WIFI无线 络的车间工业参数管理系统

数据采集系统是现代化信息技术产物，己经广泛应用到各个生产性工业环境

中，数据是从传感器和其他测试设备等模拟和数字被测单元中自动采集数据，然

后送入数据库中对数据进行分析，减少用户很多工作量，提高员工的工作效率。

现在传统的数据采集系统都是采用有线传输方式来实现数据传输，它具有速度

快、可靠性高、工作稳定等优点，但是布线乱，检修难。由此，无线数据采集技

术的出现，正好解决这一问题。

无线数据采集器是指支持无线数据传输的数据采集器，包括两部分核心功

能：数据采集和无线数据传输的功能。其无线数据传输的 络通常为WIFI、

Zigbee、蓝牙、GPRS等；数据采集的内容通常为电阻信 ，0~5V的电压信 ，

4~20mA的电流信 ，脉冲信 等，这些信 主要分模拟信 和数字信 两大类。

数据采集与无线传输两大核心相结合，能够省去线缆的安装，具有安装快，维护

简便，扩容能力强等优点，可以广泛应用于自动化工厂，智能家居，电力电 等

场合。

更重要的是无线数据采集技术已成为新的发展趋势，可以解决以往传统数据

采集中存在的问题，提高系统的适用性。生产设备管理系统数据采集技术向着一

个更加微型化、 络化以及智能化的方向发展。

1.2国内外研究现状

上世纪80年代，西方发达国家就实现了有线 络连接终端数字传感器，完

成数据的实时、连续和完整的数据采集，减少了工作人员的工作量，同时数据的

传输速度快、可靠性高，但是布线繁琐，可移动性差，传输范围有限。近年来，

随着射频芯片和无线通信技术的发展，综合利用嵌入式系统和数字传感器技术形

成新一代无线数据采集系统，自动组 完成数据的数字化采集。无线 络远程采

集有单独构建的无线 和利用移动公司的GSM两种。利用GSM 络通信方式

是依托移动公司的GSM ，它的控制端必须有发短信或打电话功能，传输速度

相对较慢，实时性差。而利用构建的无线 ，相比较ＧＳ通信方式，在工厂车间

的局域 范围内，WIFI更合适。

在国外，美国NI是全球数据采集的领跑者，曾推出WIFI与以太 数据采集

设备（DAQ），可以将NI测试硬件（无线数据采集设备）和软件平台（LabView软件）扩展到无线远程监视应用，既不降低性能，又能减少提高灵活性、接线成

本，满足对环境和机器状态监测等应用的需要，以其用于USB、以太 或802.11WIFI的４通道通用测量设备NI9219为例，NI9219测量系统以24位分辨率和100S/s的速率测量４路通用通道，通过USB、以太 或802.11WIFI传输数据

至上位机，它能够测量传感器中的多种信 ，如应变计、电阻温度探测器（RTD）、

热电偶、测压元件和其他需要供电的传感器。由于通道接受单独选择，４条通道

可以分别进行不同类型的测量。测量范围随测量类型而异，包括±60V最大电压

范围和±25mA最大电流范围。在国内，深圳信立科技有限公司曾设计一款型

为XL60智能采集装置，是工业物联 的信 采集节点，能同时采集和输出模

拟量、开关量，有多种无线通讯方式和通信协议可供选择，它的特点主要有：智

能终端(手机、平板)配置参数；模块化设计，最多８个数量的AM、DM、CＭ

模块任意组合；AI带配电、隔离，16位AD转换；配有２路RS485和１路RS232

通讯接口，用于读取现场装置数据；支持全 通NB-IOT（4G）、LTE（4G）、GPRS无线通讯方式，支持MQTT、SOAP、ModbusRTU、XLAN-6-UDP等通信协议；

