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[摘 要]介绍一种高精度的无线水温差检测与采集系统，由测温节点、无线采集终端、STM32协调器和上位机软件构成。测温节点对微小水温差进行在线检测，并通过无线传输至采集终端，STM32协调器通过RS485总线采集所有终端的数据并上传至上位机。以CC1110无线MCU作为主控芯片，采用高穿透力的433M无线通信频道，结合AD7799与Pt1000的工作特性设计了比率双电桥温度采集电路，保证装置最大误差不高于0.02℃，为目前国内同系统中较高水平。
[关键词]高炉；STM32 协调器；高精度；水温差；
中图分类号：TP274.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）22-0357-02
1 高炉冷却水温差高精度无线检测系统的组成
整个无线测温系统由上位机、无线温度采集终端、测温节点、STM32协调器构成。上位机负责监控高炉冷却水温差及测温点状态信息；温度采集终端采集温度数据并通过RS485与协调器通讯；测温节点采集冷却水温数据并通过无线发送至采集终端；协调器的主要功能是采集所有终端的温度、电池电量等数据并在其自带的液晶触摸屏上进行显示。
2 无线测温节点
无线测溫节点负责对高炉水温差进行高精度检测，并通过无线发送至采集终端。无线测温节点和采集终端的无线收发模块均采用TI公司生产的SoC（System on Chip）无线芯片CC1110。测温节点硬件系统由电源、温度采样电路、AD转换器、无线收发、Pt1000等模块构成。
2.1 温度采样电路
高炉水温差变化范围小，属于微小温差，要求测温传感器的测温精度在0.1℃以上，铂电阻所具有的特性正好与高炉水温差检测的环境特点相适应。
铂电阻电阻温度特性为：
式中：Rt、R0分别为t℃和0℃時铂电阻电阻值（Ω）a，b，c均为常数。上面提到铂电阻具有很好线性度，式中b，c两个系数非常小，在检测温度区间较小时，b，c两个系数可看成是零。
由于Pt1000温度特性系数（TCR）大，便于对阻值信号进行采集，所以本文采用Pt1000作为高炉水温差的检测传感器。由于电桥电路不需要考虑在自发热和动态范围之间进行平衡的问题，加之电桥电路调零方便。所以本文考虑在普通电桥电路的基础上进行改进，形成了如图1所示的比率电桥电路。
Pt1000采用3线制，即Pt1000的一端引出一根引线，另一端引出两根引线，3根引线的导线电阻分别为r1、r2、r3，R1、Rref、R2均采用精密电阻。比率电桥电路与普通电桥电路的区别在于，比率电桥电路取Rref两端的电压作为AD转换器的参考电压。下面对比率电桥电路的输出和AD转换器的输出进行推导来说明比率电桥电路的优势。
式中I为流过Pt1000的电流，式（1）与式（2）相减可将消去。
正常情况下，Pt1000三根引线的导线长度一致，导线材质一样，令r=r1、r2、r3，Pt1000在0℃时的阻值为R0=1000 Ω，此时电桥处于平衡状态，由电桥平衡条件：R1=Rref，R2=R0，对上式进一步化简得：
由式可知，电桥的中的导线电阻项大部分已消去，只有分母中含有导线电阻r，由于Rref+R0远大于r，且又在分母中，所以比率电桥采用3线制Pt1000，几乎完全消除了导线电阻对测量结果的影响，AD转换器输出的AD值（ADOUT）与Pt1000阻值的关系如下。
比率电桥电路的输出和AD转换器的参考电压都是差分式的，正好与AD7799的接口一致。此外，AD7799具有24位的分辨率，内置差分输入放大器，输入滤波器。所以，选用AD7799作为AD转换器可大大简化电路的设计。
