无线尿量监测装置（精选6篇）
无线尿量监测装置 篇1
0 引言
随着卫星通信,移动通信业务的快速发展,无线监测技术越来越得到广泛的应用。无线监测技术是开展无线管理系统的基石。无线监测技术在各行各业都起了非常重要的作用,无论是国防、经济建设和社会生活,甚至在我们的家庭生活中都有无线监测技术的身影。从大的方面说,卫星的发射、载人航天、探月工程,无线监测技术起了重要的保障作用。从小的方面说,我们的家庭生活,日常通信,家庭防盗系统等都是无线监测技术应用的重要体现。
本设计正是基于无线监测技术,实现对周边环境的温度、湿度,光照等实时监测,通过对环境数据的收集、处理、分析和传播,人们在任何时候,任何地点都可以获得详细可靠的实时信息。该技术可以广泛地应用在工业控制、军事领域、家庭监测、电子消费、交通管理、商业、环境监测、智能农业、医疗健康等各个领域。
1 系统总体设计及工作原理
本着低功耗,低成本的原则,本系统设置一个监测终端和两个监测节点。其中监测终端和监测节点均配有一套完整的无线收发电路,并具有无线数据传输功能。基于单片机的无线环境监测模拟装置硬件部分分别为:两个探测节点上的温度、光照采集电路,无线收发电路,单片机控制电路和液晶显示电路(如图1所示)。本装置配备光电传感器和温度传感器的两个探测节点,可以实现对周围环境的温度和光照情况的实时监测,监测的数据信息传送到单片机并通过收发电路对信号进行解码放大处理,最后通过单片机控制液晶显示模块实时显示探测节点编号及其探测到的环境温度大小和光照有无[1]。
1.1 系统硬件电路
1.1.1 单片机控制电路
无线环境监测模拟装置的控制核心采用AT89S52单片机作为控制器。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。单片机工作电路如图2所示。
AT89S52是高电平复位。RST:接单片机的复位引脚。当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平单片机复位。复位电路可以在系统上电时提供复位信号,在上电时,首先RC电路会充电,当充电达到单片机RST复位引脚的高电平后复位开始,完成系统复位功能。
AT89S52的晶振电路结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率,晶振提供的时钟频率越高,单片机的运行速度就会越快。本系统采用11.0592M的晶振,因每一种晶振都有各自的特性,一般按照制造厂商提供的数值来选择外部元器件。而在许可范围内,晶振电路的电容值越低越好。电容值偏大虽然有利于振荡器的稳定,但这会增加起振时间,所以在此原则下,本系统中选择30p F的电容作为晶振电路的电容。
1.1.2 传感器电路
无线环境监测模拟装置的监测节点采用DS18B20温度传感器[2]和光敏电阻探测电路实现温度信息和光照信息的采集。DS18B20数字温度传感器接线方便,封装成后可应用于多种场合,封装后的DS18B20可用于电缆沟测温,高炉水循环测温,锅炉测温,机房测温,农业大棚测温,洁净室测温,弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰,体积小,使用方便,封装形式多样,适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
1.1.3 收发电路
为了将温度信息和光照信息传送到单片机上,所以基带信号为二进制码,因此本系统的调制方式采用2ASK的发射电路[3]。由于前端发射信号经过天线耦合后的信号比较微弱,所以在系统中对接收端添加放大电路,可以对所接收的微弱信号进行放大。因为发射电路选用2ASK的方式,所以选用包络检波的解调方式用于解调中。由于在包络检波解调中,1表示高电平,0表示低电平,且本系统中的监测终端盒探测节点的延时不大于5s,因此在无线环境监测模拟装置中采用串口通信的方式。
1.1.4 显示电路
无线环境监测模拟装置的显示模块采用1602液晶实时显示当前的温度大小和光照有无。1602是工业字符型液晶[4],能够同时显示16x02即32个字符。1602液晶具有短小轻薄,低功耗,影像稳定不闪烁及平面直角显示等优势,且价格比同类型的液晶略低(1602液晶如图3所示)。
1.2 软件设计
无线环境监测装置的程序采用模块化设计[5],包括子程序和主程序。在子程序中定义各个模块的功能,如测量,通讯,显示,计算等,分别有温度和光照测试程序,主控制程序,液晶显示程序和通讯程序。主程序用于协调执行各模块及相互之间的关系,并实现程序初始化,在主程序中调用多个子程序,如温度测试程序,光照测试程序,串口通讯程序,单片机控制程序等。软件的流程图如图4所示。
2 结论
本系统采用低成本,低功耗的无线监测装置,节点配置灵活且结构简单,实现了对周围环境的温度,光照信息等的实时监测显示。但在供电方式的优化和传送距离方面需要进一步地改善,以降低能耗,增加发射距离。
摘要：随着无线监测技术及电子技术的不断发展,无线监测技术越来越广泛地应用在各种控制体统中。无线监测技术对数据监测及管理具有重要的实际意义,其在制药,食品加工等领域均有广泛的应用。本设计采用AT89S52单片机为控制核心,硬件系统主要有单片机控制系统,液晶显示系统,无线收发系统和数据采集系统四部分组成。软件部分实现了数据的采集,控制处理,LCD液晶显示实时数据,通信协议的设定和串口收发程序的设计。该系统功耗低,结构简单且配置灵活,可以实现对周边环境的温度、湿度和光照强度的实时监测、无线传输和数字化显示。
