多溫區(qū)控制系統(tǒng)采樣通道的硬件設(shè)計(jì)

引言

目前隨著生產(chǎn)水平的提高，單溫區(qū)系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足生產(chǎn)的需要，因此出現(xiàn)多溫區(qū)系統(tǒng)，如電加熱爐、多溫區(qū)回流焊等。

溫控系統(tǒng)一般都工作在比較嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境，由于采樣通道是模擬信號(hào)，因此更加易受到電磁輻射、靜電、網(wǎng)壓波動(dòng)等干擾，多溫區(qū)控制系統(tǒng)還有采樣通道之間的干擾，這些在硬件設(shè)計(jì)都要充分考慮，才能保證系統(tǒng)采樣的準(zhǔn)確，本系統(tǒng)以多溫區(qū)回流焊為例，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框圖如圖1：

系統(tǒng)采用c8051f005單片機(jī)作為控制器，該單片機(jī)的特點(diǎn)：速度快，高達(dá)25mips的速度；強(qiáng)大的模擬信號(hào)處理功能，集成8路12位adc（速度100k）、兩路12位dac、兩路模擬比較器；先進(jìn)的jtag調(diào)試功能；豐富的串行接口等。環(huán)境溫度檢測(cè)芯片采用ds18b20，環(huán)境溫度信號(hào)直接進(jìn)入單片機(jī)的i/o端口p0.3。

前級(jí)放大電路

前級(jí)放大電路是將熱電偶的微小電位差信號(hào)經(jīng)過濾波放大后形成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，因此前級(jí)放大電路分為濾波電路和放大電路兩個(gè)部分。

放大器采用adi公司生產(chǎn)的儀用放大器ad620，它具有低價(jià)格、低損耗、高精度等優(yōu)點(diǎn)。
放大電路采用差分輸入電路如圖2：

這樣可以避免通道之間信號(hào)在放大之前通過地線相互干擾。信號(hào)增益g由公式：
g=1+49.5k /r g 確定。ad620的輸入阻抗可達(dá)10 9 。

濾波電路采用rc一階濾波器，電路如圖2。其截止頻率f_{z}=frac{1}{2 rc}，由于實(shí)際采樣是溫度信號(hào)，因此截止頻率應(yīng)在 以下，取f_{z}=14h_{z} 。

隔離電路的設(shè)計(jì)主要出于兩種考慮：第一保護(hù)被測(cè)電路和測(cè)試電路，使其不至于因測(cè)試電路或者被測(cè)電路的故障而影響整個(gè)系統(tǒng)的工作；第二減小環(huán)境噪聲對(duì)測(cè)試電路的影響。為了保護(hù)后級(jí)設(shè)備，保證測(cè)量結(jié)果的有效性，測(cè)試電路必須做到嚴(yán)格的電氣隔離。同時(shí)隔離電路應(yīng)具有較高的精度。隔離電路如圖3：

電路傳輸公式frac{v_{o}}{v_{s}}=(r_{l}/r_{4})i_{p1}/i_{p2}，調(diào)節(jié)r_{gl} ，可改變frac{v_{o}}{v_{s}}的值。

有源濾波器的設(shè)計(jì)

由于在多溫區(qū)回流焊機(jī)存在變頻器，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生電磁干擾，這些除了干擾采樣通道，其產(chǎn)生的諧波還用過電源影響通道。因此，除了在電源濾波外，為了保證采樣信號(hào)進(jìn)入cpu前去除這些干擾，必須再放置一個(gè)濾波器，可以在線性光隔輸出的電壓跟隨器設(shè)計(jì)成為一個(gè)增益為1的二階有源濾波器。電路如圖4：

則該濾波器的傳遞函數(shù)為：

在回流焊系統(tǒng)中，最高溫度為300℃，cpu電源電壓為3.3v，考慮到g越大，ad620誤差越大，及軟件計(jì)算， g應(yīng)盡量取整數(shù)，rg取270 。該電路在實(shí)際應(yīng)用中有很強(qiáng)的抗干擾能力，精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定。圖5是用示波器觀測(cè)到的爐膛內(nèi)為245℃時(shí)熱電偶實(shí)際采樣信號(hào) 的波形；圖6是用示波器觀測(cè)到的vo的波形（綠色線）。

從以上分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，控溫精度達(dá)到了 1℃的預(yù)期目標(biāo)。完全能適應(yīng)嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境，不但可以應(yīng)用到溫度采樣，而且可以使用在其他的滯后系統(tǒng)的模擬信號(hào)采樣。