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多通道溫度采集模塊設(shè)計(jì)

   2011年09月23日 10:19  
  在化工產(chǎn)業(yè),機(jī)械加工,工業(yè)制造等領(lǐng)域經(jīng)常要考慮到溫度對(duì)測(cè)量或加工的影響,因此對(duì)溫度的測(cè)量和控制就顯得尤為重要。特別在一些環(huán)境惡劣、干擾較強(qiáng)的使用場(chǎng)合,溫度采集裝置的穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制的首要環(huán)節(jié)。本文針對(duì)上述背景,設(shè)計(jì)了通用多通道檢測(cè)模塊。
  
  1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
  
  模塊采用單片機(jī)ATmega48為控制核心,多路恒流源測(cè)溫電路通過電子開關(guān)CD4051與13位A/D轉(zhuǎn)換器MCP3301相連,通過單片機(jī)控制3/8譯碼器74HC138進(jìn)行通道選擇;模塊通過基于Modbus通信協(xié)議的RS485接口與主機(jī)通信;并具有一路PWM轉(zhuǎn)DAC電路。模塊適用于與PLC等主機(jī)連接,各通道實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)保存于各通道的保持寄存器中,當(dāng)接收到主機(jī)讀取命令時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
  
  2、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
  
  系統(tǒng)主要硬件部分控制電路:MCU、溫度測(cè)量電路、PWM轉(zhuǎn)DAC電路、電源電路和RS485通信電路。為了避免外連的通信電路影響內(nèi)部測(cè)量電路,提高抗干擾性能,將通信接口電路通過光藕隔離,且工作電源具有兩路隔離電源,本文采用開關(guān)電源,具有效率高、重量輕和體積小的特點(diǎn),并可兼容交、直流24V供電。本文在硬件部分主要介紹恒流源熱電阻測(cè)溫電路以及PWM輸入的DAC電路。
  
  2.1熱電阻溫度測(cè)量電路
  
  本模塊的熱電阻選用鉑電阻Pt100作為溫度傳感器。在-50~+600℃中溫范圍內(nèi),與其他熱敏元件相比,鉑電阻溫度傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、穩(wěn)定性好、抗*力較強(qiáng)。
  
  鉑電阻測(cè)溫電路主要有兩種:橋式測(cè)溫電路和恒流源式測(cè)溫電路。
  
  橋式測(cè)溫電路主要是利用調(diào)整電橋的電阻參數(shù),抵消電橋兩端的電壓波動(dòng),以突出熱電阻變化引起的電壓,當(dāng)采用三線制時(shí)可以消除引線誤差,但存在非線性誤差和電路相對(duì)復(fù)雜等問題。
  
  恒流源式測(cè)溫電路利用穩(wěn)定電壓給熱電阻以恒定電路流,保證熱電阻上的電壓和其阻值變化成線性關(guān)系的。在保證基準(zhǔn)電壓源穩(wěn)定的情況下,可以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu),另外根據(jù)熱電阻和輸出電壓線性關(guān)系,更加有利于溫度的計(jì)算和校正。恒流源式測(cè)溫的基本應(yīng)用電路如圖2所示。
  
  圖2中虛框部分即為恒流源電路。運(yùn)放U1A將輸入的基準(zhǔn)電壓VREF轉(zhuǎn)換為恒流源,激勵(lì)熱電阻RT。熱電阻兩端電壓,經(jīng)過U1B運(yùn)放組成的雙端輸入單端輸出放大電路,將信號(hào)放大10倍,即輸出期望的檢測(cè)電壓信號(hào)。該輸出信號(hào)通過電子開關(guān)與A/D轉(zhuǎn)換芯片相連。
  
  電子開關(guān)的通路電阻較小,僅為幾百歐姆,而A/D測(cè)量電路一般呈現(xiàn)高阻態(tài),其帶來的誤差可以忽略。
  
  檢測(cè)精度和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(A/D)的分辨位數(shù)有很大關(guān)系,一般單片機(jī)內(nèi)帶的A/D位數(shù)分辨率較低(ATmega48內(nèi)含10位A/D),不適合測(cè)量,而高分辨率的A/D芯片價(jià)格昂貴。本文兼顧了性能價(jià)格比,采用了外擴(kuò)一片低成本的13位A/D芯片MCP3301。通過改進(jìn)軟硬件設(shè)計(jì),實(shí)際測(cè)量結(jié)果證明可以保證誤差不超過0.5%。
  