关键词：数据采集,无线监测,单片机,实时显示
参考文献
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无线环境监测模拟装置的研究 篇2
1、系统结构
本方案监测终端和探测节点组成, 监测终端和检测节点采用同样的无线模块, 频率采用中频16.384M。由探测节点的单片机控制信息的采集、处理, 经无线传输出去。主机发送控制信息, 选择节点号, 节点响应后把采集的信息发送回来。
主机最多可连接255个节点, 通过键盘输入选择节点号。主机收到发回的信息后会在8位LED共阴极管显示出来:前三位显示节点号, 第四位显示光照信息, 后四位显示温度。光照信息采用光敏二极管组成简单的分压电路经单片机采取电压得到;温度测试采用DS18B20, 测试范围-55°C~123°C, 精确到0.0625°C, 完全满足要求。
2、通信方式选择
要实现信息的双向传输, 采用半双工模式。由于传输数据量小, 选定二电平幅移键控 (2ASK) 调制。最简单ASK方式是当信号源要发送‘1’时, 它就发送一个大幅值的载波, 当需要发送‘0’时, 它就发送一个低幅值的载波。通断键控 (OOK) 调制是这种方法的进一步简化版本, 信号源在需要发送‘0’的时候不用发送载波。
3、控制模块
控制摸块主要考虑mps430单片机和51系列单片机。51单片机价格较低, 应用广泛, 但是处理速度慢, 功耗比较大, 不适合本设计。MSP430是TI公司新推出的16位系列单片机, 在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势。其工作电压在1.8~3.6V之间, 正常工作时功耗可控制在200μA左右, 低功耗模式时可实现2μA甚至0.1μA的低功耗。MSP430具有非常高的集成度一般单片就可以满足大多数的应用需要。两相对比, 取功耗小, 运算速度功能强大的的msp430单片机做控制模块。
4、通信协议
通信协议采用发送帧的模式, 一个帧由帧头、目的地址、源地址、数据、校验和帧尾组成。
二、硬件电路
高频发射电感需要自己在电视中周上绕制, 由谐振公式计算出适应电容, 频率为16.384M, 绕制线圈电感为2.7u H, 计算电容为35p F。绕制线圈的电感测量约为2.8u H。采用谐振放大天线, 并联电容约30p F。
1、发射电路设计
采用16.384M有源晶振产生稳定的载波, 三极管8050作电子开关, 调制信号加在8050的基极, 当基极为高电平时晶振起振, 低电平时停振, 从而产生OOK信号, 通过一个BJT单管谐振功放电路发射出去。高频发射模块采用谐振放大电路, R1提供基极静态电流, 调节R1可以获得合适的静态电流。调制信号速率选择, 完全满足了系统小量数据传输速度要求, 2ASK传输带宽。
2、解调电路设计
线圈与并联的电容构成并联谐振回路, 谐振在16.384M, 得到的信号经电容C2耦合到Q1基极, 放大后耦合到Q2回路。Q2与周围元件构成一个电容三点式震荡电路, 是一个受间歇振荡控制的高频振荡器, 其频率由L3、C7决定, 选取合适值让它谐振在16.384M。C10影响反馈量, 它的取值影响灵敏度和接受范围。
而间歇 (淬熄) 振荡的频率是由电路的参数决定的 (一般为1百~几百千赫) 。这个频率选低了, 电路的抗干扰性能较好, 但接收灵敏度较低;反之, 频率选高了, 接收灵敏度较好, 但抗干扰性能变差。应根据实际情况二者兼顾的进行选择。
三、软件设计系统软件介绍
系统的软件部分采用模块化程序设计的方法, 由主控制程序、显示部分子程序、键盘服务子程序、发射接受子程序组成。
本系统设计程序包括主机程序和节点程序, 设计的重点是中继转发技术, 通过延时转发来实现主机范围之外的节点的通信。如图3-3所示, 当节点A收到主机发送的非自己的请求信息后, 它会延时一定时间将信息转发出去, 如果目标节点在它通信范围内, 就会响应, 发送采集到的信息;A收到信息后转发给主机。
四、总结
本设计实现了基于MSP430三点以上中继转发的无线通信。发送端和接收端之间的距离为30厘米, 之间没有任何有线连接, 实现监测终端和探测节点之间相互通信。实验表明, 该系统实时性好, 性能可靠。
参考文献
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[2]谢自美:《电子线路设计?实验?测试 (第二版) 》, 华中理工出版社, 2000年。
[3]张菊鹏等:《计算机硬件技术基础 (第二版) 》, 清华大学出版社, 2000年。
无线尿量监测装置 篇3
近年来, 在电力系统中, 12~40.5 k V高压开关设备主回路常因接触不良、绝缘老化等原因, 导致触头等电气接点温度异常升高, 造成严重的电力事故和巨大的经济损失。据有关部门对电力安全事故统计, 我国每年发生的电力事故40%是由于主回路过热所致。
