温度采集电路设计.doc

温度采集电路设计(滤波、峰值保持、多路开关、AD转换)温度采集电路是本次设计的主要内容，是整个单片机温度控制系统设计中不可缺少的部分。本系统根据工艺要求对加热炉出口的工件进行实时的温度检测。当加热炉出口没有工件被推出时，温度采集部分不进行温度采集；当有工件被推出时，通过气缸的驱动信号和气缸的位置开关信号获得工件的推出时刻和温度采集的时间段，温度采集部分在工件从加热炉被推出的时刻开始采集工件的温度，根据本次设计的要求，要在温度采集时间段内对工件进行20个点的温度采集，并要采集到工件温度的峰值。3.2.1温度传感器部分1.温度传感器的选取由于温度传感器要测取的是加热炉出口的被推出的高温的金属工件，加热工件的温度高达上千度，且是要测量处于运动状态的工件，且工业现场的灰尘、震动等的干扰严重。所以可以考虑热电偶温度传感器或者红外温度传感器。但考虑到工艺要求和在加热炉出口处热电偶温度传感器安装的难度比较大，所以优先考虑红外温度传感器。根据技术指标，温度测量范围 6001200，温度测量误差4，考虑到后面还有A/D转换器部分和软件部分会增大测量误差，所以温度传感器的分辨率和精度最好控制在1以内。综合上述因素，温度传感器部分选取海贝尔公司HBIR系列的在线式红外测温探头HBIR5816。HBIR系列工业级在线式红外测温探头安装简便，易于维护，适用于电力、冶金等相关领域的测温。2.HBIR5816介绍测温范围：6001500分辨率：0.1精度：1.0响应时间：100ms供电要求：+5VDC,+12VDC,+24VDC模拟输出：420mA表3.1传感器引线定义表电缆芯线芯线名称红色电源正端黑色电源负端黄色模拟信号正端绿色模拟信号负端裸色屏蔽接地端3.2.2低通滤波电路本次设计应用于工业现场，由于工业现场环境恶劣，高频噪声干扰严重，高频干扰会严重影响温度采集部分采集的温度信号的精度，进而会影响到控制器的控制精度，采集温度信号的精度关系到温度控制器设计的成败，所以应根据红外温度传感器输出的信号频率特点，对红外温度传感器输出的温度信号进行相应的滤波处理。按照电气和电子工程师学会(IEEE)制定的频谱划分表，低频频率为30300kHz，中频频率为3003000kHz，高频频率为330MHz，频率范围在30300MHz的为甚高频，在3001000MHz的为特高频。温度采集部分红外温度传感器的响应时间为100ms，对温度传感器输出的信号频率计算如下。f = 1/T= 1/100ms = 10Hz根据计算得出的结果，红外温度传感器输出的信号频率为10Hz，属于低频信号。按照频谱划分表，温度传感器输出信号的频率远低于中高频率的信号。所以滤波电路部分应采用低通滤波电路，考虑要有一些裕量，低通滤波电路的截止频率设定为1KHz。1.滤波器的选择滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种：a.无源滤波器:由电感L、电容C及电阻R等无源元件组成。但无源滤波器带负载后，通带放大倍数的数值减小，通带截止频率升高。可见，无源滤波器的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，这一缺点通常不符合信号处理的要求。b.有源滤波器:一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用，这种特性使得负载不再影响滤波器的滤波特性。利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。将上述无源滤波器和有源滤波器的特点进行对比后，选择有源滤波器。2.滤波器阶数选择滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。对于n为偶数的高阶滤波器，可以由n/2节二阶滤波器级联而成；而n为奇数的高阶滤波器可以由(n-1)/2节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。一阶低通滤波器特点是电路简单，过渡带较宽，幅频特性的最大衰减斜率仅为-20dB/十倍频，阻带衰减太慢，选择性较差。增加RC环节可加大衰减斜率。结合本次设计设定的截止频率远低于工业现场的高频干扰，本设计选择滤波器的阶数为二阶。3.有源低通滤波器运放的选择运算放大器是目前应用最广泛的一种器件，虽然各种不同的运放结构不同，但对于外部电路而言，其特性都是一样的。