基于无线通讯的低功耗温度巡检仪设计

　　0　概述

　　温度巡检仪作为多通道温度测量和记录仪器在工业现场被大量使用。国内外知名仪表制造企业,如Ag-ilent、Keithley、研华工控都有相应的产品。但是这些产品大多数是基于实验室或普通工业现场环境设计的,需要外部电源供电,并且数据通讯多采用有线方式。本文设计的温度巡检仪依靠内部电池供电,采用无线通讯的方式,以适应野外、高温、高危等不具备电源供电和人员操作条件的特殊工作环境。该温度巡检仪具备以下技术特点:

　　·输入信号包括热电偶(包括K, B, E, J, N,R, S, T型)和Pt100铂电阻;

　　·具备最多20通道的温度测量, 20通道同时测量时采样间隔小于2 s,计时精度24 h误差小于1min;

　　·采用24位Σ-Δ模数转换器,稳定性优于0·3℃,重复性优于0·2℃;

　　·内部自带温度补偿功能,室温补偿误差小于0·5℃;

　　·测量电压及电阻范围: 0~100 mV, 0~400Ω;

　　·板载数据存储器容量满足最小数据记录间隔下全部通道连续存储6 h数据;

　　·同时具备USB有线数据通讯和430MHz无线数据通讯功能;

　　·低功耗:工作电流小于10 mA,待机电流小于0·1mA, 3·6V锂电池供电,电池综合使用寿命5 ~10年;

　　·工作环境:温度范围-20~80℃,相对湿度不大于90%;

　　·储藏环境:温度范围-30~105℃,相对湿度不大于90%。

　　·仪表尺寸: 120 mm×80 mm×30 mm;

　　·重量:小于500 g。

　　1　仪表组成及硬件设计

　　本仪表主要由电源部分、测量与存储及通讯端口等部分组成。

　　1·1　电源部分

　　输入电源可以由USB接口提供,也可以是内置的3·6V锂离子电池。仪表能够根据当前工作状态自动完成USB供电和电池供电之间的切换。电源电路如图1所示。

　　当仪表连接USB接口时,继电器K1吸合,仪表通过USB桥接芯片供电(网络标号为“3·3V”),同时继电器的另一组触点(PW)接地,单片机得到USB供电信号,并以全速运行;当USB接口断开时,继电器K1断开,仪表通过电池供电,当按照设定的数据采集工作结束后,单片机将PWEN信号置低,三极管Q5和MOS管Q6断开,切断电池供电,从而切断整个系统电源,直到通过USB接口再次设定工作参数才能恢复工作状态。

　　为了满足巡检仪长时间工作的要求,仪表选用两节高温锂亚电池并联使用。使得供电电池的容量达到6400 mAh,其供电电压3·6V。经过测试,在仪表全速连续运行状态下工作时间大于500 h,在采样间隔为1s的运行状态下工作时间大于2000 h。电池使用温度范围-55~+150℃,耐高温高压。

　　1·2　测量、存储与通讯

　　测量与存储为本仪表的主要部分,完成输入信号切换、信号调理、模数转换、测量过程控制、测量数据保存、数据输出等功能。其主要由MCU及外围电路、输入信号切换电路、热电偶信号测量电路、RTD信号测量电路、A/D转换、存储器、USB通讯电路、无线通讯电路组成。图2为测量与存储及通讯端口部分的框图。