12~40.5 k V高压开关设备空间封闭狭小, 发热点不易检测, 目前比较常用的检测方法有变色片、点温仪、红外热成像仪等, 这些方法需要专门值班人员定期巡检, 无法实时在线检测, 更不能对温度异常情况进行及时处置与告警, 不能作为一种有效的预防措施来推广应用。为此, 本文研制了一种实时监测开关设备接触点温度、并能对异常情况及时报警处置的监测装置, 以提高电网运行的安全性。
1 技术原理与结构
高压开关设备触头无线温度监测装置采用无线通信技术进行高压隔离和信号传输, 实时监测高压开关设备触头的温度变化情况, 从根本上解决发热点温度不易监测的难题。
该装置主要由温度在线监测终端和现场汇总通信终端两部分组成, 如图1所示。若干个温度在线监测终端分别安装在高压开关设备各发热点附近, 该监测终端通过温度传感器将采集到的发热点温度数据传输给无线信号收发模块, 由无线收发模块调制后发送给安装在开关设备控制面板上的现场汇总通信终端。现场汇总通信终端通过无线方式接收开关设备各温度在线监测终端发送的温度数据, 最后将温度数据直接就地汇总显示, 并通过RS485串行接口将数据传输至变电站的监控后台, 实现对高压开关设备的智能在线监测和预警[1,2]。
2 硬件设计
2.1 温度在线监测终端
温度在线监测终端由温度传感器、信号转换及发射模块、电流互感器CT线圈三部分组成, 装设于断路器触臂上。如图2所示, 温度传感器贴附于靠近触头的触臂上, 将测得的触头温度通过高温导线传输给信号转换及发射模块;该模块将温度信号处理转换后, 以无线的方式发送给现场汇总通信终端;CT线圈通过电磁感应直接从一次回路取电, 为信号转换及发射模块提供工作电源。
温度在线监测终端各组成部分的设计实现:
(1) 温度传感器:考虑到触头接点处于恶劣的环境条件及温度在线监测终端的安装使用特点, 采用高精度、数字式温度计DS18B20, 其测量范围为-55~125℃, 精度±0.5℃, 具有简单、可靠、体积小等优点, 特别适合开关设备高温季节满负荷运行条件下的稳定运行。
(2) 信号转换及发射模块:主要由单片机MC9S08QG8、专用无线收发芯片MC13202、印制在电路板上的天线以及外围电路组成。MC9S08QG8将温度数据处理转换后, 通过SPI接口传输给MC13202, MC13202将待发送的数据连同温度在线监测终端的地址码等封装成数据包, 经过调制后, 由天线发射出去, 有效地实现高、低压隔离。
(3) CT线圈:供电电源是该类装置的关键技术之一, 必须具有绝热、绝缘及较好的稳定性。解决方案是由CT线圈感应供电。当通过触臂的一次电流达到5 A以上, CT线圈中感应电流通过电源转换器, 为该模块提供了足以正常工作的能量。在设计上, CT线圈采取了整流滤波和一系列保护措施, 使它满足一次电流从40~4 000 A范围变化的条件下可靠工作, 且能承受一次回路高达100 k A的短路冲击电流。
2.2 现场汇总通信终端
现场汇总通信终端由无线接收模块、信息处理模块、温度显示模块、输出接口模块 (含RS485接口和报警输出) 四部分组成, 装设于开关柜的控制面板上。如图3所示, 无线接收模块接收开关设备各温度在线监测终端发送的温度数据, 经信息处理模块解调、处理后, 由温度显示模块就地汇总显示, 并可通过RS485接口将数据远传至监控后台。当温度升至设定上限时, 现场汇总通信终端驱动外接蜂鸣器报警, 并可启动开关设备强迫风冷装置降温。
现场汇总通信终端各组成部分的设计实现:
(1) 无线接收模块:该部分与温度在线监测终端的信号转换及发射模块硬件结构相同, 功能上则接收相应温度在线监测终端发出的数据包, 获取温度数据和地址码, 两个模块的地址码是一一对应的, 用以区分不同的数据包。
(2) 信息处理模块:为确保无线测温装置实时监测和快速准确的性能, 该模块主要由专用、高速ARM微处理器芯片LPC2114及其外围电路组成。该模块除了快速处理并汇总接温度数据, 用于显示输出外;还可以接收用户的按键信息, 设置自身及与其通信的温度在线监测终端的地址、报警温度限值等;此外还可以驱动控制输出接口模块。
(3) 温度显示模块:主要由LCD液晶显示器及其外围电路组成, 在LPC2114的驱动下, 实时滚动显示开关设备各测温点的温度数据。由于高压断路器有A、B、C三相上、下六个触头, 共有六路温度数据循环显示, 方便工作人员就地查看。
(4) 输出接口模块:含R S485接口和报警输出接口等, 当监测数据需要远传时, 经LPC2114处理汇总后的数据, 将通过RS485接口以串行通信的方式传输到监控后台, 实现温度数据的远程在线监测、分析、存储及预警等;当温度数据超过设定的报警限值时, 信息处理模块将驱动报警输出常开接点闭合, 触发蜂鸣器报警, 并可启动开关设备强迫风冷装置。
3 软件设计
由于整个装置由两个终端构成, 所以软件程序的设计也分为一个汇总显示主程序和两个子程序:无线接收模块子程序和采集发射模块子程序。
3.1 汇总显示主程序
汇总显示主程序流程如图4所示。
该程序主要实现通信地址及报警温度的按键设置, 监测数据的汇总、处理、显示及报警输出与数据远传等功能。
其中, 主程序初始化包括:LPC2114系统、时钟、IO口、串口、液晶屏等的初始化;LPC2114与无线接收模块通信, 向其传递采集发射模块的地址, 并令其上传接收到的温度数据;当收到温度数据后, 数据处理并判断是否有超温, 及时进行超温报警, 在液晶屏上显示实时数据, 并根据用户需要进行数据远传。
