基于TMP275的电机温度监控系统研究

李 阳，时维铎，徐 磊，黄 峰

（南京林业大学 信息科学技术学院，江苏 南京 210037）

电机的温度检测与控制在工业生产中有着至关重要的作用，目前国内缺乏针对电机转子温度进行实时在线监控的系统。而电机超时、超负荷的运转会导致电机温度急剧上升，轻则影响工业生产的安全性、稳定性，重则直接酝酿巨大的经济损失。由于电机内部的结构复杂，工作时转子高速运转[1]，无法实现有线测量，所以大多数电机的温度监测系统还以非直接接触式的测量为主，但这些方法存在测量误差大、延时时间长等缺点[2]。文中研究了一种基于TMP275的电机温度实时在线监测系统，以MSP430为核心处理器，通过红外无线发射模块，实现对电机设备温度实时在线监测，通过实验对比分析得出该系统测量精度高，误差小，响应速度快，运行可靠，可广泛应用于高精度仪器仪表控制系统中。

1 模块电路硬件设计

1.1 总体结构设计

本设计以MSP430作为控制器，MSP430是一款超低功耗的单片机，采用+3.3 V供电，特别适合应用与电池供电的长时间工作场合。通过TMP275对电机内部温度进行测量，送MSP430进行处理，并将处理结果送给固定在转子上的红外发射模块。固定在定子上的红外接收模块将接收到的数据送给上位机，实现实时在线监测，系统的总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图Fig.1 System of overall structure diagram

1.2 传感器采集电路的设计

本设计采用的TMP275数字式温度传感芯片，采用+3.3 V供电，同时集成I2C总线接口和16位AD转换电路。在-55～+127℃的工作温度范围内，TMP275数字传感器仅产生+0.5℃的误差；同时相对模拟型温度传感器，TMP275输出的数字信号便于直接送给控制器进行处理，避免了模-数转换电路的繁琐与实时性差的缺点。采集电路的设计如图2所示，其中A2、A1、A0是它的地址引脚，工作时将它们同时接地。芯片将采集的温度转换为16位的二进制数：第1位是符号位，紧接着是整数部分7位，小数部分4位，最后4位全是0。具体温度格式如下：

+温度：0XXX XXXX XXXX 0000；

－温度：11XX XXXX XXXX 0000.

其中最高位代表符号位：0 代表“+”，1 代表“－”[5]。

图2 传感器采集模块电路Fig.2 The circuit of sensor acquisition module

1.3 检测装置的安装

红外收发装置由于工作的环境决定了它们都需要可靠的封装。封装时需要考虑到以下问题：防止电磁干扰对电路的影响，需要和足够的机械强度，方便安装固定，需要有一定的耐温性[4]。

该装置的安装如图3所示：温度传感器埋设在励磁绕组内部或者其他容易过热的点；红外发射模块通过螺钉固定在电机的转轴上，并用绝缘层隔开；红外接收装置安装在机座端部的内壁，尽量对准红外发射装置，以保证良好的接收。

图3 检测装置安装示意图Fig.3 Detection device installation diagram

2 软件设计

软件部分主要包含：首先上电对控制器MSP430、TMP275传感芯片、LCD1602初始化，紧接着MSP430发送请求读取TMP275温度值的指令，如果MSP430未接收到来自TMP275发送的温度值，则MSP430再次发送请求读取温度指令，一直等待读取成功后将数值送给红外发送模块，等待红外发射模块成功将数值发射，红外接收模块等待数据的接收，确认数值接收成功后，最后将数据送给LCD1602显示模块和报警模块[5]。以上就是本设计温度监控系统的整体软件流程方案。系统的整体流程图如图4所示。

3 实验结果

本设计主要测试了温度传感器的精确度以及响应时间。

图4 系统程序流程图Fig.4 System program flow chart

3.1 TMP275与DS18B20温度测量对比

TMP275温度传感芯片工作温度在－55～+127℃，这里选取具有同样分辨率的单线－数字式的DS18B20温度传感器作为比较对象。将传感器埋在可控温度的密闭烘箱里[6]，经过一定时间的温度变化，最后得到一系列测得温度和实际温度的数值，实验结果如表1所示。这里以PT100型铂电阻温度计测得的温度记为实际温度。

表1 不同温度对TMP275传感器的影响Tab.1 The influence on the TMP275 sensor under different temperature

从上表可以看出，在不同的温度下，DS18B20测量的最大温差为1.21℃，最大相对误差为7.49%，与DS18B20相比，TMP275测量的最大温差为0.48℃，最大相对误差为4.40%。

综上，TMP275温度传感器的工作温度范围之内，测量精度高，相对误差小，完全满足对电机温度检测系统的要求。

3.2 TMP275响应时间的比较

从控制器发送温度采集命令给温度芯片那一刻起到控制器接收到温度数据那一刻止，这一温度采集的过程所需要时间称之为传感器的响应时间。由于这里所涉及到的时间一般都比较短，所以必须要利用MSP430自带的计时器进行测量。从上位机MSP430发送温度采集命令后的那一刻开始计时到MSP430接收到温度数据那一刻计时停止，记为一个响应时间。通过实验测得PT100型铂电阻温度计、DS18B20与TMP275的响应时间。如表2所示。

表2 TMP275响应时间的测量Tab.2 The research of the response time on the TMP275 sensor

通过对上表实验数据可以看出，DS18B20响应最慢，大概需要1 250 ms；而铂电阻温度计响应需660 ms左右，相比以上两种传感器，TMP275响应时间仅需430 ms。

综上，TMP275温度传感器与单总线的DS18B20相比响应迅速，且快于铂电阻温度计的响应。因此基本认为TMP275对电机转子温度的监测是实时的。

4 结 论

本文针对国内电机转子温度监控系统的诸多缺陷，选用TMP275温度传感芯片通过红外传输技术设计出了精确、快速读取电机内部温度的检测系统。研制的温度监测系统工作可靠，可以达到所需要的控制精度，温度测量精度高、反应时间短，能够准确的远程传送数据，实现在线控制，具有较高的应用价值，可推广应用到发电厂、汽车发动机等领域。

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