CN210293482U - 基于rs-485的多路热电偶采集多路数字量输出模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于RS‑485的多路热电偶采集多路数字量输出模块，包括A/D转换电路、数字量输出电路、第一电气隔离电路、冷端补偿电路、微控制器、RS‑485收发器、第二电气隔离电路和电源电路，A/D转换电路具有多路热电偶输入通道，热电偶输入通道上设置有对热电势进行处理的抗混叠滤波器，数字量输出电路具有多路数字量输出通道，A/D转换电路的输出端和数字量输出电路的输入端分别通过第一电气隔离电路连接至微控制器，冷端补偿电路与微控制器连接，RS‑485收发器通过第二电气隔离电路连接至微控制器，电源电路为整个模块提供稳定的工作电压。本实用新型能够采集多个热电偶温度，适用于采集工业现场的温度值。
Description
技术领域
本实用新型属于数据采集模块技术领域，具体涉及一种基于RS-485的多路热电偶采集多路数字量输出模块。
背景技术
很多过程控制场合，都需要对温度进行测量，因此温度传感器的使用非常广泛，热电偶就是其中之一。热电偶有着测温范围宽，反应速度快以及成本低廉的优势，使其在工业控制领域应用十分广泛。典型应用环境包括： 钢铁企业、冶金工业、活力发电、机械制造、污水处理以及化学化工等。
热电偶由两种不同类型的金属连接组成，连接点成为热端或测量端，非连接点为冷端。热电偶工作机理为塞贝克效应，即两种不同金属连接在一起时，将在冷端产生一个热电势V，其值为热端温度T的函数，数学表达形式为V=f(T)。通过测量热电势V，然后通过V-T函数的反函数T=f -1 (V)就可以求出热端的温度。
实用新型内容
本实用新型目的在于提供一种基于RS-485的多路热电偶采集多路数字量输出模块，它能够。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种基于RS-485的多路热电偶采集多路数字量输出模块，包括A/D转换电路、数字量输出电路、第一电气隔离电路、冷端补偿电路、微控制器、RS-485收发器、第二电气隔离电路和电源电路，所述A/D转换电路具有多路热电偶输入通道，所述数字量输出电路具有多路数字量输出通道，所述热电偶输入通道上设置有对热电势进行处理的抗混叠滤波器，所述A/D转换电路的输出端和数字量输出电路的输入端分别通过第一电气隔离电路连接至微控制器，所述冷端补偿电路与微控制器连接，所述RS-485收发器通过第二电气隔离电路连接至微控制器，所述电源电路为整个模块提供稳定的工作电压。
进一步地，还包括看门狗电路，所述看门狗电路与微控制器连接。
进一步地，还包括EEPROM存储器，所述EEPROM存储器与微控制器连接。
进一步地，所述热电偶输入通道的输入类型为J型热电偶电压、S型热电偶电压、T型热电偶电压、K型热电偶电压、R型热电偶电压、B型热电偶电压、N型热电偶电压或E型热电偶电压。
进一步地，所述数字量输出通道的输出类型为集电极开路门输出。
进一步地，所述数字量输出通道的工作模式为用户控制模式或超限报警模式。
进一步地，所述第一电气隔离电路包括第一数字隔离器和第二数字隔离器，所述第一数字隔离器的输入端与A/D转换电路的输出端连接，所述第一数字隔离器的输出端与微控制器连接，所述第二数字隔离器的输入端与微控制器连接，所述第二数字隔离器的输出端与数字量输出电路的输入端连接。
进一步地，还包括电源指示灯和工作状态指示灯，所述电源指示灯与电源电路连接，所述工作状态指示灯分别与电源电路、微控制器连接。
进一步地，所述电源电路包含主电源电路、二级稳压电路和隔离电源电路，所述主电源电路的输出端分别与二级稳压电路的输入端、隔离电源电路的输入端连接，所述隔离电源电路的输出端连接至一稳压器的输入端，所述稳压器的输出端分别连接至A/D转换电路、数字量输出电路和第一电气隔离电路，所述二级稳压电路的输出端分别连接至微控制器、RS-485收发器、第一电气隔离电路和冷端补偿电路。