3.2 无线接收模块子程序
无线接收模块子程序流程如图5所示, 主要接收采集发射模块通过无线发射的温度数据, 并将温度数据上传给汇总显示主程序。
其中, 子程序初始化包括:MC9S08QG8、MC13202、串口等的初始化;程序接收汇总显示主程序传递的采集发射模块地址 (可通过按键设置, 一般有6个, 分别对应断路器A、B、C三相上、下六个触头上的温度在线监测终端) , 然后向这些模块发送数据请求, 并依次接收应答的温度数据, 最终上传给汇总显示主程序。
3.3 采集发射模块子程序
采集发射模块子程序流程如图6所示, 主要完成温度采集、数据转换和无线发射等功能。
程序的许多环节与无线接收模块子程序相似:程序初始化后, 定时采集温度数据, 将数据转换为采集发射模块地址加温度数值的形式, 然后等待现场汇总通信终端的无线接收模块发射的数据请求, 将采集到的数据发射出去。
4 结语
高压开关设备触头无线温度监测装置已装设在35 k V娄塔变1#、2#主变12 k V开关柜上试运行, 装置循环监测开关A、B、C三相上下触头温度, 测量范围-55~125℃, 精度±0.5℃。运行结果表明:
(1) 该装置安装、维护方便, 不降低开关设备原有的绝缘性能;
(2) 采用CT自感应供电, 完全避免了电池工作寿命短、遇高温易爆炸等危险;
(3) 装置的无线发射功率小于10 m W, 能够突破开关柜的金属屏蔽, 且不会对其它设备产生干扰;
(4) 现场汇总通信终端能够实时有效地监测触头温度, 对温度异常情况及时报警, 并可进行数据远传。
整套装置有效地实现了高压开关柜主要发热点的在线监测和预警, 为电网的安全可靠运行提供有力保障。
参考文献
[1]张新荣.基于单片机的多路无线温度监控系统设计[J].工业控制计算机, 2010, 23 (7) :95-97.
无线尿量监测装置 篇4
真空冷冻干燥技术很好地保持了农产品物料的营养、形态和品质,在农产品干燥加工领域得到广泛关注; 但由于耗时长、加工能耗大,致使加工成本高成为制约其发展的主要因素［1］。探索低能耗冻干加工工艺,需针对冻干过程进行在线实时监测冻干物料的含水率,目前对于冻干过程物料水分在线监测的方法主要有压力升高法、称重法、湿度传感器法及核磁共振法等［2］。Tang等人［3］基于动压温度法计算水分对事件的变化率,进而计算失水量; 但实验发现该方案对冻干箱的密封性有严格要求,而生产环境中漏率是一个不确定值。崔清亮等［4］利用称重法,设计了基于可重组虚拟仪器的冻干物料含水率在线监测系统; 但传感器受温度影响较大,测量精度和稳定性待解决。 Roy等人［5］使用Al2O3薄膜设计了湿度传感器,但该传感器无法消毒且价格昂贵。Hjalre等人［6］应用近红外成像技术分析了冻干果蔬的含水率,但该技术不能在线监测冻干过程。徐建国等人［7］利用核磁共振法实现了萝卜水分的在线分析,但作为实时监测需要更快的图像协议,难以应用于工业生产。
与以上监测方法相比,笔者研究的基于介电特性的含水率监测方法具有简单经济、无损伤、可重复性等优点［8］,但利用介电特性检测含水率应用于农产品冻干加工还较少。Cuibus等［9］以土豆为试材证明了可根据介电特性优化冻干过程。Grace等［10］在冻干试验中建立了基于含水率和温度计算介电常数的模型。 因此,本文尝试在特定温度下,基于果蔬相对介电常数检测其含水率。具体过程为: 运用电容法测定相对介电常数,在工作仓内实现传感器连续在线监测果蔬的相对介电常数; 设计无线传输接受介电信号装置, 并利用实验建立的相对介电常数与含水率之间的关系实现无线在线监测果蔬冻干过程含水率。
1材料与方法
1. 1系统的总体设计方案
基于介电法的果蔬冻干水分无线实时测量系统包括测量装置、上位机软件和收发器。测量装置包括电容传感器、温度传感器和Zig Bee终端节点,分别用于测量相对介电常数、监测冻干箱内温度、发送测量数据,如图1所示。上位机软件用于对数据实时处理、 显示、保存。收发器包括Zig Bee协调器节点和串口转USB电路,用于建立测量装置与上位机软件之间的通信,如图2所示。
1. 2测量装置
1. 2. 1电容传感器
电容法测量相对介电常数已被广泛使用,具有低成本、低能耗、适用于恶劣环境等优点。因此,本文采用该方法设计介电常数测量装置,装置包括电容探针、电容检测模块及AD转换模块。
1) 电容探针。电容法一般采用平板电容器,但平行板电容器不仅受磁场影响较大而且影响干燥速率。 本文设计了基于探针式电容器的介电常数测量装置, 探针采用直径1. 3mm、长11mm的铁钉,两铁钉之间的距离为10mm。探针模型如图3所示。
2) 电容检测模块。根据测量原理不同,电容检测电路设计方案主要有交流电桥法、差动脉宽调制法、 调频法、电荷法和运算放大器法。相比其他方案,电荷法具有更高的灵敏度、稳定性和分辨率,特别适用于动态测量。
差分式开关电容电路是电荷法的一种实现电路, 如图4所示。当S1闭合、S2断开时,C2充电,C1和Cf放电,运算放大器负输入端的电荷量等于C2储存电荷Q1= VIn·C2; 当S2闭合、S1断开时,C2放电,C1和Cf充电,运算放大器负输入端的电荷量等于C1和Cf储存电荷Q2= VIn·C1+ VO·Cf。利用电荷守恒定律得知Q1= Q2,得到输出电压为
