基于CC2530和NTC热敏电阻的锅炉温控系统

黄 东 赵 勇 张天开 王显静

(青岛理工大学自动化工程学院，山东 青岛 266033)

锅炉测温在生产过程中随处可见，但通过现场工人设置的方法对锅炉温度进行控制时，由于锅炉较多且生产环境恶劣或是有一定危险时，操作相对较麻烦，容易对工人人身安全造成威胁，因此需要一套远程控制系统对锅炉温度进行控制。

微机电系统、片上系统、无线通信技术和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出了无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)。WSNs是一种由传感器节点构成的网络，可将传感器的信息通过无线网络发送给上位机[1]。因此将WSNs技术与监控软件相结合运用到锅炉监控中是温控系统未来的发展趋势。基于此，笔者设计了一种以CC2530和NTC热敏电阻为核心的智能化锅炉温控系统，利用低功耗的WSNs实现了锅炉温度的采集、显示和测温节点与协调器间的数据传输。

1 系统总体结构①

锅炉温控系统的结构框图如图1所示。传感器使用NTC热敏电阻，分压电路将NTC电阻值转换成电压值；CC2530的AD转换器采集电压信号并将其转换成实际温度；单片机控制LCD显示相关信息；串行时钟芯片DS1302实时显示和记录系统时间；基于I2C总线的AT24C02用来保存用户设定数据。每个测温节点通过ZigBee发送测量数据至锅炉监控系统或接收温度等设定值，并将温度设定值与测量值进行比较，输出控制信号驱动光耦，以控制继电器的断开与吸合。根据需要任意设定测温节点数目，ZigBee测温节点与ZigBee协调器自组网形成无线网络，ZigBee协调器通过串口通信方式与上位机进行通信[2]。

图1 锅炉温控系统结构框图

2 ZigBee测温节点

2.1 最小系统CC2530

最小系统CC2530内嵌业界标准的增强型8051CPU，共有21个数字输入/输出引脚，可以配置成普通通用数字I/O信号或外设I/O信号。ADC支持14位的模拟数字转换，具有8个可配置通道，转换结果可通过DMA写入存储器。同时，CC2530结合了黄金单元ZigBee 协议栈(Z-StackTM)，提供了一个强大和完整的ZigBee 解决方案。引脚P1_2和P1_1模拟I2C总线时序、读写AT24C02，P1_2和P1_1分别模拟I2C的SCL时钟线和SDA数据线。本系统中射频电路都是由TI官方提供，最小系统CC2530的电路如图2所示。

图2 最小系统CC2530的电路

2.2 系统电源

系统电源电路的主要功能是为各模块提供不同的电源。整流芯片DB107将降压后的220V交流电转换成直流电，为整个测温节点提供电源(图3)。由于系统各模块需要的电压不同，系统电源电路模块需要提供不同的稳压电路：LM7812为光耦和继电器提供12V稳压电源；MC34063输出5V电压为液晶12864供电；同时，5V电压通过降压芯片ASM1117后输出3.3V电压为CC2530供电[3]。

图3 系统电源电路

2.3 NTC热敏电阻

NTC热敏电阻是一种以过渡金属氧化物为主要原材料，采用电子陶瓷工艺制成的热敏半导体陶瓷组件，其电阻值随温度的升高而降低。电阻温度特性可以近似地表示为：

RT=RNexp[B(1/T-1/TN)]

(1)

式中B——NTC热敏电阻特定的材料常数；

RN、RT——NTC在额定温度TN和温度T时的电阻值，Ω；

T——温度， K；

TN——额定温度， K。

由于B值随温度变化，因此式(1)只能以一定的精度来描述额定温度或电阻值附近的有限范围[4]。本系统选用B=3950的NTC热敏电阻CWF2-502F3950，基于精确的R-T曲线，采用查表方式对温度进行精确的测量[5]。

从R-T关系表中可以查出NTC的测温范围为-55～125℃，电阻值的变化范围为242.64～250 062Ω，这么大的变化范围给ADC测量带来了困难，因此系统采用由NTC热敏电阻和精密电阻Rm(10kΩ)构成的串联分压电路测量锅炉温度，测量电路如图4所示。CC2530的ADC有14位的精度，表中温度对应的ADC转换后的数字量为：

(2)

