基于Android系統的無線多點測溫系統設計

羅　彪， 李　彬， 張岱峰， 梅　亮

(1.北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100192;2.航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100854)

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設計與制造

基于Android系統的無線多點測溫系統設計

羅彪1， 李彬1， 張岱峰1， 梅亮2

(1.北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100192;2.航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100854)

摘要:多點式測溫系統由上位機和下位機兩大部分組成。下位機以ATmega16單片機為核心，Pt100為模擬溫度傳感器進行溫度的采樣測量，通過WiFi模塊的AP模式跟上位機進行數據的接收與發(fā)送，可實現多點溫度實時采集。上位機以Android系統為平臺，建立Socket實現安卓客戶端對溫度數據進行實時監(jiān)控、顯示以及報警功能。該系統可應用于在工業(yè)與民用的不同溫度要求下的多點檢測場合。

關鍵詞:ATmega16單片機； Pt100； WiFi模塊； Android系統

0引言

溫度不僅僅是人們日常生活中必須了解的檢測參數之一，在各種工業(yè)生產、貨物存儲以及交通運輸過程中，它也是一個重要的檢測量。隨著現代化技術快速發(fā)展和生產車間條件的特殊要求，所需要監(jiān)測的溫度往往是在一個較大的范圍內進行變化，而普通的數字式溫度傳感器只能測量小范圍變動的溫度數據，溫度的測量范圍為-40～+85 ℃[1]。同時，由于溫度監(jiān)測點條件比較惡劣，給查看數據的工作人員造成很大的不便。

為了能夠對較大范圍內變化的溫度進行檢測，同時能夠給工作人員提供一個安全、舒適、方便并且實時查看溫度數據的平臺，需要一個便攜式的且支持無線通信功能的設備[2]。因此，本文提出了一個基于Android平臺的無線模擬式溫度檢測方案。

1系統設計方案

在多點測溫系統中，考慮在溫度量程較大的情況下，也能保證數據的準確精度，采用三線制Pt100熱敏電阻器測量溫度信號。同時，由XTR105與之組合設計一個變送器電路，將監(jiān)測的溫度信號轉換成4～20 mA的電流信號。用RCV420設計一個電流接收電路，將4～20 mA電流信號轉換成標準的0～5 V的電壓信號輸入單片機中進行A/D轉換[3]。由于ATmega16單片機有10位A/D，最后精度可以達到0.1 %，在0～500 ℃時，最大線性偏差小于0.5 ℃，達到精度要求。溫度的監(jiān)控選用Android移動平臺，ATmega16處理好的數據通過串口轉WiFi模塊進行發(fā)送，用戶直接在Android移動設備上進行查看。系統設計方案框圖如圖1所示。

圖1　系統設計方案框圖Fig 1　Block diagram of system design scheme

2Pt100熱敏電阻器測溫原理

熱敏電阻器是根據電阻的熱效應阻值隨溫度的變化而變化，因此，可以根據其阻值測量溫度。由于Pt100測溫范圍在-200～850 ℃之間，并且具有較好線性度，測量精確，Pt100應用較為廣泛，其熱電阻公式為RT=R0(1+αT)。其中,α=0.003 92，R0為Pt100在0 ℃的電阻值，T為攝氏溫度[3]。

在實際中，Pt100熱敏電阻器和現場儀表之間連線會較長，接線的導線電阻將引入測量誤差，因此，在工業(yè)中常采用三線制消除導線引入的誤差。三線制測量原理圖如圖2所示。

圖2　三線制測量原理圖Fig 2　Principle diagram of three-wire measurement

測量時導線電阻為rL1,rL2,rL3，三條導線采用同規(guī)格同長度，因此，RT為Pt100的阻值，測量端U1點、U2點的測量電路采用高阻抗輸入電路。為測量RT的阻值，在U1端加入恒定電流I,則電壓U1為

U1=I(rL1+rL3+RT)=I(RT+2rL).

(1)

由于U2端測量端為高阻抗輸入端，因此在導線上沒有電流流過，所以

U2=IrL3=IrL.

(2)

由式(1)減去2倍的式(2)得

U1-2U2=I(RT+2rL)-2IrL=IRT=Uab.

