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          压力变送器在物联网水压监测与远程控制中应用
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          压力变送器在物联网水压监测与远程控制中应用

          时间:2016-12-06

          【摘要】本文依托物联网平台,以Arduino uno单片机为控制核心,利用压力变送器把水压变换成(4~20ma)电流信号,经过电流电压转换电路变为(0~5V)电压,转换后的电压信号送入单片机模块,经过单片机内部程序处理后,通过W5100网络模块连接至物联网平台。在网络平台上与手机界面上显示压力数据曲线与压力值,拨动平台与手机界面上相应的开关即可实现远程控制。此外装置可绑定微博(或者微信),当压力异常时发送信息进行压力异常报警。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          1.引言pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                   传统的变频器恒压供水系统反映了局部官管网运行状态,但是,没有和物联网链接,无法把运行数据随时发布到物联网上,不适应物联网+时代,采用大数据分析时无法提供实时数据。本文在原有变频器恒压供水控制系统的基础上,依托物联网概念,通过物联网平台实现物与物之间的信息交互。通过电脑端,手机端实现信息的在线实时监控与反向控制。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          2.系统结构pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          基于物联网的水压监测与远程控制系统由以下模块组成:pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          1)传感器检测和电流电压转换电路模块;pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          2)Arduino uno单片机为运行控制器模块;pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          3)W5100网络通信模块;pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          4)Yeelight开放的物联网平台;pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          5)电脑或手机端检测与控制:pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          6)继电器控制电路模块;pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          7)原变频恒压供水模块;pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          8)程序流程图。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          3.主要模块及电路介绍pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          3.1 电流电压转换电路pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                   电流电压转换电路由传感器电路、电源电路、整形放大电路组成。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          3.1.1 传感器采用压力变送器pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                   使用24V直流电,它的内部有集成电路测量膜片,感受压力产生形变,经线性及温度补偿电路转换成4~20mA电流信号输出。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          3.1.2 电源电路、整形放大电路pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          电源电路、整形放大电路pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                   图1所示, 7660可进行倍压转换,即VOUT=2VIN.输入5V电压,8脚得到10V电压作为运算放大器LM324的电源电压。传感器输出的电流信号,经过电阻R3后转变为电压信号,经过运算放大器(电压跟随器)U2A后进行RC滤波,并且此环节R4,R5有消耗过电压能量,抑制震荡的作用,经过U2B后在U2C的输入端构成同相加法器,调节精密可调电阻RP1可根据输入信号调节输出电压范围(LM324 8脚调至0~5V)。送Arduino UNO R3单片机模拟输入端口A3,由单片机把模拟量转换成数字量。再发送至物联网平台以曲线形式显示。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          3.2 Arduino uno单片机为运行控制器模块pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                   Arduino UNO R3电路原理图如图2所示,处理器核心是ATmega 328,具有14路数字输入/输出口(其中6路可作为PWM输出),6路模拟输入,一个16MHz的晶体振荡器,一个USB口,一个电源插座,一个ICSP header和一个复位按钮。编程软件采用Arduino IDE。编程语言用C语言。应用模块以库文件存在于IDE编程软件中,使编程简单化;可实现图形化编程。与W5100连接可访问互联网。实现网络监测及控制。由电源自动选择电路、供电电路、单片机电路、USB接口电路组成,各电路功能介绍如图2所示。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          Arduino UNO R3电路原理图pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          3.2.1 Arduino供电电路pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                   供电模式1:外接9V电源经保护用二极管D1(反接时不烧毁),由NCP1117ST50T3G低压差正电压稳压器变成5V输出。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          3.2.2 电源自动选择电路pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                   供电模式2:选择USB口或用外接电源供电;pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

                   USB接头提供5V的电压,经自复式保险管(电流大于500mA的时候,该保险管会自动断开,电流恢复到允许的范围内后,保险管会自动恢复连接)提供5V电压。外接电源VIN经分压电阻分压后加到运放LM358的3脚;当输入电压大于7V时,3脚电压高于2脚电压(3.3V),1脚输出高电平;FDN340P PMOS管处于截至状态,从而切断了USB接口的供电。当外接电源输入电压VIN小于6V时,LM358的3脚电压低于2脚(3.3V), 1脚输出低电平。FDN340P管处于导通状态,由USB口供电。LP2985-33DBV是线性稳压器,负责把5V电源转变成3.3V电源,该器件能给Arduino UNO提供大约50mA的电流。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          3.2.3 USB接口部分pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          ATmega16U2是USB接口芯片,其特征包括:pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          1)8K/16K字节的Flash,支持自擦写功能。512字节EEPROM和512字节SRAM。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          2)内置Boot-Loader功能(Arduino Uno引导加载程序)。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          3)支持USB全速,包含4个USB输入输出端口。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          4)包含内置晶振。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          5)操作电压范围为2.7V到5.5V。2.7V时,#大工作频率是8MHz;4.5V时,#大工作频率是16MHz。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