上述电路中求得的公式假定开关和运算放大器为理想情况,但开关不可避免地存在延迟,造成输出电压有噪音。本文采用基于该电路设计的集成电容检测芯片MS3110进行电容检测,使用其集成了低通滤波电路消除高频开关产生的干扰。运算放大器总是存在缺陷,使其虚地效果不理想,输入端产生失调电压,造成输出电压中引入偏置电压。为增加电容测量的准确度,芯片集成了电压补偿电路。
差分式开关电容电路将电容的变化量转换为电压的变化量,后经过低通滤波电路与信号增益电路的处理,得到与电容变化量成正比的电压信号。MS3110的原理框图如图5所示。
芯片在集成了增益和补偿之后,电容- 电压转换公式为
其中,GAIN为内部可调增益,可配置为2或4,本系统配置为GAIN = 2V /V; V2P25为芯片参考电压,默认值为2. 25V,为保证芯片的精准测量,需要配置寄存器使得V2P25保持在2. 24 ~ 2. 26V; CS1T = CS1, CS2T = CS2 + CIN; VREF可配置为0. 5 /2. 25V,本系统配置为0. 5V。
果蔬冻干试验中,电容变化范围为0. 2 ~ 5p F,为满足量程需要的前提下提高精度,配置芯片寄存器使本系统检测范围为0 ~ 7p F。
3) AD转换。 MS3110的电容分辨率达到4a F / rt Hz,但只有配合高分辨率的AD转换芯片才能达到高精度测量。本文采用ADI公司的高精度、工业级A / D转换芯片AD7710,该芯片采用 Δ - Σ 技术实现24位无失码。冻干试验环境温度不稳定,但芯片的自校准模式能够有效消除温漂的影响,从而消除零点和满量程误差。
本文采用精密且微功率电压参考芯片REF194作为AD7710的基准电压输入端。REF194采用专用的温度漂移曲率校正电路、高稳定的激光微调和薄膜电阻等技术,实现极低温度系数和极高的精准度。
1. 2. 2温度传感器
在冻干初期阶段,冻干箱内温度不断升高,果蔬介电特性受温度影响较大。本文目的是在冻干箱温度达到稳定时,找到果蔬相对介电常数与其含水率之间的关系,因此测量装置包括温度传感器。
DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的一线式数字温度测量芯片,仅有一根数据线进行数据读写,温度变化功率也来源于数据总线。其总线本身可以向所挂接的DS18B20供电,本文提供了3. 3V的外部供电以保障芯片稳定工作; 温度传感器的测量范围为- 55 ~ + 125oC,固有的测温分辨率为0. 5oC,适用于冻干实验。
1. 2. 3 Zig Bee终端节点
为给冻干厂商提供更为方便、快捷的在线检测含水率方案,采用了具有自组网、低功耗、低成本、短延迟的Zig Bee技术。Chipcon公司应用于Zig Bee技术的片上系统CC2530是一款高性能单片机,结合该公司配套的集成开发环境IAR使得Zig Bee开发更加快捷。 CC2530集成了性能优良的Zig Bee收发器、增强型8051CPU、可编程闪存、8 - KB RAM和许多其他强大的功能。另外,CC2530具有完全集成的压控振荡器, 因此设计CC2530无线模块只需要天线、晶振等少量的外围电路元器件就能在2. 4GHZ的频段上工作。传感器模块的各元件的连接图如图6所示。
1. 3收发器和上位机软件
收发器从测量装置接收试验数据并通过串口转USB电路将数据上传到上位机。 收发器也采用CC2530,作为Zig Bee网络的协调器节点,硬件电路与终端节点相同。收发器采用串口转USB芯片CH340实现了CC2530与上位机通信,电路原理图如图7所示。上位机软件是基于面向对象开发软件VB6. 0开发。上位机软件通过对接收数据的反算,得到相应的电容值、相对介电常数和温度。软件实现实验数据的自动读取、处理、存储和显示。
1. 4性能评估实验
本系统在应用于冻干实验之前,需要评估其电容传感器测量精度。在室温下,3532 - 50型RCL测试仪( HIOKI,精度160n F) 和电容传感器分别测量8个大小不同的瓷片电容,测量结果用于评估电容传感器在室温下的精度; 但冻干实验是在高温下进行的,需要评估传感器在高温冻干箱内的测量精度。市面上的电容普遍温漂较高,无法应用于检验温度对传感器测量精度的影响。为此,使用铁板制作简易平板电容, 电容外形较大但温漂很小,适用于检测温度对传感器的影响。据文献介绍,多种果蔬冻干的最优温度在70℃ 左右。为此,将测量装置放到冻干箱内,在常温与70℃ 下对不同平板电容进行测量,评估系统在70℃ 的检测精度。
1. 5果蔬冻干实验
1. 5. 1实验材料
本实验使用太谷本地富士苹果和土豆作为实验材料。
1. 5. 2实验设备
所用到的仪器主要有: DW - 40L92型立式低温保存箱( 青岛海尔集团) ,JDG - 0. 2型真空冻干试验机( 兰州科近真空冻干技术有限公司) ,计算机( 联想集团,G470系列) ,冻干箱内在线称重天平( 山西农业大学自制) ,CP1502型电子天平( Ohaus Corporation,精度0. 01g) 。
1. 5. 3实验材料
不同温度下,为检测系统对不同果蔬的测量可行性,本文在60、70、80℃ 下分别对苹果和土豆进行冻干实验。