式中Rref、R2虽然采用了精密电阻，但任何电阻的阻值均随其工作环境的温度的变化而变化。所以将精密电阻R1、Rref、R2分别拆成阻值相等、温度系数正好相反的精密电阻，如图4所示，实际应用中可选用一个贴片电阻搭配一个直插式电阻，如Rref1为直插式电阻，Rref2为贴片式电阻，一般情况下直插式电阻与贴片式电阻的温度系数正好相反，两个阻值相加后的总阻值受环境温度变化的影响较小。此外为了减小Pt1000流过的电流，可在电源和接地端加入限流电阻Ri1、Ri2，很显然，限流电阻的加入只会影响Pt1000流过的电流，而不影响比率电桥输入输出关系的推导。最终带温漂补偿的比率电桥电路如图2所示。
由上述推导可知，比率电桥电路存在以下优点：
（1）最终输出与Pt1000阻值几乎成线性关系，由式（4）可知，我们最终采用的比率电桥电路得到的AD值与Pt1000阻值几乎完全成线性关系，对于器件的标定和处理器依据AD值进行温度的换算都有莫大的便利。
（2）受导线电阻影响小，由式（3）可知，我们比率电桥采用的3线制Pt1000，测量结果几乎完全不受导线电阻的影响。
（3）Pt1000自发热小，由图4可知，只要在AD7799的允许输入范围内，流过Pt1000的电流可以通过两个限流电阻进行调整，且对AD7799的最终输出不产生影响。
（4）温漂小，由式（5）可知，由于对比率电桥中的每个精密电阻进行的等阻值拆分，并且拆分后的两个电阻温度系数相反，使得两个阻值相加后的总阻值几乎不受环境温度变化的影响从而极大的避免的温漂。
3 无线数据采集终端
作为整个温度显示与收集部分，主控芯片为ST的STM32F103单片机芯片，其主要由温度采集电路模块、稳压电源管理模块、液晶显示模块以及无线收发模块构成。终端接收到节点发送的温度数据包，通过既定的通信协议拆包，取出对应的有效数据传送给STM32F103芯片，然后将节点装置检测的结果在液晶模块中显示，同时将数据包发送给STM32协调器。 4 STM32协调器
STM32协调器通过Rs485总线采集所有终端的温度数据，并通过以太网总线将采集到的所有温度数据上传至远程上位机。协调器硬件系统采用STM32开发板，该开发板主处理器采用STM32F407，配备液晶显示屏。协调器移植UCOSIII操作系统，可在很短时间内将高炉所有节点的温度数据采集完毕，并打包发送给远程上位机。通过协调器，现场施工人员和现场点检人员在高炉现场即可对所有节点的温度数据、电池电量、信号强度进行查看，方便了現场施工维护和对高炉温度差数据的例行检查。
5 上位机软件设计
上位机是基于远程服务器端的软件系统，上位机的设计主要是方便高炉巡检人员和相关领导、专家对高炉水温差及热负荷数据进行远程查看。上位机显示以下九个画面，分别是：实时曲线画面、直方图画面、水温差画面、网络通信画面、温度报警画面、采集终端画面、通讯接口画面、串口调试画面、总体介绍画面。通过上位机可以直观的看到数据采集的实时情况。部分监控画面如图4所示。
6 应用情况
无线水温差检测系统已在马钢3铁A炉进行了一年多的现场试运行。在高炉现场采集终端与測温节点距离约为30m，并且有桥架、护栏等障碍物的阻挡，测试效果良好，无线通信稳定，信号强度可达到-90分贝毫瓦，精度高，节点温度历史曲线走势平稳，无脉动，具有良好的工程应用前景。现场实物安装图如5。
参考文献
[1] 崔大福.高炉冷却水温在线检测中无线传感技术的研究与应用[A]. 全国冶金自动化信息网、《冶金自动化》杂志社.全国冶金自动化信息网2013年会论文集[C].全国冶金自动化信息网、《冶金自动化》杂志社，2013：4.
[2] 张雷.高炉冷却系统热负荷测量与在线监测系统的研究[D].西安电子科技大学， 2007.
[3] 李计川.基于CAN总线的高炉冷却水温差检测装置设计[D].内蒙古科技大学，2012.
[4] 张荣生，贾佳.高炉冷却水温差检测系统的研究[J].电子技术，2014， 05： 81-84.