进一步地，所述微控制器采用32位RISC CPU ARM芯片。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：该模块具有多路热电偶输入通道（即测温通道），能够采集多个热电偶温度，适用于采集工业现场的温度值；还具有多路数字量输出通道，可以设置为用户控制输出或对测量温度值进行超限状态指示输出。该模块针对工业应用而设计的，其内部输入输出单元与控制单元之间采用电气隔离，并对输入信号进行滤波处理，大大地降低了工业现场的干扰对模块正常运行的影响，使模块具有很高的可靠性，其带隔离的RS-485通信接口，避免了工业现场信号对微控制器通讯接口的影响。模块具有很高的抗ESD打击能力以及过压、过流保护功能。
附图说明
图1为本实用新型实施例的原理框图。
图2为本实用新型实施例的微控制器的一种电路图。
图3为本实用新型实施例的A/D转换电路的一种电路图。
图4为本实用新型实施例的抗混叠滤波器的一种电路图。
图5为本实用新型实施例的冷端补偿电路的一种电路图。
图6为本实用新型实施例的数字量输出电路的一种电路图。
图7为本实用新型实施例的第一数字隔离器的一种电路图。
图8为本实用新型实施例的第二数字隔离器的一种电路图。
图9为本实用新型实施例的第二电气隔离电路与RS-485收发器的一种集成电路图。
图10为本实用新型实施例的看门狗电路和EEPROM存储器的一种集成电路图。
图11为本实用新型实施例的电源指示灯的一种电路图。
图12为本实用新型实施例的工作状态指示灯的一种电路图。
图13为本实用新型实施例的主电源电路的一种电路图。
图14为本实用新型实施例的二级稳压电路的一种电路图。
图15为本实用新型实施例的隔离电源电路的一种电路图。
图16为本实用新型实施例的稳压器的一种电路图。
图中标记：1、A/D转换电路；2、数字量输出电路；3、第一电气隔离电路；4、冷端补偿电路；5、微控制器；6、RS-485收发器；7、第二电气隔离电路；8、电源电路；81、主电源电路；82、二级稳压电路；9、看门狗电路；10、EEPROM存储器。
具体实施方式
为了让本实用新型的上述特征和优点更明显易懂，下面特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1所示，本实施例提供了一种基于RS-485的多路热电偶采集多路数字量输出模块，包括A/D转换电路1、数字量输出电路2、第一电气隔离电路3、冷端补偿电路4、微控制器5、RS-485收发器6、第二电气隔离电路7和电源电路8，A/D转换电路1具有多路热电偶输入通道，热电偶输入通道上设置有对热电势进行处理的抗混叠滤波器，数字量输出电路2具有多路数字量输出通道，A/D转换电路1的输出端和数字量输出电路2的输入端分别通过第一电气隔离电路3连接至微控制器5，冷端补偿电路4与微控制器5连接，RS-485收发器6通过第二电气隔离电路7连接至微控制器5，电源电路8为整个模块提供稳定的工作电压。
在本实施例中，微控制器53采用32位RISC CPU ARM芯片，具体采用如图2所示的LPC2134单片机，具有非常快速的数据处理能力，可以应用在高性能和高速度的应用环境中；操作系统：实时操作系统；供电电压：+10~+30VDC，电源反接保护；工作温度范围：-40℃～+85℃；通讯接口：隔离2500 VDC，ESD、过压、过流保护，ESD ±6KV。
在本实施例中，A/D转换电路1优选但不局限于包括如图3所示的AD7794模数转换器。热电偶输入通道的模拟量输入技术指标如下：电压量程：±1V；输入阻抗：1.5MΩ；采样速率：10采样点/秒；测温精度：0.2%；电压精度：0.02%；通道操作：可独立控制通道的打开/关闭；输入类型：J型热电偶电压（测温范围：-210~1200℃）、S型热电偶电压（测温范围：-50~1768.1℃）、T型热电偶电压（测温范围：-270~400℃）、K型热电偶电压（测温范围：-270~1372℃）、R型热电偶电压（测温范围：-50~1768.1℃）、B型热电偶电压（测温范围：250~1820℃）、N型热电偶电压（测温范围：-200~1300℃）或E型热电偶电压（测温范围：-270~1000℃），不同类型的热电偶其材料不同，从而测温范围、灵敏度各不相同，用户应该根据实际应用的需要来选型。抗混叠滤波器优选但不局限于采用如图4所示的抗混叠滤波电路。冷端补偿电路4优选但不局限于包括如图5所示的SD18B20数字温度传感器。
