CN105910713B - 一种基于plc的温度信号采集系统 - Google Patents
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Abstract
为了实现在不改变温度采集和处理精度的前提下，对采集到的温度信号进行高效、采集频率智能化和低成本处理，本发明提供了一种基于PLC的温度信号采集系统，包括：温度信号采集单元、温度信号处理单元、PLC信号控制单元、工作状态确定单元、第一计时器和第二计时器。本发明能够对低频和高频温度信号分别进行处理，从而将输出信号的处理精度提高至少2倍，能够通过多级放大和反馈有效地滤除噪声，提高了温度信号的抗干扰能力，此外还能够通过计时器的控制提高温度信号采集工作的智能化程度。
Description
技术领域
本发明涉及温度检测技术领域，更具体地，涉及一种基于PLC的温度信号采集系统。
背景技术
温度是表征物体冷热程度的物理量，温度是表征物体冷热程度的物理量。许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的，需要测量温度和控制温度。一定的温度范围内进行的，需要测量温度和控制温度。测量方法多种多样,但在很多情况下,对于实际工程现场或一些特殊条件下的温度测量,比如对极限温度、高温腐蚀性介质温度、气流温度、表面温度、固体内部温度分布、微尺寸目标温度、大空间温度分布、生物体内温度、电磁干扰条件下温度测量来讲,要想得到准确可靠的结果并非易事,需要非常熟悉各种测量方法的原理及特点,结合被测对象要求选择合适的测量方法才能完成。同时,还要不断探索新的温度测量方法,改进原有测量技术,以满足各种条件下的温度测量需求。
尽管温度检测技术已经日趋成熟，但检测到的温度信号往往具有较多的噪声信号，尤其是检测环境复杂的情况下温度的信号采集装置无法被设置得太大，信号自身微弱。因此，对从温度传感器中检测到的信号处理一直是本领域关注的问题。
现有技术对此类技术进展较少。经检索，现有技术中申请号为CN201420122522.4的中国实用新型专利申请公开了一种可编程增益仪用温度放大采集器，包括一台主机、一条信号采集电缆和一条电源电缆，主机外壳的一个侧面设有信号采集插座，主机另一个侧面设有电源插座；主机外壳上盖设有旋钮电位器；主机外壳内部装有一块电路板，该电路板的电路由温度信号输入电路、电桥平衡检测电路、信号滤波电路、差分输入集成放大电路、增益调整电路、AVR单片机数据采集电路组成；外部的PT100温度传感器通过信号采集电缆与信号采集插座相连，电路板的R4与信号采集插座相连，电路板的VCC以及GND与电源插座相连，电路板上的可调电阻R5与旋钮电位器相连。
然而，上述技术主要供仪器使用，其中使用的仪用放大器成本高，不利于推广和普遍应用。另外，现有的温度信号采集系统一般只有时刻采集以及根据指令采集这两种，缺乏智能化的控制方式。
发明内容
为了实现在不改变温度采集和处理精度的前提下，对采集到的温度信号进行高效、采集频率智能化和低成本处理，本发明提供了一种基于PLC的温度信号采集系统，包括：
温度信号采集单元，用于通过红外方式采集温度信号；
温度信号处理单元，用于对所述温度信号采集单元得到的温度信号进行处理；
PLC信号控制单元，用于控制所述温度信号采集单元和所述温度信号处理单元；
工作状态确定单元，用于在预定的时间之后使能所述第一计时器并失能第二计时器；
第一计时器，用于定时地使能所述PLC温度控制单元和所述工作状态确定单元；
第二计时器，用于根据所述PLC温度控制单元的控制而增加或减小所述第一计时器的工作周期并将之作为第二计时器的工作周期。
进一步地，所述温度信号处理单元包括温度信号滤波单元和温度信号放大单元，其中所述温度信号采集单元用于采集温度信号，所述温度信号滤波单元用于对所述温度信号进行滤波，所述温度信号放大单元用于放大所述温度信号。
进一步地，所述温度信号滤波单元包括相互并联的低频滤波子单元、高频滤波子单元。