支持2.4GHz、433MHz无线通讯方式，支持ModbusRTU、XLAN-6-UDP等通信

协议；还支持GNSS（全球导航卫星系统）定位。随着无线技术的发展，未来的

无线数据采集系统将能实现更加复杂的功能，满足不同领域的多种需求。

1.3论文主要研究内容

从结构上看主要有三大部分：（１）下位机无线数据采集器的电路系统实现对工

业参数采集；（２）无线通讯部分，实现数据采集器与上位机之间数据的无线传

输；（３）上位机监测界面设计，实现对各类工业参数的管理功能。具体章节内

容如下：

第一章介绍课题的相关背景与意义，以及国内外研宄现状。

第二章为系统的方案，两个方案对比，选择自己所熟悉和擅长的，做出合理

的系统方案，实现多功能数据采集。

第三章是无线数据采集电路系统的设计与实现，主要内容包括：温度信 测

量模块，是以四线制PT100测温为例；压力信 测量模块，是对压力变送器和

差压变送器输出的数据进行采集；流量测量模块，则是对各类流量计输出的信

进行采集，其中孔板流量计是结合差压变送器使用；RS485通信接口模块，是对

测量仪表的通信接口连接，方便数据传输；无线模块，实现采集数据格式转换，

将测量信 输出的模拟量和数字量都转换成WIFI中数据传输的字符串格式。

第四章为系统的软件设计与实现，包括上位机和下位机的软件设计。下位机

的软件设计主要包括两部分，一是无线数据采集器单一的温湿度采集系统的程序

设计与实现，二是在单一温湿度采集系统实现功能的基础上扩展的功能，对温度、

压力、流量采集系统的程序设计与实现。这其中就包括各采集模块、数码管显示

模块、校正模块、外部中断按键模块和无线串口模块通过软件编程实现各部分功

能。上位机软件设计部分主要用LABVIEW实现用户实时监测和管理的功能，除

了用户注册登录功能，主要实现的两部分功能，一个是单一的温湿度监测界面，

包括数据当前值和曲线变化图，以及 警显示；另一个是温度、压力、流量监测

界面，还有单独的参数配置界面和历史数据浏览界面，实现更全面的参数管理功

能。

第五章为系统运行成果。包括对下位机硬件电路程序调试、无线 络连接及

配置，上位机用户监测界面程序成功运行等。

第六章对本论文进行总结，指出论文的特点，并为接下来的研宄指明方向。







第２章系统设计

2.1系统设计

本论文系统设计是运用基于ARM Cortex-Ｍ处理器的STM32系列32位

Hash微控制器和美国国家仪器公司（NI）开发的图形化编程语言LABVIEW实

现，WIFI无线模块是利用有人 络科技研制的USR-WIFI２32-Ｔ模块，实现数据

采集器与上位机之间的数据传输。数据采集器软件驱动程序是利用ARM公司开

发的MDK集成开发工具，它有完善的C/C++开发环境。同时可以直接利用

STM32官方固件库来完善项目程序。上位机LabView程序开发有强大的数据处

理能力，它是一个标准的数据采集和仪器控制软件，包含各种工具包和函数库，

能满足GPIO、RS485协议的硬件及数据采集器通讯的功能，还内置了便于运用

TCP/IP软件标准的库函数， 络连接简便，同时提供各种数据分析与处理的应

用模块，更适合无线数据采集系统的开发。

系统结构框图如图２-１所示。

图２-１系统结构框图

本系统中测量的测量物理对象主要包括温度、湿度、压力和流量，一种是用

传感器直接采集，另外一种是采用测量仪表，通过RS485通讯接口采集。数据

采集器实现车间单一温湿度信 采集和车间三大工业检测参数信 采集，通过信

调理电路将采集的数字量和模拟量输出信 传至单片机，WIFI无线 络模块

连接主芯片USART接口，将统一WIFI格式数据上传至上位机用户操作界面。

上位机监测软件设计主要包括：软件信 调理，如实现PT100测温的正比

例函数关系，热电偶温度补偿等功能；分析及控制，是指对监测模式的选择，测

量参数上下限值设置等；数据存储，是指利用Accsss数据库存储用户信息和采

集数据（数值和时间），实现数据库新建、插入、提取、删除等功能；交互界面，

是指通过人员操作实现所需求的测量要求设置，如测量传感器类型选择等。

下位机负责数据采集，无线 络布置，省去布线的繁琐，也节约成本，同时

在上位机进行数据处理，加快数据传输速度，提高数据的可靠性。实现低功耗、

高速率工业参数采集系统设计，以便于应用在工业控制、手持设备、远程监控等

各领域。

２.2无线通信方式

无线数据采集器与上位机之间的连接桥梁是无线 络通讯技术，随着无线

络技术的发展，各种无线通信技术应运而生，但是每个都有自己的优缺点，针对

不同类别进行分析如表２-１所示。



表２-１各种无线通信技术性能指标

类别	WIFI	蓝牙	Zigbee	Z-Wave	EnOcean
无线标准	IEEE802.11	XEEE802.15.1	IEEE802.15.4	私有协议	ISO/IEC14543-3-10
工作频率	2.4GHz	2.4GHz	2.4GHz 868MHz915MHz	868MHz 915MHz	868MHz 902MHz 925MHz 315MHz
无电池及维护	电源	充电电池，几天	电池，n月-n年	电池，n月-n年	能量采集
最大传输速率	11-54Mbps	1Mbps	250kbps	9.6/40kbps	125kbps
传输距离	50m	<10m	10~75m	室内30m，室外100m	室内30m，室外300m
功耗	低	中	低	低	超低
互相干扰	较低	较低	中等	低	极低
应用领域	无线局域	手机耳机	电器远程遥控、医疗设备控制	高端私人住宅	楼宇自动化，工业控制