在本实施例中，数字量输出电路优选但不局限于包括如图6所示的74HC595位移缓存器。数字量输出通道的数字量输出技术指标如下：输出类型：集电极开路门输出；最大负载电压：50V；最大负载电流：50mA；工作模式：可配置为用户控制模式或超限报警模式。
在本实施例中，第一电气隔离电路3包括第一数字隔离器和第二数字隔离器，第一数字隔离器的输入端与A/D转换电路1的输出端连接，第一数字隔离器的输出端与微控制器5连接，第二数字隔离器的输入端与微控制器5连接，第二数字隔离器的输出端与数字量输出电路2的输入端连接。其中，第一数字隔离器优选但不局限于包括如图7所示的ADUM1200数字隔离器，第二数字隔离器优选但不局限于包括如图8所示的ADUM1201数字隔离器。
在本实施例中，第二电气隔离电路7和RS-485收发器6优选但不局限于包括如图9所示的RSM3485CHT隔离收发器模块，RSM3485CHT隔离收发器模块是集成电源隔离、电气隔离、RS-485接口芯片和总线保护器件于一身，方便嵌入用户设备，使产品具有连接RS-485网络的功能。
在本实施例中，该模块还包括看门狗电路9和EEPROM存储器10，看门狗电路9、EEPROM存储器10分别与微控制器5连接，采用了看门狗电路9，可以在出现意外时将模块的系统重新启动，使得系统更加稳定可靠。看门狗电路9和EEPROM存储器10优选但不局限于采用如图10所示的CAT1023监控电路，CAT1023监控电路是基于微控制器5系统的存储器和电源监控的完全解决方案。
在本实施例中，该模块还包括如图11所示的电源指示灯和如图12所示的工作状态指示灯，电源指示灯与电源电路8连接，工作状态指示灯分别与电源电路8、微控制器5连接。其中，电源指示灯为红色指示灯，灯亮时表示模块供电正常；工作状态指示灯为红绿双色指示灯，灯不亮时表示模块没有上电或没有运行，红灯亮时表示模块初始化出错，绿灯常亮时表示模块正常运行但未与主机进行过通信，绿灯闪烁时表示模块与主机建立连接且已正常通信。
在本实施例中，电源电路8包含主电源电路81、二级稳压电路82和隔离电源电路，主电源电路81的输出端分别与二级稳压电路82的输入端、隔离电源电路的输入端连接，隔离电源电路的输出端连接至一稳压器的输入端，稳压器的输出端分别连接至A/D转换电路1、数字量输出电路2和第一电气隔离电路3（即第一数字隔离器和第二数字隔离器），二级稳压电路82的输出端分别连接至微控制器5、RS-485收发器6、第一电气隔离电路3（即第一数字隔离器和第二数字隔离器）、冷端补偿电路4、看门狗电路9、EEPROM存储器10、电源指示灯和工作状态指示灯等。其中，主电源电路81优选但不局限于包括如图13所示的TPS5430电源模块，二级稳压电路82优选但不局限于包括如14所示的SP6201EM5-L-3.3电源模块，隔离电源电路优选但不局限于包括如图15所示的ZY0509FKW-1W电源模块，稳压器优选但不局限于包括如图16所示的78L05稳压器。
本实施例的工作原理如下：该模块通过测量热电偶产生的热电势，并对热电势进行冷端补偿来求得热端热电势；通过热端热电势，从分度表中查找出其对应的热端温度值来实现温度的测量。热电势首先通过抗混叠滤波器的处理，以防止采样后频谱的混跌；ADC对滤波后的电压信号进行采样，然后传送给微控制器5；微控制器5将对此电压值进行冷端补偿，然后查找分度表获取热端的温度值。热电偶接线方式很简单，只需将热电偶正、负端分别接到模块某一输入通道的TCi+和TCi-上。