进一步地，所述温度信号放大单元包括结构相同的第一温度信号放大子单元和第二温度信号放大子单元，其中所述第一温度信号放大子单元的输入端连接所述低频滤波子单元的输出信号，所述第二温度信号放大子单元的输入端用于连接所述高频滤波子单元的输出信号。
进一步地，所述第一温度信号放大子单元和所述第二温度信号放大子单元均包括第一采集放大单元、第二采集放大单元和反馈输出单元，其中
第一采集放大单元，用于对温度信号进行第一级放大；
第二采集放大单元，用于对第一采集放大单元输出的信号进行第二级放大；
反馈输出单元，用于根据第二采集放大单元的输出信号向第一级采集放大单元进行反馈，并输出最终放大信号。
进一步地，所述第一采集放大单元包括电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2，以及放大器U1A，其中电阻R0的一端连接温度传感器的输出端Vin，电阻R0的另一端连接电容C1的第一端以及放大器U1A的负输入端，电容C1的另一端接地，所述温度传感器的输出端Vin还连接电阻R1的一端以及电容C2的第一端，电阻R1的另一端连接放大器U1A的正输入端，放大器U1A的输出端依次连接电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5以及电源端。
进一步地，所述第二采集放大单元包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C3、电容C4、电容C5、放大器U2A、放大器U3A、放大器U4A和放大器U5A，电阻R6的一端连接电容C2的第二端,电阻R6的另一端连接放大器U2A的负输入端、电阻R8的一端、电容C3的第一端以及放大器U3A的负输入端,电阻R7的一端连接在电阻R5和电阻R3之间,电阻R7的另一端连接电容C4的第一端和放大器U2A的正输入端,放大器U3A的正输入端连接在电阻R2和电阻R3之间，放大器U3A的输出端连接电容C4的第二端和电容C5的第一端，放大器U2A的输出端分别连接电阻R8的另一端、电容C3的第二端和放大器U4A的负输入端以及放大器U5A的正输入端，放大器U5A的负输入端连接于电阻R4和电阻R5之间，放大器U5A的输出端连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接放大器U4A的输出端。
进一步地，所述反馈输出单元包括电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C6、放大器U6A、放大器U7A、晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3以及电容C7，其中电阻R13的一端连接放大器U4A的输出端，电阻R13的另一端连接电容C5的第二端、电阻R14的一端以及晶体管T1的基极，电阻R11与电阻R10之间连接电阻R12的一端，电阻R14的另一端连接电阻12的另一端和电容C7的第一端以及电阻R16的一端，电阻R12与电阻R16之间还通过电容C8连接到电容C7的第一端，晶体管T1的集电极连接于电阻R11和电阻R12之间，电阻R16的另一端连接晶体管T2的基极，晶体管T2的发射极连接晶体管T1的发射极，晶体管T2的集电极连接放大器U6A的正输入端，晶体管T1的发射极连接放大器U6A的负输入端，放大器U6A的输出端连接晶体管T3的基极，晶体管T3的集电极接地，晶体管T3的发射极连接电阻R17的一端以及电容C6的第一端，电阻R17的另一端和电容C16的另一端均连接放大器U3A的输出端，晶体管T3的发射极还连接放大器U7A的负输入端，电容C7的第二端连接放大器U5A的输出端并且连接放大器U7A的正输入端，晶体管T1的集电极经由电阻R15连接到放大器U1A的正输入端。
本发明的有益效果是：能够对低频和高频温度信号分别进行处理，从而将输出信号的处理精度提高至少2倍，能够通过多级放大和反馈有效地滤除噪声，提高了温度信号的抗干扰能力，此外还能够通过计时器的控制提高温度信号采集工作的智能化程度。
附图说明
图1示出了根据本发明的基于PLC的温度信号采集系统的结构框图。