苹果或土豆切成20mm × 20mm × 10mm薄片,取10片为实验材料,任取一片插入探针内,另外9片均匀放到称重料盘中; 将传感器和料盘放入- 40℃ 冰箱中,冷冻12h,以保证苹果或土豆温度降至其共晶点以下; 开启冻干机冷阱并等待其温度降至- 40℃ ,将料盘和传感器放进冻干箱内; 设置真空度为40 ~ 45Pa, 达到真空度后开启加热板,初始温度设置为40℃ ,每隔10min增加10℃ ,直到加热板温度设为预定干燥温度; 每隔2min计算机自动记录一次称重料盘质量和探针电容值,并画质量和电容分别随时间变化曲线图。
2结果与讨论
2. 1性能评估实验
在室温下,RCL测试仪和电容传感器的测量结果如表1所示。其电容传感器的相对误差小于3% ,说明传感器具有较高精度,能够在室温下精准测量电容。
在室温和70℃ 下,传感器对平板电容的测量结果如表2所示。其相对误差小于0. 5% ,说明传感器具有较好的温度稳定性,装置能够在冻干实验过程中精准测量电容。
2. 2果蔬冻干实验
物料水分含量有两种表示方式: 一种称为湿基含水率 ωwater,其数值小于100% ; 另一种成为干基含水率 ωdry,其数值可以远大于100% 。计算公式分别为
其中,mwater为物料中水的质量,mdry为干物料的质量。
物料相对介电常数与含水量直接相关,因此本文使用干基含水率表示水分含量。
根据电容计算相对介电常数的公式为
其中,Cmeasure为探针插入果蔬时电容值,Cno － load为空载时传感器电容值。
苹果和土豆在不同温度的冻干试验中,相对介电常数随时间变化如图8所示。
实验中相对介电常数随温度上升而上升,苹果和土豆分别在50min和110min左右达到最大值,土豆到达峰值更慢是因为土豆比苹果细胞排列更紧密,造成加热更慢引起的; 在峰值之后,冻干箱内温度已经稳定,相对介电常数不受温度影响,随含水率下降而下降; 当果蔬干燥接近结束时,曲线都趋于平稳。对于同一果蔬,在干燥初期,温度越高相对介电常数上升越快、峰值越大; 干燥结束时,温度越高相对介电常数越大。
苹果和土豆在不同温度的冻干实验中,相对介电常数与含水率的关系分别如图9、图10所示。其中, 60、70、80℃ 是冻干试验的最终干燥温度。
在不同温度下,对苹果和土豆的相对介电常数与含水率之间进行了线性拟合,拟合方程和相关系数分别显示在各个图像中。拟合结果表明: 在各个温度下,苹果和土豆的相对介电常数与含水率之间都有极好的相关性,相关系数R2> 0. 93,可以利用本系统基于相对介电常数实现果蔬含水率的测量。
3结论
本文设计了基于Zig Bee协议的含水率在线检测系统,为评估该系统性能,进行了室温和高温的电容测量实验。另外,利用土豆和苹果的冻干实验检验基于相对介电常数检测含水率的方案可行性。
基于上述研究结果,结论如下:
1) 系统能够准确在线检测相对介电常数准确检测电容值,并且具有很好的温度稳定性。
2) 基于相对介电常数监测含水率的方案可行。 通过苹果和土豆的冻干实验说明,冷冻干燥过程中, 果蔬的相对介电常数与含水率之间有很好的线性相关。
无线尿量监测装置 篇5
1 直流输电方式
1.1 直流单极输电大地回流方式
这种方式的极线可采用架空线或电缆, 回流方式则利用大地, 此方式可大量降低输电线路的造价, 如图1-1所示。然而, 这种方式要求接地极长期流过直流输电的额定电流, 因此对接地极的材料、设置方式有较高的要求。
1.2 直流双极输电中性点两端接地方式
图1-2所示为整流与逆变侧中性点均通过接地极接入大地中的情况。这种方式可大大提高了直流输电的可靠性和可用率。但这种方式在正常运行时, 由于变压器参数、触发控制的角度等不完全堆成, 会在中性点上有一定的电流流过, 这一电流对附近中性点接地的变压器、地下铺设设备、通信等产生影响[10]。
2 监测装置总体设计
本文设计的直流输电接地极在线监测装置, 是针对接地极上流过的漏电流以及对应接地极极址附近的水井进行监测, 从而确定输电系统的工作状态, 并且通过对水井中的水深和水温来判定接地极接地导电的状态。如图2-1所示, 被监测的接地极漏电流、水深和水温, 经温度传感器、水深传感器和电流传感器通过引流导线, 进入监测装置, 经信号采集调理和测量后, 得到的数据发送至附近的监测基站, 通过无线通讯方式 (SMS) 上传至监控中心, 经过数据处理分析后得出输电系统和接地极的判断结果。监测装置由太阳能电源及其控制电路、数据存储单元、实时时钟电路、数据采集单元和无线通信模块等组成。
Fig2-1 The on-line monitor system of earth pole
图2-2所示为接地极在线监测装置结构图, 主要由太阳能电源模块、电源控制电路、无线通信电路、时钟电路、监控电路、调理与滤波电路、隔离转换电路和检测电路等主要单元构成。太阳能电源模块单元, 此单元包含太阳能板和蓄电池组, 主要完成装置的电源供给, 在日照充足时太阳能板负责实现对装置的供电和对蓄电池组的充电, 当日照弱或黑夜时, 由蓄电池组向装置供电。电源控制电路实现对蓄电池充电的管理, 以及对检测电路的电源启停管理。无线通信电路完成SMS短信内容的组织和编写, 利用GSM模块实现SMS短信的收发, 完成数据的无线传输。时钟电路实现装置内部的时间管理, 提供各项采集数据对应的时间信息。监控电路实现对主控芯片工作状态的监控, 当主控芯片工作故障时实现主控芯片自恢复功能。隔离转换电路, 实现被测信号与装置内部的隔离和AD转换。调理与滤波电路对所测信号进行滤波, 获取较准确的测量信号。