[5] 刘琦.我国中型高炉生产技术中存在的问题及对策[J].炼铁，2008（06）：36-41.
[6] 方挺，欧阳强强，王怀，等.一种基于比率双电桥电路高精度高炉水温差检测电路[P].安徽：CN204608064U，2015-09-02.
[关键词]高炉；STM32 协调器；高精度；水温差；
中图分类号：TP274.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）22-0357-02
1 高炉冷却水温差高精度无线检测系统的组成
整个无线测温系统由上位机、无线温度采集终端、测温节点、STM32协调器构成。上位机负责监控高炉冷却水温差及测温点状态信息；温度采集终端采集温度数据并通过RS485与协调器通讯；测温节点采集冷却水温数据并通过无线发送至采集终端；协调器的主要功能是采集所有终端的温度、电池电量等数据并在其自带的液晶触摸屏上进行显示。
2 无线测温节点
无线测溫节点负责对高炉水温差进行高精度检测，并通过无线发送至采集终端。无线测温节点和采集终端的无线收发模块均采用TI公司生产的SoC（System on Chip）无线芯片CC1110。测温节点硬件系统由电源、温度采样电路、AD转换器、无线收发、Pt1000等模块构成。
2.1 温度采样电路
高炉水温差变化范围小，属于微小温差，要求测温传感器的测温精度在0.1℃以上，铂电阻所具有的特性正好与高炉水温差检测的环境特点相适应。
铂电阻电阻温度特性为：
式中：Rt、R0分别为t℃和0℃時铂电阻电阻值（Ω）a，b，c均为常数。上面提到铂电阻具有很好线性度，式中b，c两个系数非常小，在检测温度区间较小时，b，c两个系数可看成是零。
由于Pt1000温度特性系数（TCR）大，便于对阻值信号进行采集，所以本文采用Pt1000作为高炉水温差的检测传感器。由于电桥电路不需要考虑在自发热和动态范围之间进行平衡的问题，加之电桥电路调零方便。所以本文考虑在普通电桥电路的基础上进行改进，形成了如图1所示的比率电桥电路。
Pt1000采用3线制，即Pt1000的一端引出一根引线，另一端引出两根引线，3根引线的导线电阻分别为r1、r2、r3，R1、Rref、R2均采用精密电阻。比率电桥电路与普通电桥电路的区别在于，比率电桥电路取Rref两端的电压作为AD转换器的参考电压。下面对比率电桥电路的输出和AD转换器的输出进行推导来说明比率电桥电路的优势。
式中I为流过Pt1000的电流，式（1）与式（2）相减可将消去。
正常情况下，Pt1000三根引线的导线长度一致，导线材质一样，令r=r1、r2、r3，Pt1000在0℃时的阻值为R0=1000 Ω，此时电桥处于平衡状态，由电桥平衡条件：R1=Rref，R2=R0，对上式进一步化简得：
由式可知，电桥的中的导线电阻项大部分已消去，只有分母中含有导线电阻r，由于Rref+R0远大于r，且又在分母中，所以比率电桥采用3线制Pt1000，几乎完全消除了导线电阻对测量结果的影响，AD转换器输出的AD值（ADOUT）与Pt1000阻值的关系如下。
比率电桥电路的输出和AD转换器的参考电压都是差分式的，正好与AD7799的接口一致。此外，AD7799具有24位的分辨率，内置差分输入放大器，输入滤波器。所以，选用AD7799作为AD转换器可大大简化电路的设计。
式中Rref、R2虽然采用了精密电阻，但任何电阻的阻值均随其工作环境的温度的变化而变化。所以将精密电阻R1、Rref、R2分别拆成阻值相等、温度系数正好相反的精密电阻，如图4所示，实际应用中可选用一个贴片电阻搭配一个直插式电阻，如Rref1为直插式电阻，Rref2为贴片式电阻，一般情况下直插式电阻与贴片式电阻的温度系数正好相反，两个阻值相加后的总阻值受环境温度变化的影响较小。此外为了减小Pt1000流过的电流，可在电源和接地端加入限流电阻Ri1、Ri2，很显然，限流电阻的加入只会影响Pt1000流过的电流，而不影响比率电桥输入输出关系的推导。最终带温漂补偿的比率电桥电路如图2所示。