图2示出了根据本发明的第一温度信号放大子单元或第二温度信号放大子单元的电路图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的基于PLC的温度信号采集系统包括：温度信号采集单元、温度信号处理单元、PLC信号控制单元、工作状态确定单元、第一计时器和第二计时器。
所述信号采集单元用于通过红外方式采集温度信号。根据本发明的优选实施例，所述信号采集单元包括多个红外感温探头，这些红外感温探头被分布在被测环境内或者被设置在被测对象表面，产生模拟的温度电流输出信号。
所述PLC信号控制单元用于控制所述温度信号采集单元和所述温度信号处理单元。该PLC信号控制单元包括PLC控制器、数据转换器和存储单元，该PLC控制器与上述温度信号采集单元、温度信号处理单元相连。该数据转换器用于读取所述温度信号处理单元的输出信号并将其转换成数字信号，这些数字信号被存储在上述存储单元中。
其中，所述第一计时器用于根据其自身的工作周期定时地使能所述PLC温度控制单元；所述工作周期被预先设置，使其能够向所述PLC温度控制单元定时地发送使能信号。具体而言，所述第一计时器连接所述数据转换器，定时地使能所述数据转换器。根据本发明的优选实施例，所述PLC温度控制单元的存储单元内保存有温度检测参考范围，当所述温度信号处理单元输出的信号被经过所述PLC温度控制单元的PLC控制器加以与该温度检测参考范围相比较后被确定为超出该参考范围时，PLC控制器将向所述第二计时器和工作状态确定单元发出使能信号并向第一计时器发出失能信号。
所述第二计时器用于根据所述PLC温度控制单元的控制而增加或减小所述第一计时器的工作周期并将之作为第二计时器的工作周期。具体地，所述第二计时器连接所述PLC温度控制单元的PLC控制器以及第一计时器。当所述第二计时器接收到所述使能信号时，该第二计时器从第一计时器获取第一计时器的工作周期，并根据所述比较结果超出预设参考范围的程度确定其自身使能所述PLC温度控制单元的使能信号频率，据此确定其自身的工作周期，并向所述PLC温度控制单元的PLC控制器发出使能信号。这样，在第一计时器被设置成不必要高的情况，第二计时器将以更低的频率进行温度采集，反之，则以更高的频率进行温度采集。
工作状态确定单元用于在预定的时间之后使能所述第一计时器并失能第二计时器。根据本发明的优选实施例，所述工作状态确定单元包括计时器切换倒计时器和信号发生器。所述计时器切换倒计时器用于在其自身预定的工作周期之后(例如，倒计时5分钟)，控制信号发生器向所述第一计时器发出使能信号并向所述第二计时器发出失能信号，即恢复上述比较超过预设范围之前的第一计时器和第二计时器的工作状态。然后，所述PLC温度控制单元将重新根据上述工作过程进行温度信号的比较，并继续控制第一计时器和第二计时器的工作状态的改变(使能或失能)。
所述温度信号处理单元用于对所述温度信号采集单元得到的温度信号进行处理。所述温度信号处理单元包括温度信号滤波单元和温度信号放大单元，其中所述温度信号采集单元用于采集温度信号，所述温度信号滤波单元用于对所述温度信号进行滤波，所述温度信号放大单元用于放大所述温度信号。
所述温度信号滤波单元包括相互并联的低频滤波子单元、高频滤波子单元。所述温度信号放大单元包括结构相同的第一温度信号放大子单元和第二温度信号放大子单元，其中所述第一温度信号放大子单元的输入端连接所述低频滤波子单元的输出信号，所述第二温度信号放大子单元的输入端用于连接所述高频滤波子单元的输出信号。
如图2所示，所述第一温度信号放大子单元和所述第二温度信号放大子单元均包括第一采集放大单元、第二采集放大单元和反馈输出单元，其中
第一采集放大单元，用于对温度信号进行第一级放大；
第二采集放大单元，用于对第一采集放大单元输出的信号进行第二级放大；
反馈输出单元，用于根据第二采集放大单元的输出信号向第一级采集放大单元进行反馈，并输出最终放大信号。
根据本发明的优选实施例，上述第一采集放大单元、第二采集放大单元和反馈输出单元的具体电路结构如下：
