电路测温热电阻带DAC输出的多通道温度采集模块的设计

带DAC输出的多通道温度采集模块的设计

时间:2011年11月21日
在化工产业,机械加工,工业制造等领域经常要考虑到温度对测量或加工的影响,因此对温度的测量和控制就显得尤为重要。特别在一些环境恶劣、干扰较强的使用场合,温度采集装置 功率控制器电源恩智浦固态照明解决方案推进工业等踏上新台阶半导体芯片销售额2009年全球半导体市场销售额将下滑2.2%批评新闻线索邮箱Ramtron发布可替代SRAM的1兆位铁电存储器(FRAM)华为英国爱尔兰华为任命英国和爱尔兰企业副总裁深圳贸易壁垒生产基地深圳市近四成LED灯具被欧盟召回批评新闻线索邮箱Crystek推出采用SMD封装的5GHz VCO系统载波图形基于GUI的跳频OFDM系统仿真设计城市市民便民服务鲁炜:无线城市建设代表城市未来发展的潮流东芝电压闪存东芝300mm晶圆生产NAND闪存的新工厂——Fab4竣工

在化工产业,机械加工,工业制造等领域经常要考虑到温度对测量或加工的影响,因此对温度的测量和控制就显得尤为重要。特别在一些环境恶劣、干扰较强的使用场合,温度采集装置的稳定是实现测量与控制的首要环节。本文针对上述背景,设计了通用多通道检测模块。

1 系统结构和工作原理

模块采用单片机ATmega48为控制核心,多路恒流源测温电路通过电子开关CD4051与13位A/D转换器MCP3301相连,通过单片机控制3/8译码器74HC138进行通道选择;模块通过基于Modbus通信协议的RS 485接口与主机通信;并具有一路PWM转DAC电路。模块适用于与PLC等主机连接,各通道实时检测数据保存于各通道的保持寄存器中,当接收到主机读取命令时将数据发送。整体结构如图1所示。

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2 系统硬件电路设计


系统主要硬件部分控制电路MCU、温度测量电路、PWM转DAC电路、电源电路和RS 485通信电路。为了避免外连的通信电路影响内部测量电路,提高抗干扰性能,将通信接口电路通过光藕隔离,且工作电源具有两路隔离电源,本文采用开关电源,具有效率高、重量轻和体积小的特点,并可兼容交、直流24 V供电。本文在硬件部分主要介绍恒流源热电阻测温电路以及PWM输入的DAC电路。

2.1 热电阻温度测量电路


本模块的热电阻选用铂电阻Pt100作为温度传感器。在-50~+600℃中温范围内,与其他热敏元件相比,铂电阻温度传感器测量准确度高、测量范围大、稳定性好、抗干扰能力较强。


铂电阻测温电路主要有两种:桥式测温电路 和 恒流源式测温电路


桥式测温电路主要是利用调整电桥的电阻参数,抵消电桥两端的电压波动,以突出热电阻变化引起的电压,当采用三线制时可以消除引线误差,但存在非线性误差和电路相对复杂等问题。


恒流源式测温电路利用稳定电压给热电阻以恒定电路流,保证热电阻上的电压和其阻值变化成线性关系的。在保证基准电压源稳定的情况下,可以简化电路结构,另外根据热电阻和输出电压线性关系,更加有利于温度的计算和校正。恒流源式测温的基本应用电路如图2所示。

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图2中虚框部分即为恒流源电路。运放U1A将输入的基准电压VREF转换为恒流源,激励热电阻RT。热电阻两端电压,经过U1B运放组成的双端输入单端输出放大电路,将信号放大10倍,即输出期望的检测电压信号。该输出信号通过电子开关与A/D转换芯片相连。

电子开关的通路电阻较小,仅为几百欧姆,而A/D测量电路一般呈现高阻态,其带来的误差可以忽略。


检测精度和模数转换芯片(A/D)的分辨位数有很大关系,一般单片机内带的A/D位数分辨率较低(ATmega48内含10位A/D),不适合精确测量,而高分辨率的A/D芯片价格昂贵。本文兼顾了性能价格比,采用了外扩一片低成本的13位A/D芯片MCP3301。通过改进软硬件设计,实际测量结果证明可以保证误差不超过0.5%。


2.2 PWM转DAC电路


在电子和自动化技术的应用中,也经常需要提供模拟输出,如变送器和控制器类仪器,经常需要输出0~10 V,0~20 mA(或4~20 mA)的直流信号。高精度的数模转换器(DAC)芯片或集成了DAC的单片机价格昂贵。应用单片机的PWM输出,经过简单的变换电路实现DAC,可以大大降低电子设备的成本。


通过一个低通滤波器就可以把PWM调制的数模转换信号解调出来,实现从PWM到DAC的转换ATmega48具有16位定时器的PWM输出功能,实现的DAC电路输出精度基本满足一般的工业控制场合。另外在一些环境恶劣、干扰较强的场合,模拟输出容易受到干扰,本文通过使用恒流方式驱动电路来提高DAC电路的负载和抗干扰能力。具体原理图如图3所示。

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图3中单片机输出的PWM电压,经过基准电源VREF和开关管T1组成的整形电路进行整形,在A点的输出波形为理想的PWM波形,幅值由基准电源的准确度得到保证,再经过两级阻容滤波和一级跟随放大器,在B点得到直流分量,即MCU输出的调制PWM波在B点得到解调,实现了DAC功能。

可得:
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一般PWM转DAC电路到此已经完成,本文为了保证更高精度和电路更强的负载能力,模块使用了恒流输出的驱动电路。由于运放U2B的C点和D点电位相等。

可得:
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采用三极管T2提高输出驱动能力,负载RL的电流和流过电阻R9的电流相等

可得:
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由式(3)可以看出无论负载电阻RL的值如何改变,并不影响DAC输出的电流值,这样设计的好处是可以方便地更改输出电阻RL,保证了模拟输出量值的准确度,提高了负载能力。


3 系统软件设计

系统的软件主要由温度测量程序和Modbus通信中断程序组成。

测温程序主要负责温度采集,主要工作在于建立热电阻温度和电阻值的分度表,并判断每路检测结果是否出现温度是否异常,是则重新测量。正确的测量结果将保存于保持寄存器,等待上位机读取。温度测量程序流程图如图4所示。

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当模块接受到主机的读取命令时,则进入通信中断程序。Modbus协议是应用于工业控制上的一种通用通信协议。主要有两种通信模式:ASCII和RTU模式。由于在同样的波特率下,RTU比ASCII能够传送更多的数据,因此采用RTU模式来实现模块的MoSbus通信。它的消息帧格式主要有地址、功能码、数据、校验码构成。Modbus协议的通信中断程序流程图如5所示。

4 结语

本模块采用了AVR单片机为控制核心,采用外扩一片低成本的13位A/D芯片,通过电子开关切换实现多路测温电路。设计了一种PWM转DAC电路。基于Modbus通信协议,通过RS 485网路与主机通信。结构简单,准确度高,通用性好。实际使用中,在高温和强干扰环境下,模块仍能正常工作。

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