                   Arduino UNO板上ATmega16U2将USB口转为串口,由8脚和9脚的M8RXD和M8TXD与主控芯片ATMEGA328P-AU的串口引脚2和3相连接。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          3.2.4 主控芯片部分pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                   主控芯片ATMEGA328P-AU的工作电压为5V,每个I/O脚的#大输出电流:40mA,Flash大小:32K字节,SRAM大小:2K字节,EEPROM大小:1K字节,时钟频率#大为16M。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          3.3 W5100网络通信模块pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                网络接口部分:pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                 W5100是一款多功能的单片网络接口芯片,内部集成有10/100以太网控制器,集成了全硬件的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层(MAC)和物理层(PHY)。W5100内部还集成有16KB存储器用于数据传输。使用W5100不需要考虑以太网的控制,只需要进行简单的端口(Socket)编程。W5100网络模块原理图如图4所示。该模块由电源电路(三端集成稳压芯片L1117T-3.3V把5V电压变成3.3V供W5100和RJ45使用)、W5100电路(负责单片机和物联网通讯)、晶振电路(产生25MHZ振荡频率)、网络接口RJ45(网线接口)组成。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          W5100网络模块原理图pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

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                  Arduino UNO板上W5100与主控芯片ATMEGA328P-AU通过SPI接口SS、MOSI、MISO和SCLK共四个引脚进行连接。SPI是由美国摩托罗拉公司#先推出的一种同步串行传输规范,也是一种单片机外设芯片串行扩展接口。  SPI模式可以允许同时同步发送和接收8位数据,并支持4种工作方式:pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                SPI工作方式简介:4个接口信号为:串行数据输入(MISO,主设备输入、从设备输出)、串行数据输出(MOSI,主设备输出、从设备输入)、移位时钟(SCK)、低电平有效的从设备使能信号(cs)。SPI#大的特点是由主设备时钟信号的出现与否来确定主/从设备间的通信。一旦检测到主设备的时钟信号,数据开始传输。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                  W5100通过网络变压器与RJ45网卡接口相连接,RJ45再和路由器相连接。所以,以W5100构成的网络模块与Arduino单片机组合,可以很轻松的与物联网平台进行对接。W5100连接单片机和网络接口框图如图3所示:pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          W5100连接单片机和网络接口框图pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          3.4 Yeelight开放的物联网平台pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                   在Yeelight物联网平台, 注册账号,创建设备及传感器。压力曲线及监测与远程控制如图5所示;绑定微博或微信作为压力异常报警接收端。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
          3.5 电脑或手机端检测与控制pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                   以手机端检测与控制为例,物联网平台有相应的手机端APP软 件(IOS和Android),手机端软件与电脑端功能相同。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                   (1)登录手机端Yeelink账号;(2)点击相应的开关实现远程控制;(3)点击压力变送器将打开图表显示压力曲线。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          3.6 继电器控制电路模块pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                   继电器控制电路有NPN型三极管、5V继电器、电阻、二极管组成,电阻为三极管基极的限流电阻,二极管为继电器线圈的保护二极管。触发方式为高电平出发,继电器常开触点连接在PLC输入端口上,PLC输出端口通过PID调节仪连接变频器IRF、ACM端口,变频器通过变频和切换工频/变频控制电机 转速,达到控制水压,并配合PLC切换三台电机实现恒压供水。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          3.7 原变频恒压供水模块pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                   原变频恒压供水模块已经具有:(1)低恒压值运行,保障生活用水,高恒压值运行,保障消防供水;(2)三台泵已经实现“先开先停接入/退出;(3)一台泵运行3小时,切换下一台泵;(4)对泵有手动控制功能;(5)有报警功能;(6)当压力稳定时维持;(7)压力不足时增泵;(8)压力超过设定时减泵。由于篇幅所限不再论述。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          压力曲线及监测与远程控制程序流程图pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          3.8 程序流程图pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                   程序流程图如图6所示。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

          4.小结pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
                   本文论述了“变频恒压供水+物联网”,实现了物联网水压监测和远程控制;并据此制作出“基于物联网的水压监测与远程控制系统”,有一定的创新点。为使用大数据分析官网运行状态成为可能,具有一定的应用推广价值。pxB压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

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