所述第一采集放大单元包括电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2，以及放大器U1A，其中电阻R0的一端连接温度传感器的输出端Vin，电阻R0的另一端连接电容C1的第一端以及放大器U1A的负输入端，电容C1的另一端接地，所述温度传感器的输出端Vin还连接电阻R1的一端以及电容C2的第一端，电阻R1的另一端连接放大器U1A的正输入端，放大器U1A的输出端依次连接电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5以及电源端。
所述第二采集放大单元包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C3、电容C4、电容C5、放大器U2A、放大器U3A、放大器U4A和放大器U5A，电阻R6的一端连接电容C2的第二端,电阻R6的另一端连接放大器U2A的负输入端、电阻R8的一端、电容C3的第一端以及放大器U3A的负输入端,电阻R7的一端连接在电阻R5和电阻R3之间,电阻R7的另一端连接电容C4的第一端和放大器U2A的正输入端,放大器U3A的正输入端连接在电阻R2和电阻R3之间，放大器U3A的输出端连接电容C4的第二端和电容C5的第一端，放大器U2A的输出端分别连接电阻R8的另一端、电容C3的第二端和放大器U4A的负输入端以及放大器U5A的正输入端，放大器U5A的负输入端连接于电阻R4和电阻R5之间，放大器U5A的输出端连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接放大器U4A的输出端。
所述反馈输出单元包括电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C6、放大器U6A、放大器U7A、晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3以及电容C7，其中电阻R13的一端连接放大器U4A的输出端，电阻R13的另一端连接电容C5的第二端、电阻R14的一端以及晶体管T1的基极，电阻R11与电阻R10之间连接电阻R12的一端，电阻R14的另一端连接电阻12的另一端和电容C7的第一端以及电阻R16的一端，电阻R12与电阻R16之间还通过电容C8连接到电容C7的第一端，晶体管T1的集电极连接于电阻R11和电阻R12之间，电阻R16的另一端连接晶体管T2的基极，晶体管T2的发射极连接晶体管T1的发射极，晶体管T2的集电极连接放大器U6A的正输入端，晶体管T1的发射极连接放大器U6A的负输入端，放大器U6A的输出端连接晶体管T3的基极，晶体管T3的集电极接地，晶体管T3的发射极连接电阻R17的一端以及电容C6的第一端，电阻R17的另一端和电容C16的另一端均连接放大器U3A的输出端，晶体管T3的发射极还连接放大器U7A的负输入端，电容C7的第二端连接放大器U5A的输出端并且连接放大器U7A的正输入端，晶体管T1的集电极经由电阻R15连接到放大器U1A的正输入端。本发明的一种基于PLC的温度信号采集系统处理所得的最终的信号从Vout端输出。
通过上述第一级采集放大单元的初步放大、第二级采集放大单元的次级放大以及通过上述反馈，本放大器能够有效地滤除噪声，提高温度信号的抗干扰能力。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于PLC的温度信号采集系统，包括：
温度信号采集单元，用于通过红外方式采集温度信号；
温度信号处理单元，用于对所述温度信号采集单元得到的温度信号进行处理；
PLC信号控制单元，用于控制所述温度信号采集单元和所述温度信号处理单元；
工作状态确定单元，用于在预定的时间之后使能第一计时器并失能第二计时器；
第一计时器，用于定时地使能所述PLC信号控制单元和所述工作状态确定单元；
第二计时器，用于根据所述PLC信号控制单元的控制而增加或减小所述第一计时器的工作周期并将之作为第二计时器的工作周期；
所述温度信号处理单元包括温度信号滤波单元和温度信号放大单元，其中所述温度信号采集单元用于采集温度信号，所述温度信号滤波单元用于对所述温度信号进行滤波，所述温度信号放大单元用于放大所述温度信号；