由上表可得，适合工厂车间远距离传输的有WIFI、Zigbee和EnOCean，除

此之外还有GPRS通信技术。这几个相比较：Zigbee 络功耗较低，且集成度

和可靠性高，应用于大量节点的数据传输领域，但是若由Zigbee 络自动组成

络， 络中需要一个类似于路由器的集中节点来管理整个 络，这样会增加成

本，且安装复杂，不能被我们的手机直接连接，必须要转接；EnOCean超低功耗

无线通讯，能实现无数据线、无电源线、无电池的通讯系统，但是成本过高，未

来的市场发展空间会很大；GPRS是一种以GSM为基础的数据传输技术，需要

SIM卡，传输速率能提升至56到114Kbps，虽然是远距离无线数据传输的首选，

传输速度相对较快，能够无需 桥直接接入互联 ，而且能够与手机进行通信，

有效距离长，无线电波的覆盖范围广。

２．３本章小结

本章主要介绍：一是利用熟悉的编程工具对车间工业参数的管理系统进行设

计，实现对系统数据采集、处理、显示、存储和历史数据浏览等；二是选择WIFI

作为无线采集器的通信方式，与其他无线通信方式相比较，WIFI无线通信技术

能加快数据的传输速度，还能利用手机实现 络连接与参数配置等，方便快捷。

第３章无线数据采集系统硬件设计与实现

的多功能采集和无线 络传输等功能，考虑到价格、功耗以及稳定性等因素，选

择了48引脚的STM32F103C8T6作为本系统的中央控制器的处理器。它是基于

Cortex-M3内核的ARM处理器，具有高性能、低成本、低功耗等的优点，工业

现场中主要监测温度、压力、流量三大检测参数，它们存在的输入信 类型有电

阻、电流、电压、脉冲等，还有RS485数字通讯接口传输的信 ，系统输出信

类型为WIFI通信数据。由此，本论文设计的无线数据采集电路系统除了实现

基本的温湿度监测以外，还要实现的功能有：有温度测量、压力测量、流量测量

对应的补偿电路和调理电路，以及设备RS485通信接口的连接电路；有按键模

块、数码管显示模块电路，实现相关参数配置和数据显示等功能；利用WIFI无

线模块实现下位机与上位机的实时数据传输功能。无线数据采集器硬件电路框图

如图３-１所示。

图３-１无线数据采集器硬件电路框图

硬件电路设计主要有单片机主控模块、电源模块、数据采集和处理模块、数

码管显示模块、按键模块和无线模块等。其中单片机模块是控制的核心，对周围

的器件进行控制，可以单独对温湿度传感器采集的数据进行数据校正处理和去除

偏差大的采样值处理；控制数码管显示电路，通过设置连接到单片机芯片上的数

据线SDA、时钟信 线CLK和使能端信 线CS1的高低电平，控制数码管对数

据的显示操作；通过控制按键模块进入数据线性校正和参数配置部分，在

AT24C02上写数据擦除数据的操作也是通过连接到单片机的串行总线控制的；１

对于无线模块，则是通过串口１进行数据传送，nReload和nReset端进行重新加载数据和复位操作。无线数据采集器测量信 主要有电阻信 、电流信 、电压信 、脉冲信 ，以及来自设备RS485通信接口传输的模拟量或是数字量。对

此设计的数据处理电路框图如图３-２所示。



图３-２无线数据采集器数据处理电路框图

利用PT100进行测温时，输出的是电阻信 ，需要将其接入0.5mA的恒流

源电路中，将电阻转换成电压值（毫伏级），再通过运算放大器进行放大，进入

微处理器处理；Ｋ型热电偶测温，需要考虑温度补偿，本系统中使用桥臂电阻和

计算机修正相结合的方式实现冷端温度补偿，其次热电偶测温输出的电压值最大

是毫伏级，需要接入放大电路处理；对于变送器之类测量的信 常见４~20mA或1~5V标准输入输出，需要进行电压转换，利用电阻分压、减法器和电压跟随器，实现测得电压在0~3.3Ｖ之间；脉冲频率测量是利用光耦合器，电压值大于０时导通，输出正常波形；小于零时不导通，值为０。还有设备进行数据传输时利用RS485接口通信，连接驱动电路，输出接入单片机的串口中。

