；帶有模擬多路開關(guān)(MUX)；可配置為8路單極輸入或4路差動(dòng)輸入；具有自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)；帶有串行外設(shè)接口

(SPI)等。ADS1256提供了8路模擬輸入端，可使用模擬多路開關(guān)(MUX)寄存器來將其配置為四路差動(dòng)輸入、八路單極輸入或差動(dòng)輸入和單極輸入的組合。系統(tǒng)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(shí)鐘由一個(gè)7．68MHz外部晶振提供。在模擬電源和數(shù)字電源的輸入端并聯(lián)一個(gè)小的陶瓷電容和一個(gè)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(dú)立可控且文波小于1％ 。因此，需要設(shè)計(jì)34路24V電源。24V電源由外接的開關(guān)電源提供，以34路達(dá)林頓管作為每路電源的開關(guān)。ARM控制達(dá)林頓管就可控制變送器電源。為減少干擾，輸出電壓經(jīng)過LC濾波。為防止短路等情況，每路電源增加可恢復(fù)保險(xiǎn)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(chǎn)的APC320無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。它嵌入了高速低功耗單片機(jī)和高性能射頻芯片SI4463，創(chuàng)新的采用高效的循環(huán)交織糾錯(cuò)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(tài)下電流僅15mA。

2．7 EEPROM

EEPROM用于存儲(chǔ)自動(dòng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C512。該存儲(chǔ)器特點(diǎn)：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(shè)置存儲(chǔ)器地址為0，WP接地設(shè)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(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制軟件基于Labview和Access2007數(shù)據(jù)庫開發(fā)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理與控制、變送器數(shù)據(jù)采集、顯示、運(yùn)算處理、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢和自動(dòng)生成word測試報(bào)告等功能。

4 結(jié)論

經(jīng)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(shí)滿足34臺(tái)變送器即64路電信號(hào)的自動(dòng)測量。具有操作簡單、效率高、成本低、智能化程度高等特點(diǎn)，非常適合多臺(tái)溫濕度變送器校準(zhǔn)工作。

參考文獻(xiàn)

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

[2]梅榮．基于單片機(jī)的溫濕度檢測與控制系統(tǒng)研究[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2012(01)．

[3]彭剛，春志強(qiáng)．基于ARM Cortex—M3的STM32系列嵌入式微控制器應(yīng)用實(shí)踐[M]．北京：電子工業(yè)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。