3 监测装置通信模块电路设计
文中GSM通信模块电路分为两部分, 一部分由高速单片机组成, 实现对短信息内容的编解码、向主控单元发送接收数据和指令的下发;另一部分是GSM无线通信模块, 选用的是西门子公司的TC35i模块, 通过此模块实现SMS的发送和接收。
系统电路原理图如图3-1所示。文中ATMEGA85
15L工作电压为3.3V, 因此在与TC35i模块通信时, 需要进行电平转换。其中U2B、Q4和R3构成的是3.3V到5V的电平转换。利用CMOS期间的宽电压输入, U2D实现5V到3.3V的电平转换。PD3与PD4引脚与主控单元中MSP430F149的串行通信引脚相连。
监测系统与控制中心之间通过通信模块, 以短消息信息的方式按照一定的通讯协议实现数据短信、命令短信、状态短信的交换, 实现了控制中心软件命令的下传和前台监测系统数据的上传以及短信状态的互传功能。短消息通信的方式也实现了对接地极电流状态的远程监控, 降低了系统的成本。蓄电池的储能作用对保证系统连续工作是很重要的。通过计算得出, 应选用额定电压为16V, 功率为10W的太阳能电池板。
4 软件设计
系统软件程序主要包括主控单元程序, 监控单元程序、时钟管理和通信模块程序四部分。主控单元完成接地极电流、水温水位的采集, 处理和传输;能通过通信模块定时发送日常数据信息, 当检测信号超出限值则立即发送报警信息;接收解析后的后台数据中心发送的短信命令信息、并实现相应的处理与应答。通信模块程序完成将主控单元发送的数据进行编码, 封装为短信格式程序;解析后台数据中心发送的命令信息并发送给主控单元。监控单元程序完成主控单元心跳信号的监测, 当主控单元运行异常时, 控制监测装置实现自恢复。程序采用汇编语言编写, 并采取一定措施确保数据的可靠性, 可实现系统的高效, 稳定运行。为了便于软件的维护采取了模块化的软件设计方法。系统整体软件结构如图4-1所示。
5 监测装置及结果分析
本文根据监测装置的测量要求, 依据实验室现有条件, 设计了监测装置的精度试验方法, 并进行了测试。通过对测量数据的误差进行分析, 对测量结果进行校准, 以满足对接地极电流进行在线监测的要求。水位水温测试利用一个直径为10cm, 高为2.5m的有机玻璃管模拟水井水位。
5.1 模拟双极运行方式
测试时, 保持传感器穿过的线圈匝数不变, 改变电流源输出电流的大小。在本测试实验中, 电源电流大小变化范围为0~2A, 线圈匝数为50, 模拟实际电流大小为0~100A, 玻璃管中水位为0.5~1.5m。实际电流与装置所测电流关系曲线图如图5-1所示。从图中可以看出, 在实际电流为0-40A时, 两者之间的偏差较小;当实际电流大于40A后, 两者之间的偏差越来越大, 但是在40-70A区间中, 实测电流成线性关系, 在70-100A区间中实测电流也呈线性关系, 但是两个区间的线性度不同。
水位实际值与测量值之间的关系曲线图如图5-2所示。从图中可以看出, 在水位为1m以下时, 实际值与测量值之间存在一个固定的偏差;当水位高于1m时, 测量值仍呈线性关系, 但是线性系数产生变化, 造成偏差增大。对于水温的测试从表中可以看出, 水温的测量保持不变, 与实际值之间存在一个固定的偏差。
5.2 模拟接大地回线方式
此项测试时, 电流大小变化范围为0~2A, 线圈匝数为150, 模拟实际电流大小为0~300A, 对应电流玻璃管中水位为1m。实际电流与装置所测电流关系曲线图如图5-3所示。从图中可以看出, 在实际电流为0-10A时, 两者之间的偏差较小;当实际电流大于100A后, 两者之间的偏差越来越大, 但是在100-210A区间中, 实测电流成线性关系, 在210-300A区间中实测电流也呈线性关系, 但是两个区间的线性度不同。
在此情况下未变化水位, 故水位维持在一个稳定值。而水温变为16℃, 与实测温度之间仍相差一个固定偏差。
从以上实验数据的关系曲线可以看出, 流过传感器的电流越大, 监测装置测量的数据偏差越大, 但是在一定区间内仍呈线性化关系。对此, 文中采用分段线性插值法对电流的测量结果进行校正。图5-4为对实验2中电流测量结果进行校正后与实际电流的对比关系图。可以看出, 在进行校正后两者的关系曲线基本重合, 减小了测量误差。
6 结论
在借鉴国内外在线监测技术的基础上, 确定了接地极在线监测装置的监测对象和取值范围, 在硬件电路原理和软件设计上进行了细致工作, 完成了在线监测装置的开发。根据实验室现有条件, 对监测装置进行了测试, 获取了一定的测试数据, 并对测量数据进行了分析和校正, 提高了监测装置的测量精度。结果表明:本文设计的接地极电流在线监测装置, 能够准确、有效的测量接地极电流和水温水位, 为综合判断直流输电系统的运行状态, 预防接地极关键设备的损坏提供了一种技术手段。
参考文献
[1]赵畹君主编.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社, 2004.