  2.2PWM轉(zhuǎn)DAC電路
  
  在電子和自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用中,也經(jīng)常需要提供模擬輸出,如變送器和控制器類儀器,經(jīng)常需要輸出0~10V,0~20mA(或4~20mA)的直流信號(hào)。高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)芯片或集成了DAC的單片機(jī)價(jià)格昂貴。應(yīng)用單片機(jī)的PWM輸出,經(jīng)過簡(jiǎn)單的變換電路實(shí)現(xiàn)DAC,可以大大降低電子設(shè)備的成本。
  
  通過一個(gè)低通濾波器就可以把PWM調(diào)制的數(shù)模轉(zhuǎn)換信號(hào)解調(diào)出來,實(shí)現(xiàn)從PWM到DAC的轉(zhuǎn)換ATmega48具有16位定時(shí)器的PWM輸出功能,實(shí)現(xiàn)的DAC電路輸出精度基本滿足一般的工業(yè)控制場(chǎng)合。另外在一些環(huán)境惡劣、干擾較強(qiáng)的場(chǎng)合,模擬輸出容易受到干擾,本文通過使用恒流方式驅(qū)動(dòng)電路來提高DAC電路的負(fù)載和抗*力。具體原理圖如圖3所示。
  
  圖3中單片機(jī)輸出的PWM電壓,經(jīng)過基準(zhǔn)電源VREF和開關(guān)管T1組成的整形電路進(jìn)行整形,在A點(diǎn)的輸出波形為理想的PWM波形,幅值由基準(zhǔn)電源的準(zhǔn)確度得到保證,再經(jīng)過兩級(jí)阻容濾波和一級(jí)跟隨放大器,在B點(diǎn)得到直流分量,即MCU輸出的調(diào)制PWM波在B點(diǎn)得到解調(diào),實(shí)現(xiàn)了DAC功能??傻茫?div style="text-align: center">  
  一般PWM轉(zhuǎn)DAC電路到此已經(jīng)完成,本文為了保證更高精度和電路更強(qiáng)的負(fù)載能力,模塊使用了恒流輸出的驅(qū)動(dòng)電路。由于運(yùn)放U2B的C點(diǎn)和D點(diǎn)電位相等,可得:
  
  采用三極管T2提高輸出驅(qū)動(dòng)能力,負(fù)載RL的電流和流過電阻R9的電流相等,可得:
  
  由式(3)可以看出無論負(fù)載電阻RL的值如何改變,并不影響DAC輸出的電流值,這樣設(shè)計(jì)的好處是可以方便地更改輸出電阻RL,保證了模擬輸出量值的準(zhǔn)確度,提高了負(fù)載能力。
  
  3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
  
  系統(tǒng)的軟件主要由溫度測(cè)量程序和Modbus通信中斷程序組成。
  
  測(cè)溫程序主要負(fù)責(zé)溫度采集,主要工作在于建立熱電阻溫度和電阻值的分度表,并判斷每路檢測(cè)結(jié)果是否出現(xiàn)溫度是否異常,是則重新測(cè)量。正確的測(cè)量結(jié)果將保存于保持寄存器,等待上位機(jī)讀取。溫度測(cè)量程序流程圖如圖4所示。
  
  當(dāng)模塊接受到主機(jī)的讀取命令時(shí),則進(jìn)入通信中斷程序。Modbus協(xié)議是應(yīng)用于工業(yè)控制上的一種通用通信協(xié)議。主要有兩種通信模式:ASCII和RTU模式。由于在同樣的波特率下,RTU比ASCII能夠傳送更多的數(shù)據(jù),因此采用RTU模式來實(shí)現(xiàn)模塊的MoSbus通信。它的消息幀格式主要有地址、功能碼、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼構(gòu)成。Modbus協(xié)議的通信中斷程序流程圖如5所示。
  
  4、結(jié)語(yǔ)
  
  本模塊采用了AVR單片機(jī)為控制核心,采用外擴(kuò)一片低成本的13位A/D芯片,通過電子開關(guān)切換實(shí)現(xiàn)多路測(cè)溫電路。設(shè)計(jì)了一種PWM轉(zhuǎn)DAC電路。基于Modbus通信協(xié)議,通過RS485網(wǎng)路與主機(jī)通信。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,準(zhǔn)確度高,通用性好。實(shí)際使用中,在高溫和強(qiáng)干擾環(huán)境下,模塊仍能正常工作。

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