3.1温度信 测量

测温的传感器有热电偶传感器、热电阻传感器、热敏电阻传感器、集成温度

传感器和数字温度传感器。对于工业现场温度的测量主要运用热电偶和热电阻，

还有温度变送器，其他的温度传感器相对而言测温范围太窄，不适合工业现场测

量。比如热电偶传感器一般用于500℃以上的高温测量，长期使用温度上限可达

1300℃，短期可达1600℃，特殊材料制作的热电偶测温范围在2000℃~3000℃

（钨铼系热电偶），但是需要进行冷端补偿。热电阻温度传感器的正常测温范围

为-200℃~850℃，优点就是测量精度高，无需冷端温度补偿，适合500℃以下的

低温测量。而热敏电阻测温范围在-100~300℃之间，一般适用于彩电消磁、各

种电器设备的过热保护，以及用作温度开关等；集成温度传感器测温范围一般在

-55~150℃之间，并不适合工业现场要求的大的测温范围。

3.1.1热电偶

工业用热电偶测温伩表是将温度信 直接转换成毫伏级电压信 ，需要接入

无线数据采集器的信 放大模块，将电压值放大到

3.3Ｖ后才能进入相应采集模

块，不需要供电电源。目前国际上公认的、已经标准化的热电偶型 有Ｓ、Ｒ、

Ｂ、Ｋ、Ｎ、Ｅ、Ｊ、Ｔ，具体特性如表１所示。

表３-１热电偶的分类及其测温范围的不同

￣

热电偶类型	热电偶分度	热电偶测温范围

根据温度测量范围及精度，选用相应分度 的热电偶，Ｋ型热电偶通常使用

范围在500~1300℃，Ｎ型热电偶在低温-200~400℃下，非线性误差较大，Ｊ型热电偶通常适用范围在０~750℃，Ｔ型热电偶通常在-200~０℃下，使用的稳定性更好。

热电偶传感器测温是利用的热电效应，直接测量的温度，将温度信 转换成

热电动势信 ，再通过无线数据采集器将数据上传至上位机中热电偶测温的计算

公式或查表得到温度值。实际环境中，利用热电偶分度表来确定热电动势与温度

之间的关系。正常工作环境下，参考端的温度不为0℃，而热电偶分度表中的热

电势与温度值一一对应的前提是参考端温度为0℃，因此就需要对热电偶进行冷

端补偿，常采用的方法有冰水保温瓶方式（适用于科学实验室中）、计算修正法、

冷端自动补偿方式。冰水保温瓶方式一般用于科学实验室中，现场一般使用电加

热式恒温箱；计算修正法是严格根据中间温度定律进行补偿计算，适用于实验室

中，现场一般使用计算机软件；冷端自动补偿方式是利用不平衡电桥产生不平衡

电压作为补偿信 。本系统中使用冷端补偿电路和计算机修正法实现热电偶温度

补偿，具体方法如下：

（１）采用冷端补偿。冷端自动补偿电路图如下图３-３所示，桥臂电阻札由

电阻温度系数极大的铜丝制成，且选择正温度系数类型的电阻R1、R2、R3为

阻值相等的桥臂平衡电阻。

图３-３热电偶冷端自动补偿电路图

由回路电压定律可得：

ＥＡＢ（Ｔ，T0）＋Ｕcb-Ｕ。＝０（３-１）

随着参考端T0温度的增加，ＥＡＢ（Ｔ，T0）值减小，冷端补偿值增加，最终使U0不随T0的变化而变化，而是关于测量端T的单值函数。

（２）采用计算修正法。首先硬件电路中将热电偶的输出的测量端数值T通

过电压变换和模数转换得到的采样值D1传至微处理器，再使用热电阻测量参考

端温度T0，经过欧姆一电压变换和模数转换得到的采样值传至微处理器，再

利用中间温度定得出，示意图如图３-４所示。

图３-４热电偶中间测温原理图

由上图可得计算公式如下：

ＥＡＢ（Ｔ，0）=ＥＡＢ（Ｔ，T0）＋ＥＡＢ（Ｔ0，0）（３—２）

采样值获得的热电偶产生的热电动势ＥＡＢ（Ｔ，0），采样值D２获得冷端温度T0然后计算出ＥＡＢ（Ｔ，0），再查看计算机中储存的热电偶分度表，便可得到测量端的温度值T0。

