智能定位便携式测温仪

李 彤， 胡 彧

(太原理工大学 测控技术研究所，山西 太原 030024)

智能定位便携式测温仪

李 彤， 胡 彧

(太原理工大学 测控技术研究所，山西 太原 030024)

设计一种基于MSP430单片机的应用于电力设备测温的便携式红外测温仪。采用射频识别(RFID)技术对测量地点进行定位。基于非接触、远距的测量特点，设计采用红外测温传感器MLX90614测量目标温度，同时，利用环境温度传感器采集环境温度，依据红外测温原理对目标温度进行高精度修正。系统内置SD2200时间模块，准确记录测量时间。系统内置USB读写模块，将位置信息、目标温度、环境温度、修正温度、测量时间记录在内置SD卡内，方便导入电脑并生成报表。该便携式测温仪从根本上杜绝电力巡检中漏测、错记的问题，生成报表方便查询，大大提高工作效率。

红外测温仪； MSP430； 射频识别； MLX90614； 温度修正； 电子报表； USB读写

0 引 言

随着国民经济的发展，电力系统运行安全越来越重要。电力系统安全稳定运行问题是一个关系到社会稳定和经济发展的世界共性问题，历来受到各国政府和电力企业的高度关注[1]。据统计，电力系统发生事故原因中有相当一部分与过热问题有关。在长期运行中，电力设备及其接触点的温度会因各种原因升高，温度超标直接影响设备的安全运行和使用寿命，甚至引起火灾和大范围停电，造成巨额的财产损失[2]。为确保供电可靠性,电力公司必须定期对线路设备进行巡检,及时发现早期损伤和缺陷,安排必要的维护和修复[3]。因此，高效率、零错误的电力巡检对于保障电力系统的正常运行就尤为重要。

国内外现有的测温设备，测量地点、时间和测量结果的记录主要是依靠工作人员进行纸质表格的记录，效率低，可能出现漏测、错记的问题，甚至某些工作人员未去现场检测直接填制报表，导致设备故障未能及时发现，造成巨大的财产损失。本文设计的智能定位便携式测温仪可对测量地点准确定位，记录测量时间，利用环境温度进行温度修正，并将各信息直接存入SD卡内，生成电子报表与温度曲线，方便按地点或时间查询，显著提高工作效率，为保障电力系统安全做出巨大贡献。

1 系统整体设计

本系统由3个部分组成：信息采集部分、中央处理器和信息显示及存储部分。系统主要构架如图1所示。

图1 系统整体结构图Fig 1 Structure diagram of the overall system

如图1所示，信息采集部分包括射频识别(radio frequency identification,RFID)模块、红外测温传感器、环境温度传感器和时间模块。待检测的电力设备旁安装EM4100射频卡，利用RFID模块读取射频卡信息；红外测温传感器MLX90614和环境温度传感器分别采集目标温度和环境温度；SD2200时间模块记录测量时间。

本系统中央处理器为MSP430单片机，其低功耗、运行稳定的特点保证本系统的可靠性。处理采集到的如下信息：根据读取的射频卡信息对测量地点进行定位；根据采集的目标温度和环境温度计算得出修正温度；将修正温度与设定好的正常温度区间进行对比，若温度异常则报警；从SD2200时间模块获得的测量时间(年—月—日—小时)。

信息存储部分由CH376S，SD卡以及12 864液晶屏组成，由于中央处理器不支持USB接口，故采用CH376S进行USB读写操作，将地点信息、目标温度、环境温度、修正温度、测量时间按标准格式写入SD卡内，生成电子报表。

2 硬件设计

2.1 RFID

RFID技术是一项利用射频信号通过空间耦合(电磁场或交变磁场)实现无接触信息传递并且通过所传递的信息来达到识别目的的技术[4]。RFID系统由硬件、软件和基本数据格式与通信协议三部分组成。RFID系统硬件部分主要由电子标签、阅读器和天线组成。

本系统电子标签(EM4100射频卡)提前安装在各个待测设备旁，阅读器和天线安装在便携式设备上。阅读器通过RS—232接口与中央处理器连接并进行数据交换，测量时将阅读器靠近射频卡即可读取出射频卡信息并将其传递给MSP430。该系统使用的RFID模块(阅读器)以EM78P259N系列单片机为处理器，供电电压为5 V，支持卡片频率为125 kHz，读卡距离小于16 cm，输出接口为UART输出，可直接将射频卡信息传递给MSP430。