运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级，其中输入级一般是采用差动放大电路（抑制电源），中间级一般采用有源负载的共射负载电路（提高放大倍数），输出级一般采用互补对称输出级电路（提高电路驱动负载的能力）。运算放大器的性能指标包括5个，开环差模电压放大倍数，最大输出电压，差模输入电阻，输出电阻，共模抑制比CMRR。（开环差模放大倍数是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数。最大输出电压是指它是指一定电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰-峰值。差模输入电阻的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求它愈大愈好。输出电阻的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。共模抑制比放映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义同差动放大电路。CMRR越大越好。实际是有要求的。首先运放的输入阻抗要足够大，以免输入阻抗对电路中的实际电阻产生过大的影响 。其次运放的开环增益AV0要足够大。但由于这些条件非常容易满足，因此在设计有源二阶低通滤波器时，不考虑。但在仿真时，不同的运放对滤波器的指标还是有影响的。本次设计选择运放芯片为NE5532，其指标如下：放大器数目:2 ，运放类型:低噪声 ，-3dB带宽增益乘积:10MHz ，变化斜率:9V/s ，电源电压最小:3V ，电源电压最大: 15V ，表面安装器件:表面安装 ，封装类型:SOIC。设计所用的电源电压为12V。针脚数:8 ，工作温度范围:0C to +70C ，器件标号:5532 ，增益带宽:10MHz ，工作温度最低:0C ，工作温度最高:70C ，放大器类型:Op Amp ，输入偏移电压 最大:4mV ，输入电压：VSUPPLY。4.NE5532芯片引脚图图3.3NE5532芯片引脚5.滤波器电路综上所述，本设计确定滤波器电路如下：图3.4滤波器电路图6.滤波器参数综上所述，本次设计有源二阶低通滤波器，指标为：截止频率Fc=1kHZ; 通带电压放大倍数：Auo=2;在F=10Fc时，要求幅度衰减大于30dB。Au(s)=Auo*c2s2+cQs+c2该电路传递函数： AU(Sl)=AUOSl2+1QSl+1其归一化函数： n=2,归一化的巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式：Sl2+2Sl+11Q=2将上式分母与归一化传递函数的分母多项式比较得：Auo=Af=1+R4R3=2通带内的电压放大倍数：c=1R1R2C1C2=2fc=2103滤波器的截止角频率：cQ=1R1C1+1R2C1+(1-AUO)1R2C2为了减少输入偏置电流及其漂移对电路的影响，应使：R1+R2=R3/R4综合以上等式可以求出：C1=C2=C=10/Fc(uf)=0.01uf。R1=QCC=12*103*2*0.01*1016=11.26*103R2=1QCC=22*103*0.01*10-6=22.52*103R4=AfR1+R2=2*11.26+22.52*103=67.56*103R3=R4Af-1=67.56*1032-1=67.56*1037.低通滤波器电路图3.5低通滤波器电路图3.2.3峰值保持电路根据工件加热的工艺要求，和软件控制的参数需求，单片机最后要采集到工件温度的峰值，用于计算下一个工件的节拍。因此本设计增加了峰值保持电路，用于将工件温度电信号的峰值保持住，并提供给单片机。峰值保持电路部分的设计思路是通过一个采样保持器和一个电压比较器配合来实现检测并保持住信号峰值。具体思路是将采样保持器的输入信号接入电压比较器的同相输入端，将采样保持器的输出信号接入电压比较器的反相输入端，来实现峰值保持。1.采样保持器的选择采样保持电路实质上是一种模拟信号存储器，它在数字指令控制下，使开关通断，对输入信号瞬时值进行采样并寄存，通常用两个运算放大器和采样开关S和保持电容Ch构成高输入阻抗的采样/保持电路。采样保持器的基本组成电路如下图所示。图3.6两运放构成高输入阻抗的S/H电路采样保持电路的工作过程。采样时，开关S闭合，Vi通过A1对Ch快速充电，Vo跟随跟随Vi；保持期间，S断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下Vo=Vc保持不变，采样保持器一旦进入保持期，其输出就保持恒定不变。