热电偶测温输出的电压信 常见的是毫伏级电压值，易受干扰，需要桥臂电

阻进行冷端自动补偿之后，接入放大电路进行放大，再进行数据采集，或者直接通过变送器输出电流信 进行采集，再通过软件设计实现温度补偿。

3.1.2热电阻

热电阻温度传感器是将热电阻的阻值变化通过测量电桥转换成电压（毫伏

级）信 ，送入仪表并显示测量温度。热电阻传感器内部三种接线方式有两线制、

三线制和四线制。两线制的线路电阻对测量影响大，用于测温精度不高的场合；

三线制需要利用补偿法来减小线路电阻和接触电阻引起的测量误差；四线制则可

以完全消除引线电阻对测量电阻的影响，用于高精度的温度检测，本系统中利用

四线制PT100测温。

工业中常用的金属测温的热电阻有铂热电阻和铜热电阻，铂热电阻具有稳定

性好、准确度高、性能可靠、测温范围宽等优点，但是需要用保护套管把电阻体

与有害气体隔离；而铜热电阻具有价格便宜，电阻值与温度几乎是线性关系的优

点，但是容易氧化，电阻率小，体积偏大。热电阻一般用于精度要求不高、低温

及没有腐蚀的介质中广泛应用在工业上和实验室中。具体技术性能如下表３-２所示。

表３-２常见热电阻的技术性能



由表中可得，铜电阻测温范围小，而铂电阻测温范围相对比较宽，系统中利

用四线制PT100进行测温，并进行相关计算。铂热电阻的温度特性公式表示如

下：

在-200~０℃之间，有

在０~850℃之间，有

以上两式中：Rt—t℃时的电阻值；

R0——0℃时的电阻值；

A、B、C——常数，对于工业用的铂电阻，A=３.9083Ｘ10-３℃-１，

B＝-５.775Ｘ10–７℃-２，C=-４.183Ｘ10-１２℃-４。

接入恒流源电流，转换为电压值，在经过差分运放等调理电路输出需要采集的电

压值，接入AD采集通道进行数据传输。恒流源电路是由LM385-1.2（微功耗低

压基准二极管）、S9012（低电压、大电流、小信 的PNP型硅三极管）和一个

运放外加限流电阻（ＲＷ１）构成，PT100允许通过的电流范围是0.3~１mA，本设计为四线制PT100提供约为0.5mA的恒定电流。ＬM385Ａ是微功率二端带隙稳压二极管，运行电流范围是10μＡ到20mA，它具有非常低的动态阻抗（１Ω）良好的温度稳定性。

运算放大器采用德州仪器公司制造的TCL2252Ａ双路运算放大器，比现有

的CMOS运放有更好的输入失调电压和更低的功耗，以及更宽的共模输入电压。

TCL2251Ａ呈现高输入阻抗和低噪声，能很好适用于如电压的小信 输入的高阻

抗源中。具体测量电路图如下图３-５所示。

图３-５四线制PT100测温电路图

电路图中温度传感器PT100为四线制接线方式，r1、r2、r3、r4为PT100的

四个引线电阻，Ｕ3A、Ｕ4A组成电压跟随器，Ｕ6A组成减法器，其中￥＝电

压放大倍数分别为＃，引线电阻ｒｌ不在放大器输入端之内，压降Ｕｒｌ不输入运尺７

算放大器中，引线电阻ｒ４上的压降在经过电压跟随器和减法器之后，消除对输

出电压的影响，r2、r3分别位于Ｕ３Ａ、Ｕ４Ａ的同相输入端，该回路被认为没有电流，r2、r3上就没有压降，就不产生输出电压，从而消除引线误差的影响。

最终电阻信 转变为电压信 ，输出送到CPU管脚PBＯ上进行AD模数转换，

然后利用软件发送至串口。由此输出电压值计算公式为：

根据公式３-８进一步得到温度计算公式为：

（３-６）

式中：Ｔ测量温度值，℃；

ＲＰＴ——PT100的电阻值，Ω；

Ｕ0——AD采集的电压值，Ｖ。

3.1.3温度变送器

本论文设计的无线数据采集器适用于两线制的温度变送器，它是以热电偶和

热电阻为基本测温元件，然后将其输出信 送到变送器模块中处理，转换成标准

电信 输出（4~20mA电流信 或１~5V电压信 ）或能够以RS485通讯协议方式输出的设备，两线制一般是４~20mA的输出信 类型，利用电阻分压转换成１~5V，再经过减法器、电阻分压和电压跟随器转换成０~3.3Ｖ，另一端接电源正端即可：若是１-5V电压信 输出，则直接同样方法转换成０~3.3Ｖ。具体转换电路如图３-６所示。