(3)

因此,有

(4)

式(4)中已經消除了導線電阻對測量的影響，可以看出測量僅需要提供一個恒定電流I，并測出U1-2U2即可。

3下位機硬件設計

下位機的功能主要包括：多點溫度測試及其相關處理，與上位機通信接收、發(fā)送指令，與上位機通信發(fā)送溫度數據。硬件設計主要包括電源電路、檢測與變送電路、信號轉換電路、無線通信電路。下位機硬件結構圖如圖3所示。

圖3　下位機硬件結構圖Fig 3　Structure diagram of lower PC hardware

3.1電源電路

單片機工作電源為+5 V，采用LM2576降壓型開關穩(wěn)壓器，具有很小的電壓調整率和電流調整率，同時具有3A的負載驅動能力，可以很好的滿足要求[4]。為了獲得一個更加精準的A/D轉換基準電壓，用LM4040設計了一個高精度的外部基準源，避免了A/D轉換過程中內部基準源的不穩(wěn)定性和其它電源的干擾。在AVCC與AGND的處理上，采用了與單片機VCC并聯單點接地式[5]，有效地防治工頻和其他雜散電流在信號線上產生干擾。

RCV420需要 12 V電壓進行供電，采用WD6—24D12，穩(wěn)定性可以達到要求。

3.2檢測與變送器電路

系統采用Pt100熱電阻構成的模擬溫度傳感器，測溫范圍為-200～850 ℃。但是該熱電阻阻值的溫度特性存在著一定的非線性，而XTR105集成芯片提供兩路800 μA的精密電流源來激勵外接的鉑電阻器，內置的線性化電路對熱電阻溫度特性的非線性進行矯正，可達到40∶1的改善[6]。同時，芯片通過電流環(huán)路供電，具有極寬的電源范圍，輸出為電流信號，可進行遠距離傳輸，電流信號不需要進行補償，XTR105輸出電流IO為

IO=VIN×(0.016+40/RG)+4 mA.

(5)

式中VIN由式(6)得

(6)

式中IR=0.8 mA，RTD為Pt100的阻值，RZ為熱敏電阻器在最低測量時的溫度的阻值。式(5)中RG為XTR的一個配置電阻，有

(7)

式中VFS=10 mV。

3.3信號轉換電路

經過XTR105輸出的為電流信號，在進入單片機A/D轉換之前，需要用RCV420將其轉換為電壓信號。RCV420是一種功能上完全獨立的器件，不需要調整增益、偏置等參數。它采用±12 V雙電源供電，當輸入為4～20 mA時，輸出0～5 V電壓信號，經過轉換之后的電壓與電流成線性關系，為

VO=6.25 V-0.3125IIN.

(8)

3.4無線通信電路

無線通訊電路由KB3071_WIFI和74LVC2T45組成，本系統只需該模塊的串口轉無線功能，使用它的UART_TX和UART_RX即可。但由于單片機串口的電平為5 V，而無線模塊串口的電平為3.3 V，為了使兩者很好的兼容，需要使用74LVC2T45電平轉換電路。

4系統軟件設計

系統軟件設計主要包括上位機控制顯示與下位機采集發(fā)送兩部分組成。系統程序流程圖如圖4所示。

圖4　系統程序流程圖Fig 4　Flow chart of system program

4.1下位機程序設計

采用模塊化設計，主程序調用8個子程序，分別為：MCU初始化程序、讀取并發(fā)送通道數據程序、UART接收中斷服務程序、接收緩沖器讀取字符程序、UART發(fā)送中斷服務程序、發(fā)送緩沖器寫入字符程序、定時器中斷服務程序、讀取A/D轉換數據程序。主要4個詳細介紹如下：

1)MCU初始化程序：設定單片機上的IO口狀態(tài)，串口發(fā)送接收的波特率、數據位、校驗位、停止位的選擇設定，定時器中斷的使能以及初始數據設定，A/D轉換寄存器使能初始配置。

2)讀取并發(fā)送通道數據程序：本系統在客戶端進行溫度檢測可以自行選擇三種模式:a.定時讀取8個通道，b.定時選擇讀取某一通道，c.循環(huán)讀取8個通道數據。此子程序實現這些功能，從客戶端接收模式指令，按照相應的指令發(fā)送數據。

3)定時器中斷服務程序：需要定時發(fā)送數據時，起到準確定時發(fā)送的作用，以10 ms為一個定時周期。

4)讀取A/D轉換數據程序：單片機的10位A/D轉換，在從RCV420輸出信號接入時，對其進行轉換，為了增加數據的準確性，每一路的轉換值都進行4次的平均取值，可以很好地避免單次電壓的不準確情況發(fā)生，提高轉換精度。

