带DAC输出的多通道温度采集模块的设计

摘要：设计一种低成本高精度的通用模拟采集模块。采用热电阻实时采集多点工控场合的温度信息，通过电子开关将多路测温电路与AD芯片相连，简化电路结构。基于Modbus通信协议，通过RS 485网路与主机通信，保证模块的通用性和实时性。并设计了一种改进的高准确度PWM转DAC电路。整个系统结构简单，工作可靠。
关键词：Modbus；温度采集；PWM；DAC

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。

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。

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。