选择采样保持器的主要因素有获取时间、电压下降率等。本设计选用LF398芯片。LF398是一种高性能单片采样/保持器。它具有很高的直流精度、很快的采样时间和低的下降速度。器件的动态性能和保持性能可通过合适的外接保持电容达到最佳。例如选择1000PF的保持电容，具有6us的采样时间，可达到12bit的精度。LF398的价格低廉。电源电压可从518V任意选择，其性能几乎无影响。采样/保持的逻辑控制可与TTL或CMOS电平接口。它可广泛地应用于高速A/D转换系统、数据采集系统和要求同步采样的领域。该器件外形采用8脚DIP封装结构。性能特点：具有12bit吞吐精度；采样时间：小于10us；宽带噪声：小于20uV；可靠的整体结构；输入阻抗：大于1010；TTL和CMOS逻辑接口。主要参数：输入偏流：小于50nA；增益：1； 输入失调：小于7mV；输出阻抗：小于0.5；电源电压:518V；电源电流：4.56.5mA。2.LF398芯片引脚图图3.7 LF398引脚图 各引脚端的功能如下：1和4端分别为VCC和VEE电源端。电源电压范围为5V15V；2端为失调调零端。当输入Vi=0，且在逻辑输入为1采样使，可调节2端使Vo=0；3端为模拟量输入端；5端为输出端；6端为接采样保持电容CH端；7端为逻辑基准端（接地）；8端为逻辑输入控制端。该端电平为“1”时采样，为“0”时保持；保持电容CH的典型值为0.01uf；调零引脚的调零电路：用1K电位器，一端接正电源，中心抽头接芯片调零端，另一端经电阻接地。该电阻的大小应使1K电位器上流过的电流约为0.6mA左右，这里本设计对该电阻取值24K，调节电位器使输入VIN=0V时，输出Vo=0V。3.电压比较器的选择因为电压比较器的同相和反相输入端都在5V以内，且用电压比较器比较后的输出电平控制采样保持器LF398的逻辑输入控制端。本次设计我们选用LM311电压比较器芯片。4.LM311芯片介绍 图3.8 LM311芯片引脚图引脚功能：GROUND/GND ：接地；INPUT + ：正向输入端；INPUT：反向输入端；OUTPUT ：输出端；BALANCE ：平衡；BALANCE/STROBE ：平衡/选通；V+ ：电源正；V：电源负；NC ：空脚；芯片参数：电源电压范围：18V；输入电压范围：15V ；因为LM311输出引脚内部为一个OC门电路。OC门，又称集电极开路（漏极开路）与非门门电路，由于OC门电路的输出管的集电极悬空，使用时需外接一个上拉电阻Rp到电源VCC。OC门使用上拉电阻以输出高电平，此外为了加大输出引脚的驱动能力，上拉电阻阻值的选择原则，从降低功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；从确保足够的驱动电流考虑应当足够小。5.峰值保持电路图3.9 峰值保持电路峰值保持电路工作原理：当输入的信号Ui上升时，电压比较器的同相输入端电压信号大于反相输入端的电压信号，电压比较器输出正电平，采样保持器内部的逻辑控制开关闭合，采样保持器的输出端电压跟随输入端电压，当输入的信号Ui下降时，电压比较器的同相输入端电压小于反相输入端电压，电压比较器输出低电平，采样保持器内部的逻辑控制开关断开，采样保持器的输出端保持为输入电压信号的峰值电压。此时，电压比较器的反相输入端电压为上次电压信号的峰值电压，此后若采样保持器的输入端也即电压比较器的同相输入端电压信号高于采样保持器保持的电压值，则采样保持器内部的逻辑控制开关再次闭合，采样保持器的输出端电压跟随输入端电压信号变化，重复上述工作过程；若采样保持器的输入端即电压比较器的同相输入端输入的电压信号低于采样保持器保持的电压值，则最终此峰值保持电路将输出采样保持器所保持住的峰值电压。图中由单片机的P3.5引脚控制采样保持器在经历一个峰值保持工作过程后对采样保持器进行复位，将保持电容进行放电，以便进行下一次的峰值保持工作。图中的两个二极管保证电压比较器LM311输出的控制信号和单片机输出的信号能够不互相影响。3.2.4 多路开关电路根据本次设计要求，既要对输入的信号进行采集峰值，又要对输入信号进行20次采集。这就需要向A/D转换器输入两路信号，但由于峰值信号的输入时间与20次信号的采集时间并不冲突，可以加入多路开关对两路输入信号进行分时切换。1.多路开关芯片的选择本次设计需要通过多路开关切换两路信号，两路信号的电压范围在05V之间，所以选用CD4051多路开关芯片。