帶DAC輸出的多通道溫度采集模塊的設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)一種低成本高精度的通用模擬采集模塊。采用熱電阻實(shí)時(shí)采集多點(diǎn)工控場合的溫度信息，通過電子開關(guān)將多路測溫電路與AD芯片相連，簡化電路結(jié)構(gòu)。基于Modbus通信協(xié)議，通過RS 485網(wǎng)路與主機(jī)通信，保證模塊的通用性和實(shí)時(shí)性。并設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的高準(zhǔn)確度PWM轉(zhuǎn)DAC電路。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。
關(guān)鍵詞：Modbus；溫度采集；PWM；DAC

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)測量或加工的影響，因此對(duì)溫度的測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)的使用場合，溫度采集裝置的穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)測量與控制的首要環(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RS 485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、溫度測量電路、PWM轉(zhuǎn)DAC電路、電源電路和RS 485通信電路。為了避免外連的通信電路影響內(nèi)部測量電路，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24 V供電。本文在硬件部分主要介紹恒流源熱電阻測溫電路以及PWM輸入的DAC電路。
2．1 熱電阻溫度測量電路
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量準(zhǔn)確度高、測量范圍大、穩(wěn)定性好、抗干擾能力較強(qiáng)。
鉑電阻測溫電路主要有兩種：橋式測溫電路和恒流源式測溫電路。
橋式測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。