图３-６４~20mA至０~3.3Ｖ转换电路图

3.1.4集成温度传感器

集成温度传感器自带信 调理或校准电路，可测量温度模拟量和数字量，具

有高精度、高可靠性的优点，但是就是测温范围比较小，常见的集成温度传感器

具体分类如下表３-３所示。



表３-３常用集成温度传感器的主要技术指标表

由上表可知，集成温度传感器测温范围比较小，相对于热电偶传感器和热电阻传

感器而言，它用在工业现场比较少，本系统中未做分析。

3.1.5数字温度传感器

数字集成温度传感器（也称智能温度传感器），它内部包括温度传感器、

Ａ/Ｄ转换器、存储器（或寄存器）以及接口电路，被测量值以数据的形式输出，

其测量误差小、分辨率高、抗干扰能力强、能远距离传输、带串行总线接口等。

数据采集器可以实现无线温湿度监测，就是利用广州奥松电子有限公司的

AM2302数字温湿度传感器进行温湿度采集，具有超快响应、抗干扰能力强、性

价比极高、超小体积、超低能耗、信 传输距离远（可达20米以上）等优点。

数据传输采用单总线传输协议，数据交换与控制均有数据线完成，微处理器与传

感器是主从结构，只有当主机呼叫时，传感器才会应答。单总线通信时序如图

３-７所示。

图３-７单总线通信时序图

一次传送４０位数据，高位先出，温湿度分辨率都是16Bit，高位在前，传感器串出的温湿度值都是实际温湿度值的十倍。每次2S的采样周期，每次读取的温湿度数值是上一次测量的结果，欲获取实时数据，需要连续读取两次，实际程序设计中累计5s读取一次传感器数据，多次读取并间隔大于２ｓ可以获得更加准确的数据。

AM2302利用的单总线数据传输，DATA（SDA）接上拉电阻后与微处理器

的I/O端口PB6相连，SCK与PB７相连，测温原理图如图３-８所示。

图３-８AM2302测温原理图

3.2压力信 测量

压力仪信 测量主要采用电气式压力仪表，如压力传感器、压力变送器、差

压变送器等，具有小型化、精确度高、多点动态测量等优点，同时它输出的是电

量，便于直接信 远传，适合与计算机连接组成数据采集系统。除了电气式压力

仪表，其他类型的压力仪表一般都需要附加装置，如记录机构、电气变换装置、

控制元件等，才可以实现压力的记录、远传、自动控制等。本系统主要利用两线

制的压力变送器和差压变送器测量压力信 ，它们主要的输出信 类型是

４~20mA。

3.2.1压力变送器

压力变送器是将压力值转换成标准化输出信 的仪表，它的输出信 与压力

值之间呈一定的连续的函数关系。通常情况下，压力和电压或者电流大小是线性

函数关系，公式如下：

（３—７）

式中：ｐ——被测压力值，PA；

i–压力变送器输出电流值，4-20mA；

Ｉmin——标准电流信 输出范围（４~20mA）的下限值４mA；

Ｉmax——标准电流信 输出范围（４~20mA）的上限值20mA；

AP——该压力计测压的上下限之差，PA。

压力变送器输出信 分为电动和气动两大类，电动主要为０~10mA和

4~20mA（或0~5V）的直流电信 ；气动则是20~10０kPa的气体压九一般用于

就地测量。常见一般是电动压力变送器，它是以线制4~20mA的电流输出信 类

型为主，具有与抗干扰能力强、传输距离远等优点，安装时传感器与变送器应避

免电磁干扰。

有些压力传感器输出的信 是没有经过处理的，满量程输出一般只有几十毫

伏，就需要对其进行放大处理，与仪表量程的档位相适应，接入微处理器就可以

直接进行测量。单片机AD模数转换器转换范围是０至3.3Ｖ，压力变送器输出

电流范围在４~20mA之间，要转变为０~3.3Ｖ，首先将4~20mA利用分压电阻得

到1~5Ｖ，再利用减法器转变为０~4Ｖ，最后通过分组电压加一个跟随器即可。差压两侧输出值分别接入微处理器的PA７、PA６两侧进行AD模数转换，在通过软件进行差压计算传至微处理器串口端即可。由于变压器所测压力与电流呈一一对应关系，进而可以推出变压器相对应的压力值，具体电路图如图３-６所示。

３.2.2差压变送器

差压变送器是正压端与负压端之间的压力差，通过数据的转换、开方将测量

的压力值转换成４~20mA电流信 输出，若是低压端直接接大气压，则差压变送器可以当压力变送器使用。它有两个接口，测两个口之间的差压，而压力变送器则只有一个接口，测量表压或者绝对压力。差压变送器接线是分别接入CPU管脚Ｐ45和Ｐ46上，然后在软件程序中进行差压计算等处理。