由上述推导可知，比率电桥电路存在以下优点：
（1）最终输出与Pt1000阻值几乎成线性关系，由式（4）可知，我们最终采用的比率电桥电路得到的AD值与Pt1000阻值几乎完全成线性关系，对于器件的标定和处理器依据AD值进行温度的换算都有莫大的便利。
（2）受导线电阻影响小，由式（3）可知，我们比率电桥采用的3线制Pt1000，测量结果几乎完全不受导线电阻的影响。
（3）Pt1000自发热小，由图4可知，只要在AD7799的允许输入范围内，流过Pt1000的电流可以通过两个限流电阻进行调整，且对AD7799的最终输出不产生影响。
（4）温漂小，由式（5）可知，由于对比率电桥中的每个精密电阻进行的等阻值拆分，并且拆分后的两个电阻温度系数相反，使得两个阻值相加后的总阻值几乎不受环境温度变化的影响从而极大的避免的温漂。
3 无线数据采集终端
作为整个温度显示与收集部分，主控芯片为ST的STM32F103单片机芯片，其主要由温度采集电路模块、稳压电源管理模块、液晶显示模块以及无线收发模块构成。终端接收到节点发送的温度数据包，通过既定的通信协议拆包，取出对应的有效数据传送给STM32F103芯片，然后将节点装置检测的结果在液晶模块中显示，同时将数据包发送给STM32协调器。 4 STM32协调器
STM32协调器通过Rs485总线采集所有终端的温度数据，并通过以太网总线将采集到的所有温度数据上传至远程上位机。协调器硬件系统采用STM32开发板，该开发板主处理器采用STM32F407，配备液晶显示屏。协调器移植UCOSIII操作系统，可在很短时间内将高炉所有节点的温度数据采集完毕，并打包发送给远程上位机。通过协调器，现场施工人员和现场点检人员在高炉现场即可对所有节点的温度数据、电池电量、信号强度进行查看，方便了現场施工维护和对高炉温度差数据的例行检查。
5 上位机软件设计
上位机是基于远程服务器端的软件系统，上位机的设计主要是方便高炉巡检人员和相关领导、专家对高炉水温差及热负荷数据进行远程查看。上位机显示以下九个画面，分别是：实时曲线画面、直方图画面、水温差画面、网络通信画面、温度报警画面、采集终端画面、通讯接口画面、串口调试画面、总体介绍画面。通过上位机可以直观的看到数据采集的实时情况。部分监控画面如图4所示。
6 应用情况
无线水温差检测系统已在马钢3铁A炉进行了一年多的现场试运行。在高炉现场采集终端与測温节点距离约为30m，并且有桥架、护栏等障碍物的阻挡，测试效果良好，无线通信稳定，信号强度可达到-90分贝毫瓦，精度高，节点温度历史曲线走势平稳，无脉动，具有良好的工程应用前景。现场实物安装图如5。
参考文献
[1] 崔大福.高炉冷却水温在线检测中无线传感技术的研究与应用[A]. 全国冶金自动化信息网、《冶金自动化》杂志社.全国冶金自动化信息网2013年会论文集[C].全国冶金自动化信息网、《冶金自动化》杂志社，2013：4.
[2] 张雷.高炉冷却系统热负荷测量与在线监测系统的研究[D].西安电子科技大学， 2007.
[3] 李计川.基于CAN总线的高炉冷却水温差检测装置设计[D].内蒙古科技大学，2012.
[4] 张荣生，贾佳.高炉冷却水温差检测系统的研究[J].电子技术，2014， 05： 81-84.
[5] 刘琦.我国中型高炉生产技术中存在的问题及对策[J].炼铁，2008（06）：36-41.
[6] 方挺，欧阳强强，王怀，等.一种基于比率双电桥电路高精度高炉水温差检测电路[P].安徽：CN204608064U，2015-09-02.