2.2 红外测温传感器

由于高压带电体所处环境为高电压、大电流、强磁场等恶劣环境，为了安全和准确性考虑，本系统使用远距离红外测温传感器MLX90614，其物距比为12∶1，测温范围-70～380 ℃，在室温范围内提供的标准精度为±0.5 ℃。红外传感器与MSP430的通信使用SMBus总线，具体连线如图2所示。

图2 红外传感器电路图Fig 2 Circuit diagram of infrared sensor

2.3 CH376S进行USB读写

本系统的一大优点是将采集到的相关信息按固定格式写入SD卡内并生成电子报表，杜绝漏测、错记问题，方便查询，大大提高工作效率。由于MSP430不支持USB接口，故使用恒沁公司的CH376S完成USB读写任务。CH376是文件管理控制芯片，用于单片机系统读写U盘或者SD卡中的文件，其中,内置了USB通信协议的基本固件，内置了处理海量存储设备的专用的通信协议的固件，内置了SD卡的通信接口固件，支持常用的USB存储设备；此控制芯片支持3种通信接口，分别是：SPI接口、八位并口、异步串口，可以由用户按需求随意选取；支持USB设备的控制传输、批量传输和中断传输；提供文件管理功能，包括：打开、删除和新建文件，枚举和搜索文件、创建子目录、支持长文件名；提供文件读写功能，包括：以字节为最小单位或者以扇区为单位对多级子目录下的文件进行读写操作；提供最高3 Mbps 速度的异步串口，支持连接到单片机的串行口，支持通信波特率动态调整；支持5 V电源电压和3.3 V电源电压以及3 V电源电压，支持低功耗模式。CH376S通信接口如图3所示。

图3 CH376S通信接口Fig 3 Communication interface of CH376S

本系统通信接口可通过WR#和RD#引脚的高低电平设置接口方式。例如：两引脚都为低电平则为SPI方式，两引脚都为高电平则为异步串口方式。CH376S电路图如图4所示。

图4 CH376S电路图Fig 4 Circuit diagram of CH376S

3 软件设计

3.1 软件设计整体流程图

整个系统软件的设计主要包括RFID、温度采集、温度修正、USB读写、液晶显示5个部分。图5为系统主程序的流程图，硬件初始化后开始工作。

先对射频卡识别并得出地点信息，如果位置识别正确，开始采集温度；如果无法正确识别位置信息，则不采集温度，继续进行RFID。通过红外测温传感器和温度传感器分别采集到目标温度和环境温度后送入MSP430计算，得出修正温度并判断是否在正常温度区间，若超标，则报警。将时间和以上信息按固定格式在液晶屏显示并传递给USB读写模块记录在SD卡内。

图5 系统主程序流程图Fig 5 Flow chart of main program

3.2 SMBus总线

本系统采用红外传感器MLX90614采集目标温度，其采集到的数据信息通过SMBus总线传递给MSP430处理。每一个数据采集周期MLX90614传递给MSP430处理器16位数据，分2次传输，每次发送1个字节。MLX90614默认从器件地址为5BH，对5BH和00H均能作出响应。SMBus总线数据传递流程图如图6所示。其中，S为起始位，Slave Address为从器件地址，Wr为写标志，Command为命令字节，Rd为读标志，PEC为出错数据包，P为停止位[5]。数据传输是以字节为单位进行的，每次发送1个字节( 按位来发送) ，然后判断对方是否应答，有应答，则继续发送下一个字节；否则，重复发送该字节，直至得到应答信号，继续发送[6]。

图6 SMBus数据传递流程图Fig 6 Flow chart of SMBus data transmission

3.3 CH376S

CH376芯片进行初始化之前，需要发送CMD_CHECK_EXIST命令用于检查通信接口和工作状态。检查CH376芯片是否正常工作。当CH376芯片正常工作,即可对CH376芯片进行初始化。单片机需要发送CMD_SET_USB_MODE命令初始化CH376芯片。该命令需要输入一个数据，该数据是模式代码，模式代码为03H时切换到SD卡主机模式，管理和存取SD卡中的文件。