图4 测量电路

将式(2)的计算结果以表格形式保存在内存中。

2.4 线性插值

在ADC进行数据采集的过程中不可能每一个数值都在整数温度对应的ADC数值上，因此若采集的数据在两个数据中间就要对其进行进一步的精确定位，这就要求知道采集的数据在表的具体位置，因此要对数据进行搜索、查找。如果出现非整数温度的情况，可以利用线性插值法提高测量温度的精度[6]。

插值求得的温度值实际是直线L拟合温度曲线T，这样的做法难免有一定的误差，但可以控制在允许的范围内，线性插值原理如图5所示。

图5 线性插值原理

已知点(X1，Y1)和(X2，Y2)，求(Xi，Yi)。由两点可以得到直线L的方程为：

(3)

点(X1，Y1)和(X2，Y2)为相邻温度点，所以有X2-X1=1，则：

(4)

这样将ADC转换来的数值代入式(4)就可得到相应的温度值。

插值计算出来的值是小数，需要对其进行特殊处理：基于定点计算思想，首先把数据规格化，将小数点定在第六位(即计算数值放大64倍)进行计算，得到的温度数据缩小64倍后就是实际温度值。小数点定的位数越高，计算精度越高。插值计算是分段的，因此在处理过程中分段越细致，拟合的曲线越接近实际温度曲线[7]。

3 软件设计

ZigBee协调器的工作流程如图6所示。协调器负责ZigBee网络的建立、允许测温节点加入网络和数据收发与处理。同样，监控软件通过建立的网络将数据传输到测温节点。协调器在不采集状态时处于休眠状态，即测温节点不被查询[8]。

图6 ZigBee协调器的工作流程

ZigBee测温节点工作流程如图7所示。测温节点一旦被查询就开始采集温度，采集到温度滤波后传送到CC2530，再发送数据到上位机。如果温度值超过设定值，CC2530控制继电器动作。

图7 ZigBee测温节点工作流程

锅炉监控系统由LabVIEW编写，用VISA开发串口通信模块。加载窗口，设定相关串口通信参数。打开串口后可以利用上位机接收、上传、显示和保存数据[9]，上位机工作流程如图8所示。

图8 上位机工作流程

4 系统测试

将整个系统安装完毕后，测量锅炉降温过程中的温度。为了减小人为测量误差，将标准温度计(精度0.1℃)测温触点和NTC热敏电阻固定在一起。系统供电后，通过监控软件设置ZigBee测温节点系统时间及温度上/下限值等，并将设置信息存入AT24C02。同时，在相同时刻读取温度计温度和监控软件显示温度(保留两位小数点)，这里仅列出部分测量结果(表1)。

表1 测温结果 ℃

从表1可以看出：ZigBee测温节点的测温误差控制在2.00℃以内，测量结果达到了设计要求。

5 结束语

笔者介绍的锅炉控温系统结合了NTC热敏电阻和ZigBee无线通信技术的优点，构成了智能无线网络化的监控系统，其测量精度较高，数据传输速度稳定，同时可以根据用户的要求设置测温节点的数目，满足了锅炉测温需求，也可应用于智能家居及农业生产等领域。

[1] 马正华，王顺先，周炯如.炉温远程监控系统的设计[J].中国科技论文，2012，7(7)：567～570.

[2] 唐洪富，张兴波.基于STC系列单片机的智能温度控制器设计[J].电子技术应用，2013，39(5)：86～88.

[3] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001：20～264.

[4] 梅小雨，许昌，魏艳红.基于对数的NTC热敏电阻测温系统的设计[J].自动化与仪表，2011，26(5)：54～57.

[5] 周以琳，李金亮，杨勇，等.NTC热敏电阻R-T特性的高精度补偿[J].青岛科技大学学报(自然科学版)，2010，31(1)：80～82.

[6] 赵军，谢作品，吴珂.NTC热敏电阻线性化新方法[J].电测与仪表，2006，43(1)：12～14.

[7] 程双双，姜平，肖红升，等.NTC热敏电阻分段曲线拟合[J].煤矿机械，2009，30(10)：41～43.

[8] 李新慧，俞阿龙，潘苗.基于CC2530的水产养殖监控系统的设计[J].传感器与微系统，2013，32(3)：85～88.

[9] 吴后平，张振东，郭辉.基于LabVIEW的汽车压力空调开关性能检测系统[J].仪表技术与传感器，2014，(1)：64～66.