该模块具有多路热电偶输入通道（即测温通道），能够采集多个热电偶温度，适用于采集工业现场的温度值；还具有多路数字量输出通道，可以设置为用户控制输出或对测量温度值进行超限状态指示输出；该模块针对工业应用而设计的，其内部输入输出单元与控制单元之间采用电气隔离，并对输入信号进行滤波处理，大大地降低了工业现场的干扰对模块正常运行的影响，使模块具有很高的可靠性，其带隔离的RS-485通信接口，避免了工业现场信号对微控制器5通讯接口的影响。模块具有很高的抗ESD打击能力以及过压、过流保护功能。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员但凡未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做任何简单的修改、均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种基于RS-485的多路热电偶采集多路数字量输出模块，其特征在于：包括A/D转换电路、数字量输出电路、第一电气隔离电路、冷端补偿电路、微控制器、RS-485收发器、第二电气隔离电路和电源电路，所述A/D转换电路具有多路热电偶输入通道，所述热电偶输入通道上设置有对热电势进行处理的抗混叠滤波器，所述数字量输出电路具有多路数字量输出通道，所述A/D转换电路的输出端和数字量输出电路的输入端分别通过第一电气隔离电路连接至微控制器，所述冷端补偿电路与微控制器连接，所述RS-485收发器通过第二电气隔离电路连接至微控制器，所述电源电路为整个模块提供稳定的工作电压。
2.根据权利要求1所述的基于RS-485的多路热电偶采集多路数字量输出模块，其特征在于：还包括看门狗电路，所述看门狗电路与微控制器连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于RS-485的多路热电偶采集多路数字量输出模块，其特征在于：还包括EEPROM存储器，所述EEPROM存储器与微控制器连接。
4.根据权利要求1所述的基于RS-485的多路热电偶采集多路数字量输出模块，其特征在于：所述热电偶输入通道的输入类型为J型热电偶电压、S型热电偶电压、T型热电偶电压、K型热电偶电压、R型热电偶电压、B型热电偶电压、N型热电偶电压或E型热电偶电压。
5.根据权利要求1所述的基于RS-485的多路热电偶采集多路数字量输出模块，其特征在于：所述数字量输出通道的输出类型为集电极开路门输出。
6.根据权利要求1所述的基于RS-485的多路热电偶采集多路数字量输出模块，其特征在于：所述数字量输出通道的工作模式为用户控制模式或超限报警模式。
7.根据权利要求1所述的基于RS-485的多路热电偶采集多路数字量输出模块，其特征在于：所述第一电气隔离电路包括第一数字隔离器和第二数字隔离器，所述第一数字隔离器的输入端与A/D转换电路的输出端连接，所述第一数字隔离器的输出端与微控制器连接，所述第二数字隔离器的输入端与微控制器连接，所述第二数字隔离器的输出端与数字量输出电路的输入端连接。
8.根据权利要求1所述的基于RS-485的多路热电偶采集多路数字量输出模块，其特征在于：还包括电源指示灯和工作状态指示灯，所述电源指示灯与电源电路连接，所述工作状态指示灯分别与电源电路、微控制器连接。
9.根据权利要求1所述的基于RS-485的多路热电偶采集多路数字量输出模块，其特征在于：所述电源电路包含主电源电路、二级稳压电路和隔离电源电路，所述主电源电路的输出端分别与二级稳压电路的输入端、隔离电源电路的输入端连接，所述隔离电源电路的输出端连接至一稳压器的输入端，所述稳压器的输出端分别连接至A/D转换电路、数字量输出电路和第一电气隔离电路，所述二级稳压电路的输出端分别连接至微控制器、RS-485收发器、第一电气隔离电路和冷端补偿电路。
10.根据权利要求1所述的基于RS-485的多路热电偶采集多路数字量输出模块，其特征在于：所述微控制器采用32位RISC CPU ARM芯片。
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