高精度智能锅炉回水温度采集系统的设计与开发

陈 哲

辽宁广播电视大学 （沈阳 110034）

目前，我国北方绝大部分地区在冬季均采用锅炉供暖来解决用户用热问题，因此，需要对用户的回水温度进行测量并上传至上位机，并以此为依据对锅炉的运行情况进行监测和控制。尽管目前市场上的温度测量系统众多，且其生产水平无论在工艺还是在测量精度上都在不断地提高，但高精度、宽量程以及多通道的温度检测仪，价格都十分昂贵，因此，本文设计了一种智能锅炉回水温度测量应用系统，该系统具有结构简单、价格低廉、测量精度高、量程宽等特点，具有一定的实用性和较高的社会推广价值。

1 智能锅炉回水温度采集系统整体结构设计

智能锅炉回水温度采集系统采用SyncMOS8952单片机作为主要控制单元，其软硬件均采用模块化结构设计，各个模块功能独立设计，使系统的软硬件维护和调试非常便利，且具有良好的兼容性和持续开发性，其基本结构如图1所示。

图1 智能锅炉回水温度采集系统整体结构

系统首先采用Pt100传感器与辅助测量电路对-40-100℃范围内的锅炉回水温度信号进行采集并转换成0-5V电压信号，再经12位A/D转换器MCP4204将模拟信号转换成0-4095的数字信号，通过查分段线性插值表将其转换成实际温度值，系统可以采集8路温度信号，测得温度值精度可达0.1℃。另外，上位机通信模块可将所采集温度通过RS485总线上传给上位机进行实时显示和处理。与此同时，实时时钟模块能够为系统提供实时时钟，并可以通过上位机对时钟进行校准，所连接的LED显示屏模块可以同时显示实时时钟和8路温度值。

2 Pt100传感器检测模块

本系统采用Pt100铂电阻作为温度传感器，铂电阻温度传感器在锅炉回水这一具有氧化性且高温环境下的物理和化学性质都非常稳定，因此，Pt100非常适合对锅炉回水温度进行测量。本系统所采用的Pt100温度传感器的长时间稳定的重复性可达10-4K，明显优于其它温度传感器，这极大地提高了系统的测量精度。在本系统中，对传感器的信号采集方式使用的是电桥方式，但由于在锅炉回水温度测量过程中，传感器安装位置一般距测量模块较远，当环境的温度变化时，由于传感器连接导线的电阻会随之变化，因此，为了减小对测量结果的影响，系统采用三线制接线方法，如图2所示。

图2 测量电桥电路

图3 MCP3204外围电路

3A/D转换模块

系统中的A/D转换模块采用Microchip生产的MCP3204芯片，该芯片为带有采样保持电路的逐次逼近型（SRA）12位精度A/D转换器，并可以编程配置为2路伪差分输入偏置或4路单端输入，其差分非线性度（DNL）和整体非线性度（INL）为±1LSB，芯片的最大转换速率为200ksps，且芯片采用宽电压（2.7-5.5V）、低静态电流（500mA）设计，工作电流仅为320uA。由于系统所要测量的温度为0-100℃，精度要求为0.1℃，所以MCP3204的12位精度足以满足系统的要求，该芯片的外围电路如图3所示。

4 通信模块电路

本系统与上位机的通信采用RS-485方式，接口设计采用MAX487芯片，在实际工作过程中，由于MAX487的接收灵敏度为±200mV，即当接收端的差分电压大于＋200mV时，接收器输出为高电平，若该电压小于－200mV时接收器输出为低电平，介于±200mV之间时接收器输出为不确定状态，因此，当该芯片的某个节点接收器在总线空闲、传输线开路或短路时会产生低电平，这将使串行接收器无法识别起始位，从而引起通信异常，为了解决此问题，系统在硬件上采用将MAX487芯片的A、B输出端加接上拉、下拉电阻，保证在发出有效数据时所有接收器都能接收到完整数据。系统采用半双工通信方式，各节点间的通信通过双绞线传输，因双绞线的特性阻抗为120Ω，因此，系统在MAX487的始端和末端各接一个120Ω电阻以减少线路上传输信号的反射。由于系统无法保证各模块上电或复位在同一时刻完成，如某个时刻MAX487处于发送状态，这将占用通信总线而使其它模块无法与主机进行通信，本系统在SyncMOS8952的P3.5端口与MAX487的DE端之间加接光耦TIL817，保证了系统上电复位时MAX487的DE端为低电平，有效解决了该问题。

5 温度显示模块

本系统采用多个数码管完成温度显示功能，并使用74HC595通过串入并出级联对数码管进行驱动，74HC595数据线通过SDAT输入时钟，SCLK信号使74HC95时钟同步，最后再使用HOLD信号实现74HC595同步锁存输出。

6 温度采集程序设计

本系统的温度采集程序由四部分组成，即温度采集、时钟、显示和上位机通信程序。

在温度采集程序中，系统首先将Pt100采集的模拟信号通过A/D转换、滤波、查表和插值等步骤转换成实际温度值。MCP3204通过CD4051选择相应的采集通道，读出A/D值，并对A/D值进行滤波，最后取得A/D值，并通过处理得出测量温度结果。系统通过CD4051进行通道切换，直至8路通道都采集完毕，在采集过程中的延时程序将使CD4051有足够时间进行通道切换。

时钟程序主要包括读时钟程序和校准时钟程序，当串口接收到上位机发送的校准数据后，立即将校准标志位置1，然后执行校准程序，读时钟部分采用单字节读取模式，每次读出一个字节，读出的时间值以BCD码表示，再将BCD码转换成十进制数，并执行显示码转换程序。

显示程序主要是将温度值和时间值在LED显示屏上显示出来。单片机采用I/O口分别连接数据、时钟和显示允许信号，并通过74HC595芯片将显示码送至LED显示屏完成显示功能。

上位机通信程序的主要功能是将所测得的各路温度值发送至上位机，系统采用RS-485通信方式，首先对温度值进行编码，每一帧数据都包括起始位字节、通道号字节、十位字节、个位字节、小数位字节、校验字节及停止字节。系统中的校验字节采用和校验方式，每测量出一路温度值就将其发送给上位机。

7 结语

理论与实验表明，本系统对锅炉回水温度的采集具有结构简单、价格低廉、测量精度高和量程宽等特点。通过模块化的结构设计使系统的软硬件维护和调试非常便利，为智能锅炉回水温度测量提供了一种比较理想的方法与解决方案。

[1]王祁.智能仪器设计基础[M].北京:机械工业出版社,2010.

[2]魏学业.传感器与检测技术[M].北京:人民邮电出版社,2012.