所述温度信号滤波单元包括相互并联的低频滤波子单元、高频滤波子单元；
所述温度信号放大单元包括结构相同的第一温度信号放大子单元和第二温度信号放大子单元，其中所述第一温度信号放大子单元的输入端连接所述低频滤波子单元的输出信号，所述第二温度信号放大子单元的输入端用于连接所述高频滤波子单元的输出信号；所述第一温度信号放大子单元和所述第二温度信号放大子单元均包括第一采集放大单元、第二采集放大单元和反馈输出单元，其中第一采集放大单元，用于对温度信号进行第一级放大；
第二采集放大单元，用于对第一采集放大单元输出的信号进行第二级放大；
反馈输出单元，用于根据第二采集放大单元的输出信号向第一级采集放大单元进行反馈，并输出最终放大信号；
其特征在于，所述第一采集放大单元包括电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2，以及放大器U1A，其中电阻R0的一端连接温度传感器的输出端Vin，电阻R0的另一端连接电容C1的第一端以及放大器U1A的负输入端，电容C1的另一端接地，所述温度传感器的输出端Vin还连接电阻R1的一端以及电容C2的第一端，电阻R1的另一端连接放大器U1A的正输入端，放大器U1A的输出端依次连接电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5以及电源端；所述第二采集放大单元包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C3、电容C4、电容C5、放大器U2A、放大器U3A、放大器U4A和放大器U5A，电阻R6的一端连接电容C2的第二端,电阻R6的另一端连接放大器U2A的负输入端、电阻R8的一端、电容C3的第一端以及放大器U3A的负输入端,电阻R7的一端连接在电阻R4和电阻R3之间,电阻R7的另一端连接电容C4的第一端和放大器U2A的正输入端,放大器U3A的正输入端连接在电阻R2和电阻R3之间，放大器U3A的输出端连接电容C4的第二端和电容C5的第一端，放大器U2A的输出端分别连接电阻R8的另一端、电容C3的第二端和放大器U4A的负输入端以及放大器U5A的正输入端，放大器U5A的负输入端连接于电阻R4和电阻R5之间，放大器U5A的输出端连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接放大器U4A的输出端；电阻R9的一端连接晶体管T1的基极，另一端连接放大器U4A的正输入端；
所述反馈输出单元包括电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C6、放大器U6A、放大器U7A、晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3以及电容C7和C8，其中电阻R13的一端连接放大器U4A的输出端，电阻R13的另一端连接电容C5的第二端、电阻R14的一端以及晶体管T1的基极，电阻R11与电阻R10之间连接电阻R12的一端，电阻R14的另一端连接电阻12的另一端和电容C7的第一端以及电阻R16的一端，电阻R12与电阻R16之间还通过电容C8连接到电容C7的第一端，晶体管T1的集电极连接于电阻R11和电阻R12之间，电阻R16的另一端连接晶体管T2的基极，晶体管T2的发射极连接晶体管T1的发射极，晶体管T2的集电极连接放大器U6A的正输入端，晶体管T1的发射极连接放大器U6A的负输入端，放大器U6A的输出端连接晶体管T3的基极，晶体管T3的集电极接地，晶体管T3的发射极连接电阻R17的一端以及电容C6的第一端，电阻R17的另一端和电容C6的另一端均连接放大器U3A的输出端，晶体管T3的发射极还连接放大器U7A的负输入端，电容C7的第二端连接放大器U5A的输出端并且连接放大器U7A的正输入端，晶体管T1的集电极经由电阻R15连接到放大器U1A的正输入端，放大器U7A的输出端作为所述的基于PLC的温度信号采集系统的输出端。
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