中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 張宏亮 魯五一 陽同光 

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酷的工業(yè)環(huán)境，由于采樣通道是模擬信號，因此更加易受到電磁輻射、靜電、網(wǎng)壓波動等干擾，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)計都要充分考慮，才能保證系統(tǒng)采樣的準確，本系統(tǒng)以多溫區(qū)回流焊為例，進行系統(tǒng)設(shè)計。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件框圖如圖1：

 
熱 電偶為普通K型，其阻抗為68 ，當熱電偶隨著爐膛的溫度比環(huán)境溫度每增加1℃，則電位差增加0.041mV，因此爐膛內(nèi)實際溫度T=0.041 G t+t s ， 其中 為爐膛相對環(huán)境的溫度，ts為環(huán)境溫度， G為采樣電路增益， T為采樣溫度。

系統(tǒng)采用C8051F005單片機作為控制器，該單片機的特點：速度快，高達25MIPS的速度；強大的模擬信號處理功能，集成8路12位ADC（速度100K）、兩路12位DAC、兩路模擬比較器；先進的JTAG調(diào)試功能；豐富的串行接口等。環(huán)境溫度檢測芯片采用DS18B20，環(huán)境溫度信號直接進入單片機的I/O端口P0.3。

前級放大電路

前級放大電路是將熱電偶的微小電位差信號經(jīng)過濾波放大后形成標準的電信號，因此前級放大電路分為濾波電路和放大電路兩個部分。

放大器采用ADI公司生產(chǎn)的儀用放大器AD620，它具有低價格、低損耗、高精度等優(yōu)點。 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在放大之前通過地線相互干擾。信號增益G由公式：
G=1+49.5K /R g 確定。AD620的輸入阻抗可達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}，由于實際采樣是溫度信號，因此截止頻率應(yīng)在 以下，取f_{z}=14H_{z} 。
 
隔離電路

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

 
TIL300是TI公司生產(chǎn)的精密線性光耦，它具有3500V的峰值隔離度和高的傳輸增益穩(wěn)定性（0.05％℃）。 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

由于在多溫區(qū)回流焊機存在變頻器，當系統(tǒng)運行時產(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，為了保證采樣信號進入CPU前去除這些干擾，必須再放置一個濾波器，可以在線性光隔輸出的電壓跟隨器設(shè)計成為一個增益為1的二階有源濾波器。電路如圖4：

 
為了設(shè)計方便，設(shè)R5＝R6＝ R，C4＝2C5＝2C，增益為Aup＝1。 則該濾波器的傳遞函數(shù)為：

 
試驗結(jié)果

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，及軟件計算， G應(yīng)盡量取整數(shù)，Rg取270 。該電路在實際應(yīng)用中有很強的抗干擾能力，精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定。圖5是用示波器觀測到的爐膛內(nèi)為245℃時熱電偶實際采樣信號 的波形；圖6是用示波器觀測到的Vo的波形（綠色線）。

結(jié)束語

從以上分析和實驗結(jié)果，以及現(xiàn)場測試情況表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，控溫精度達到了 1℃的預(yù)期目標。完全能適應(yīng)嚴酷的工業(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)的模擬信號采樣。

來源：世界電子元器件