4.2上位機程序設計

Eclipse是谷歌公司推出的安卓應用程序開發(fā)工具，因其具有界面友好，適合各種安卓客戶端上運行等優(yōu)點而受到大多數用戶廣泛的使用，而且應用程序可以通過連接WiFi接收服務器端發(fā)送過來的數據并發(fā)送用戶的指令。由于上位機要接收下位機發(fā)送過來的數據，并實時顯示在界面上，所以,在程序中要建立2個線程: 1)建立與服務器連接的Socket線程，調用DataIuputStream和DataOutputStream類通過WiFi-AP模式與下位機進行通信，其中需要2個步驟：第一把WiFi模塊配置成WiFi-AP模式的服務端，并設定IP跟端口號，通過TCP協議進行發(fā)送。第二在編寫客戶端中建立Socket類中，在子線程中寫入與服務端對應IP與端口后就可以通過Android底層的函數getInputStream和getOutputStream接收下位機發(fā)送的數據和發(fā)送指令到上位機的數據流[7]。 2)建立接收數據處理并實時顯示在客戶端界面上的線程，調用Handle消息處理隊列，通過Handle.Post將Socket線程和Handle.sendMessage把數據加入到此隊列中，然后就可以在主隊列Handle.handleMessage實時將數據更新在客戶端UI中，在此消息隊列中，線程與數據處理都是異步的，相互之間不會有影響。客戶端監(jiān)測界面如圖5所示。

圖5　客戶端監(jiān)控界面Fig 5　Client monitoring interface

5測試與結果

采用上述方法設計的Pt100多點測溫無線傳送的裝置在實驗室進行性能測試實驗。8個溫度檢測端分別放入8個不同的已知溫度的水杯中，并且保持此8個不同溫度的水杯溫度不改變，表1為某一時刻的溫度檢測數據。為驗證系統的可靠性，設定8個溫度報警限度下限值為10 ℃，上限制為80 ℃。

表1　某時刻溫度測試結果表

實驗發(fā)現：當1#進行溫度測量時，系統提示溫度過低報警信號，當7#,8#進行溫度測量時，系統提示溫度過高報警信號。

為測試Android系統的無線通信能力，在實驗中不同距離進行實驗，測試結果如表2所示。

表2　通信測試結果表

通過多次實驗測試發(fā)現，溫度檢測的相對誤差最大為0.1 %，可以準確地測量到各點的溫度。實驗發(fā)現Android無線WiFi-AP通信網絡在通信距離越遠數據的丟包率越高，150 m為最佳通信距離，數據傳輸正確率高，可以滿足工程上的通信要求。

6結束語

本文闡述了基于Android系統的低成本溫度采集系統硬件與軟件的整體設計方案，可以同時對多點溫度進行檢測，并可以與設定值進行比較，加入溫度過低或過高報警功能。本系統的拓展功能不僅僅局限于溫度測量，任何基于4～20 mA的標準信號傳感器均可以采用。上位機Android移動設備顯示各點溫度，由于接入WiFi進行數據的通信，避免了傳輸距離的限制。

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Design of wireless multipoint temperature monitoring system based on Android system

LUO Biao1， LI Bin1， ZHANG Dai-feng1， MEI Liang2

(1.School of Automation Science and Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100192,China; 2.Defense Technology R&T Center, China Aerospace Science and Industry Corporation,Beijing 100854,China)

Abstract:Multipoint temperature monitoring system includes upper PC and lower PC.Lower PC uses ATmega16 MCU as core,Pt 100 is temperature sensor for temperature sampling and measuring,which can realize temperature real-time acquisition through AP model of WiFi module with upper PC for data receiving and transmitting.Upper PC is a machine with Android platform which uses Socket client to obtain real-time temperature value,real-time display and alarming.This system can be used in multipoint detection for different temperature demand for civil or industrial occasion.

Key words:ATmega16 MCU; Pt100; WiFi module; Android system

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0056—04

收稿日期：2015—06—03

中圖分類號:TP 368

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)03—0056—04

作者簡介:

羅彪(1990-),男，江西高安人，碩士研究生，主要研究方向為導航制導與嵌入式控制。