[2]舒印彪.国网:发展特高压电网, 促进电力资源优化配置[J].中国电力企业管理, 2005.
无线尿量监测装置 篇6
关键词：ATmega16单片机,n RF905,温度监测
0 引言
环境的温度检测在水泥, 通等行业有着重要意义, 传统的温度测量大多采用有线传输, 这种方式增加了项目成本和施工难度, 无线传输是通过空气来发送和接收数据, 不存在上述问题。本装置的温度监测方案是以ATmega16为核心, 将测量出的温度值通过n RF905发送, 显示端显示温度值。利用n RF905无线收发模块可以方便的组建温度监测网络, 实现多点温度的测量。
1 监测系统的硬件设计
(1) 系统的总体方案。监测系统主要包括六大模块:单片机控制模块, n RF905无线收发模块, 测温模块, 数据显示模块, 电源模块, 声光报警模块。如图1所示。
(2) 电源模块。本系统需要用到5V电压, 可以通过LM7805稳压得到, 如图2所示。对于发送端可以采用9V电池供电, 而接收端存在数据显示和声光报警模块, 可以采用9V的开关电源。
(3) 单片机控制模块。本系统采用的高性能, 低功耗的8位ATmega16单片机作为主控芯片, 具有512字节的EEPROM, 1K字节的SRAM。内含的16K字节的闪存程序存储器, 可重复擦写至少1000次。同时具有8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC。其次其具有睡眠模式, 空闲模式, 掉电模式和省电模式。
(4) n RF905无线收发模块。n RF905无线收发芯片是由挪威NORDIC公司推出的低于1GHZ的单片射频收发器, 工作电压为1.9~3.6V, 待机模式下电流仅为12.5μA。32脚的QFN封装, 可以工作于433/868/915MHZ三个ISM频段。采用高效的GPSK调制方式, , 更适合在复杂的工业现场工作。可直接与单片机的SPI接口连接使用, 编程十分方便。
(5) 测温模块。本装置的测温模块采用的是单总线技术的数字温度传感器DS18B20, 无需外加AD转换电路就可以将温度值转换成数字信号, 只需要一根线即可实现与单片机的双向通讯。其温度测量范围为-55℃~125℃, 测温的分辨率为0.0625℃。
2 监测系统的软件设计
(1) n RF905的数据发送和接受过程。当单片机读取到温度数据后, 通过SPI接口, 将数据传递给n RF905, 单片机置高TRX_CE和TX_EN引脚来激发n RF905的Shock Burst TM发送模式。当检测到AUTO_RETRUN引脚为高电平, n RF905将不断重发数据, 如果TRX_CE引脚变成低电平, 表明n RF905发送过程结束, 将自动进入空闲模式。单片机将TRX_CE引脚设为高电平, TX_EN引脚设为低电平, 保持650us后, n RF905进入Shock Burst TM接受模式, 如果CD引脚被置为高电平, 表明n RF905监测到了和接收频率相同的载波, 此后如果AM引脚也被置高, 表明接收到了有效地址。n RF905将自动移去字头、地址和CRC校验位, 然后把数据准备好引脚DR置高。单片机将TRX_CE引脚置为低电平, 然后读取接收到的温度值。最后将AM和DR引脚置为低电平, 以便n RF905进入Shock Burst TM接收模式。具体流程图如图2所示。
3 结束语
本装置用到了4个DS18B20, 首先将各个DS18B20编号, 然后放到一个25℃的恒温箱中, 然后用手按住第一个DS18B20, 几秒钟后, 第一个DS18B20的温度为32.5℃, 明显高于其他三个。并以此类推, 分别得到用手按的温度是32.8℃, 32.3℃和32.1℃。实际运行时, 监测端可准确的测量温度并将数据发送出去, 显示端可以正确的显示编号和温度值。在空旷区域有效距离可达200m, 在有墙壁阻碍的建筑物内, 有效距离为50m左右。
参考文献
[1]赵丽娟, 邵欣, 房世平.基于单片机的温度监控系统的设计与实现[J].机械制造, 2006 (01) .