3.3流量信 测量

常见流量计信 输出类型有脉冲信 输出和电流信 输出两类。脉冲信 输

出是三线制，三根线是“24Ｖ＋”（红色线）、“电源（白色线）、“脉冲”

（黄色线），分别接在DC24Ｖ正端与负端，以及二次表脉冲输入端。电流信

输出是两线制，一正一负，一端接DC24Ｖ正端，一端接二次仪表信 输入端。

流量测量仪表常用的通信接口是有RS485通信接口。

3.3.1孔板流量计

差压类节流装置流量传感器的测量原理是，当Ｉ处流体经过管道内的节流件

后局部收缩，II处流速增加，静压力降低，由此形成压差。压差大小主要与流量、

节流装置形式（如孔板、Ｖ形锥等）、管道内流体的密度和黏度等相关，原理图

如下图３-９所示。

图３-９节流差压式流量计测量原理图

若被测流体为不可压缩的理想流体，经过节流件时，不对外做功，本身也没

有任何变化，可以根据流体连续性方程和伯努利方程推出Ｉ-Ｉ和ＩＩ-ＩＩ处的压差，具体体积流量方程为：

（３-８）

式中：C一流出系数，实际应用中变化不大；

ε可膨胀性系数（测液体时ε＝１），实际应用中变化不大；

S0一一节流件开孔截面积（ｍ２）S0＝πＸｄ2/４；β=ｄ/D）为节流件直径比；

Ｄ管道直径（ｍｍ）；

ｄ节流件开孔直径（ｍｍ）；

Ｋ——流量装置的仪表系数；

ρ被测流体在Ｉ-Ｉ处的密度（ｋｇ/m3）；

AP——节流装置输出的差压（PA）。

差压类节流装置流量传感器以孔板流量计为例，孔板流量传感器是由差压变

送器和标准孔板等组合而成，ΔＰ主要用差压变送器来测量，差压变送器输出为

4~20mA，信 处理过程如图３-６所示，处理后的电压值在经过软件计算得到相

应的电流值，由公式３-８所得，流量计算中节流装置输出的差压需要开方计算，

压力值与电流是一一对应关系，由此差压变送器的电流输出也需要开方计算，流

量计与电流的关系公式如下：

（３-９）

式中：QV——当前被测流量值，M3/ｈ；

ＱＶｍｉｎ流量计量程下限值，M3/ｈ；

ＱVmax流量计量程上限值，M3/ｈ；

ｉ一一差压变送器当前输出电流值，mA；

Ｉmin一一标准电流信 输出范围（4~20mA）的下限值４mA；

Ｉmax标准电流信 输出范围（4~20mA）的上限值20mA；

3.3.2电磁流量计

电磁流量计只能用于测量导电液体体积流量，原理图如图３-10所示。

图３-10电磁流量计原理图

根据法拉利电磁感应定律，导电性液体垂直于磁场做切割磁力线运动时，在

其两端会产生感应电动势，公式如下：

Ｅ＝ＢＤｖ （３-10）

式中，Ｅ——感应电动势（Ｖ）；

Ｂ——磁感应强度（Ｔ）；

Ｄ——测量管内径（ｍ）；

ｖ平均流速（ｍ/ｓ）；

液体的体积流量为：

（３-１１）＇

由上式可知，在测量管内径和磁感应强度不变的情况下，液体流量与感应电

动势呈一一对应的线性关系，不受流体密度、黏度、温度、压力和电导率影响。

在正常情况下，电磁流量计输出电流信 为４~20mA或０~10mA，流量与电流输

出呈线性关系，公式如下：

（３-１２）

式中：ＱV当前被测流量值，M3/ｈ；

Ｑｖｍｉｎ流量计量程下限值，M3/ｈ；

Ｑｖmax流量计量程上限值，M3/ｈ；

ｉ一一差压变送器当前输出电流值，mA；

Ｉｍｉｎ电流信 输出范围的下限值，mA；

Ｉmax电流信 输出范围的上限值，mA；

3.3.3涡街流量计

涡街流量计（也称旋涡流量计），是在特定流动条件下，根据卡门涡街原理，

将流体动能转化为流体旋转、产生旋涡或震动，其频率与流量有确定的比例关系。

原理图如下图３-１１所示。

图３-１１涡街流量计原理图

卡门涡街稳定条件是指涡街两侧旋涡之间的距离h，单列两旋涡之间的距离

L，它两者之间需要满足如下式：

（３-１３）（３-１４）

在一定的雷诺尔数Ｒｅ范围内，稳定的卡门涡街及旋转脱落频率与流体流量

成正比，具体管道内体积流量为：

（３-１５）

式中：QV体积流量（M3/ｓ）；

f——旋涡的发生频率（Hz）；

Ｋ-流量计的仪表系数（脉冲数/M3）；

Ｄ-表体通经（ｍ）；

