帶DAC輸出的多通道溫度采集模塊的設計

摘要：設計一種低成本高精度的通用模擬采集模塊。采用熱電阻實時采集多點工控場合的溫度信息，通過電子開關將多路測溫電路與AD芯片相連，簡化電路結構。基于Modbus通信協議，通過RS 485網路與主機通信，保證模塊的通用性和實時性。并設計了一種改進的高準確度PWM轉DAC電路。整個系統結構簡單，工作可靠。
關鍵詞：Modbus；溫度采集；PWM；DAC

在化工產業，機械加工，工業制造等領域經常要考慮到溫度對測量或加工的影響，因此對溫度的測量和控制就顯得尤為重要。特別在一些環境惡劣、干擾較強的使用場合，溫度采集裝置的穩定是實現測量與控制的首要環節。本文針對上述背景，設計了通用多通道檢測模塊。

1 系統結構和工作原理
模塊采用單片機ATmega48為控制核心，多路恒流源測溫電路通過電子開關CD4051與13位A／D轉換器MCP3301相連，通過單片機控制3／8譯碼器74HC138進行通道選擇；模塊通過基于Modbus通信協議的RS 485接口與主機通信；并具有一路PWM轉DAC電路。模塊適用于與PLC等主機連接，各通道實時檢測數據保存于各通道的保持寄存器中，當接收到主機讀取命令時將數據發送。整體結構如圖1所示。

2 系統硬件電路設計
系統主要硬件部分控制電路：MCU、溫度測量電路、PWM轉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，本文采用開關電源，具有效率高、重量輕和體積小的特點，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，與其他熱敏元件相比，鉑電阻溫度傳感器測量準確度高、測量范圍大、穩定性好、抗干擾能力較強。
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整電橋的電阻參數，抵消電橋兩端的電壓波動，以突出熱電阻變化引起的電壓，當采用三線制時可以消除引線誤差，但存在非線性誤差和電路相對復雜等問題。
恒流源式測溫電路利用穩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系的。在保證基準電壓源穩定的情況下，可以簡化電路結構，另外根據熱電阻和輸出電壓線性關系，更加有利于溫度的計算和校正。恒流源式測溫的基本應用電路如圖2所示。

圖2中虛框部分即為恒流源電路。運放U1A將輸入的基準電壓VREF轉換為恒流源，激勵熱電阻RT。熱電阻兩端電壓，經過U1B運放組成的雙端輸入單端輸出放大電路，將信號放大10倍，即輸出期望的檢測電壓信號。該輸出信號通過電子開關與A／D轉換芯片相連。