CD4051 是单 8 通道数字控制模拟开关，有三个二进制控制输入端 A0、A1、A2 和 INH 输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.520V的数字信号可控制峰峰值至 20V的模拟信号。例如，若VDD5V，VSS0，VEE13.5V，则 05V 的数字信号可控制13.54.5V 的模拟信号。这些开关电路在整个 VDDVSS和 VDDVEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当 INH 输入端“1”时，所有的通道截止。三位二进制信号选通 8 通道中的一通道，可连接该输入端至输出。CD4051管脚图及逻辑符号图图3.10 CD4051引脚图表3.2 CD4051通道选择表INHCBA选中输出通道00000000111XXXNONE引脚功能描述：AC地址端；I0/O0I7/O7 输入输出端；/INH 禁止端；O/I 公共输出/输入端；VDD 正电源；VEE 模拟信号地，使用单电源时，CD4051的VEE可以和GND相连；Vss 数字信号地；推荐工作条件： 电源电压范围：3V15V；输入电压范围：0VVDD；极限值：电源电压：0.5V18V； 输入电压：0.5VVDD+0.5V；输入电流：10mA；控制部分（A0、A1、A2、INH）：VIL输入低电平电压（最大）：1.5V；VIH输入高电平电压（最小）：3.5V；2.多路开关电路图3.11 多路开关电路本设计将峰值保持电路输出和低通滤波电路输出分别接到多路开关的0通道和1通道，O/I输出通道引脚接入A/D转换器的输入引脚。将地址选择引脚B、C接地，引脚A接单片机的P2.6引脚。使用单电源时，CD4051的VEE可以和GND相连。3.2.5 A/D转换电路这一部分电路用来把传感器输出的模拟电压信号转换成数字量输出至单片机中。1.A/D转换芯片的选择a由于工件从加热炉中推出时速度比较快，而且为了检测工件的加热是否符合要求，要采集多个点的温度，这就要求A/D转换的时间要短。b由于对测试结果的精度要求较高，所以要求A/D转换的转换精度也要高。c由于单片机的外围接口电路较多，所以为了尽量节省单片机的I/O口，选用串行的A/D转换芯片。综上所述，本设计选用MAXIM公司的MAX187串行A/D转换芯片。MAX187转换时间在5.58.5us之间，具有12位的分辨率满足我们的要求。2.MAX187芯片介绍12位分辨率；单一 + 5V工作电压 ,工作电流1. 5mA ,关断电流2 A；内部采样/保持电路 ,75Ksps采样速率；1/2LSB 整体非线形度；内部 4. 096V 基准电压，与 SPI、QSPI 及 Mi2crowire 兼容的3线串行接口；3.芯片引脚图图3.12 MAXl87 芯片引脚管脚描述：VDD：工作电源,为+5V5；GND：模拟和数字地；REF：参考电压输入；对于内含基准电压的MAXl87；只需外接一个4.7F的退耦电容“激活”内部基准,使其产生4.096V的输出即可； (外接基准电压也适用于禁止内部基准电压的MAXl87)。AIN：模拟电压输入范围为0REF或04.096V(MAXl87)；SHDN(Shut Down)：关闭控制信号输入,提供三级关闭方式。当SHDN输入低电平时，表示芯片处于待命低功耗状态,此时电流仅10；当SHDN输入高电平时，允许使用内部基准；当SHDN悬浮时,禁止使用内部基准，只能使用外部参考电压；DOUT：串行数据输出，串行脉冲SCLK的下降沿数据变化；CS：片选输入，低电平有效。CS信号下降沿启动A/D转换，A/D转换期间CS应保持低电平。CS变高时,DOUT呈高阻态；SCLK：串行时钟输入,最大允许频率5MHz；MAXl87外接4.7F退耦电容激活内部电压基准，SHDN接+5V允许使用内部基准；4.A/D转换电路图3.13 A/D转换电路3.2.6温度采集部分电路图3.14 温度采集部分电路温度采集部分工作过程，在收到工件要从加热炉中推出的信号（气缸驱动脉冲信号的上升沿）后，多路开关接通通道1，同时向A/D转换器片选引脚发出片选信号，采集20次工件的温度信号，单片机对采集的温度信号进行分析，以检测工件的加热是否合格；在收到工件完全推出的信号（气缸位置开关信号）后，多路开关接通通道0，单片机采集工件温度的峰值，用于计算下一个工件的推出时间。在A/D转换器将最后的工件温度峰值信号转换完成后，单片机的P3.5引脚发出高电平信号，对采样保持器的保持电容进行