ｍ一旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比；

ｄ—旋涡发生体迎面宽度（ｍ）；

Ｓｒ-斯特劳哈尔数；

仪表系数在一定的雷诺数范围内，涡街流量计输出的脉冲频率信 ，仅与旋

涡发生体及管道的形状尺寸等有关。

流量检测量要的就是频率或者脉冲信 检测，常见的流量计大多是以三线制

为主，本论文中无线数据采集器就可以实现对三线制流量计的频率或脉冲信 采

集，输入为方波涡街流量信 ，输出送到CPU管脚上，利用其输入捕获模式进

行频率和周期的计算。电路图设计如图３-１２所示。

图３-１２频率/脉冲信 检测电路

３.４通信方案

采集智能仪表通常是采用通信接口采集仪表数据，采集器采集的数据上传是

采用WIFI与计算机通讯。本系统中主要利用的串行通信接口有RS485、I２C。工

业现场设备常见的通信接口就是RS485，RS232传输距离有限，实际距离也就

25米左右，数据的传输速率还低，最高波特率也就19200bps，而RS485实际传

输距离能达到3000米，而且数据最高传输速度能达到10Mbps。I２C通信接口是

用在温湿度传感器与临时存储器之间的数据传输过程。

3.4.1RS485通信接口

工业现场参数测量设备常采用RS485通信接口进行数字通讯信 的传输，

为了满足这一要求，设计该通信模块，采用MAX3485与RS485通信的低功耗收

发器，设备的数据通过RS485接口连接至采集器的某一串□，然后通过软件编

程传至WIFI模块，最终上传到上位机进行处理、显示和存储等。电路图设计如

图３-１３所不。

图３-１３RS485通信接口电路图

3.4.2 I２C通信接口

Ｉ２C通信接口主要用于温湿度采集过程中传送数据，它是两线式串行总线，

由串行数据线（SDA）和串行时钟（SCL）构成的串行总线，能接收和发送数据，

I2C总线数据传输的高速度在400Kbps以上，但是它需要有双向IO支持，而且要

是用上拉电阻，抗干扰能力较弱，如同AT24C02电路设计。STM32F103C8T6

自带Ｉ２C接口与AT24C02相连接，有二线串行接口进行双向数据传输，串行数

据线SDA连接单片机的PB８引脚，串行时钟线SCL连接单片机的PB９引脚。

在SDA引脚和SCL引脚各连接一个电阻，Ａ０~Ａ２地址线和GND地线都接地，

为了对AT24C02进行读/写操作，对ＷＰ引脚也接地。电源引脚经过一个电容再

接地即可，如下图３-１４所示。

图３-１４PC通信接口电路图

Ｉ２C总线则属于内部总线。它是一种双向的两线制串行总线，采用同步通信

的方式。具有通信速率高、接线少、操作简单的优点。Ｉ２C接口支持７位或10

位寻址，可以使用DMA操作并支持ＳＭBus总线2.0版或者ＰＭBus总线。I2C

总线的时序图包含开始、应答和停止三种类型信 。时序图见下图３-15所示。

图３-１５Ｉ２C总线通信时序图

当SCL为高电平时，SDA由高电平跳变到低电平，表示开始传送数据；当

SCL为高电平时，SDA由低电平跳变到高电平，表示结束传送数据；接收数据

的PC在接收到８Bit数据后，向发送数据的Ｉ２C发出特定的低电平脉冲，表示己接收到数据。CPU向受控单元发出一个信 ，等待受控单元发出应答信 ，CPU

接收到应答信 后，根据实际情况对是否继续传递信 做出判断。

3.4.3无线 络通信

无线 络通信框架如图３-16所示，每个无线数据采集器都自带一个WIFI无

线模块，模块作为TCP server，手机或电脑作为TCP Client连接到TCP server，

一段时间左右，TCP连接会断开，出现不稳定的现象，由此可以将WIFI模块连

接到无线路由器中统一管理，实现数据快速稳定上传。



图３-16 络通信框架

3.5本章小结

本章主要介绍数据采集器系统硬件设计与实现，单一的温湿度信 检测系统

中，是利用AM2302数字温湿度传感器实现的；而在三大检测信 系统中，测

量温度信 使用四线制PT100，测量电阻信 。测量压力信 是利用压力变送器

测一端压力值即可；测量流量信 利用涡街流量计实现，测量的脉冲信 频率。