本系统数据接口使用SPI接口，SPI同步串行接口信号线包括：SPI片选输入引脚SCS、串行时钟输入引脚 SCK、串行数据输入引脚SDI、串行数据输出引脚 SDO、中断输出引脚INT#,以及接口忙状态输出引脚BZ(可省略)。CH376在SCK的上升沿采样数据，在SCK的下降沿输出数据；CH376工作在SPI模式时，将SCS由高变为低之后的第一个字节作为命令处理；在一个命令周期处理结束之后,单片机应该将SCS置为高电平[7]。

本系统使用的主要命令有：

CMD_SET_FILE_NAME:该命令用于设置将要操作的文件或者目录(文件夹)的文件名或者目录名(路径名)。

CMD_FILE_OPEN:该命令用于打开文件或者目录，打开文件是读写文件之前的必要操作。

CMD_BYTE_WRITE:命令用于以字节为单位向当前位置写入数据块。

4 修正温度的计算

根据红外测温传感器的测温原理，环境温度会对测量结果有一定的影响。为了消除这种影响，本系统在使用红外测温传感器测量目标温度的同时使用环境温度传感器采集当时的环境温度，将其传递给MSP430，根据设定好的精确算法计算得出修正温度。设被测物体的温度为T1,环境温度为T2时,则该物体发出的净辐射能Q[8]为

式中A为探测器的有效元面积；ε为物体的辐射率；α为物体的吸收率。

根据此公式，可计算得出更精确的修正温度。

5 测试结果

测量结束后将SD卡插入电脑中，读取TXT文档并转换为Excel表格，生成电子报表(表1)。TXT文档的文件名是测量当日的时间，生成电子报表后，工作人员可以按时间或地点查询温度值并得到温度曲线值。

表1 测试结果Tab 1 Test results

6 结束语

相比较国内外现有的便携式红外测温仪，本系统在实时定位、自动记录、测量精度和生成电子报表等方面具有很大的优势。系统成本较低，使用方便，显著提高工作效率。在电力系统实际应用的4个月中，运行稳定。

[1] 汤 涌.电力系统安全稳定综合防御体系框架[J].电网技术,2012,36(8):1-5.

[2] 张振国,胡 彧.高压带电体温度无线监测系统的设计[J].仪表技术与传感器,2013(4):53-55.

[3] 陈中伟,肖 华,吴功平.高压巡线机器人电磁传感器导航方法[J].传感器与微系统,2006,25(9):33-39.

[4] 王小辉,汪云甲,张 伟.基于RFID的室内定位技术评述[J].传感器与微系统, 2009, 28(2): 1-7.

[5] Melexis Corporation.MLX90614[EB/OL].[2012—09—22].http:∥www.doc88.com/p—970466610266.html.

[6] 田伟平，田 跃，李 杰.新型红外测温传感器的原理与应用[J].传感器世界，2007(12)：44-46．

[7] 沁恒电子.CH376手册(一)[EB/OL].[2012—09—12].http:∥www.wch.cn/download/list.asp?id=124.

[8] 帕罗·E M·斯，塞斯·R D.辐射传热[M].北京：高等教育出版社，1982.

李 彤(1988-)，山西临汾人，硕士研究生，主要从事便携式仪器仪表技术的研究。

Intelligent positioning portable thermometer

LI Tong, HU Yu

(Institute of Measuring and Controlling Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

Based on MSP430 single chip microcomputer,a portable infrared thermometer used for electric power equipments is designed.The thermometer locates measurement location using radio frequency identification(RFID)technology.And based on noncontact and distant measurement characteristics,the design uses infrared temperature measuring sensor MLX90614 to measure the target temperature;using environment temperature sensor to collect environment temperature,the equipment corrects the target temperature according to the principle of infrared temperature measurement.The system built-in SD2200 time module to record measuring time accurately.Built-in USB read-write module to record the location,target temperature,environment temperature,modification temperature and measuring time in the internal SD card for importing computers conveniently and generating report.The portable thermometer puts an end to the missing and wrong record during power checking,and generates reports to make reading convenient,and greatly improves work efficiency.

infrared thermometer； MSP430； RFID； MLX90614； temperature correction； spreadsheet; USB read-write

2013—09—15

TH 865

B

1000—9787(2014)04—0095—04