CN210322056U - 一种k型热电偶信号采集系统 - Google Patents

Abstract

一种K型热电偶信号采集系统，属于温度信号采集领域。包括模拟信号调理模块、通信模块、单片机处理模块和电源模块；模拟信号调理模块的输入端与K型热电偶连接，输出端与单片机处理模块的输入端连接，模拟信号调理模块采用至少一路K型热电偶输入通道，模拟信号调理模块用于对K型热电偶采集信号进行滤波、放大及A/D转换；单片机处理模块与通信模块相连接，用于对经A/D转换后的数据进行分析处理，并将处理后的数据传输到通信模块；通信模块用于将从单片机处理模块接收的信号远距离传输到用户终端；电源模块用于对各个模块进行供电。适用于工业中广泛用到K型热电偶对生产各环节温度的监测，保证生产高效、稳定、安全地运行。

Description

一种K型热电偶信号采集系统

技术领域

本实用新型涉及温度信号采集领域，尤其涉及一种K型热电偶信号采集系统。

背景技术

K型热电偶作为一种温度传感器，是工业中应用最为广泛的一种传感器，其结构简单，使用方便，具有较高的准确度、稳定性及复现性，可以直接测量各种生产中从-200℃到1350℃规模的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

热电偶由两种不同成分的导体(称为热电极)，两端接合成回路，当结合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接测量温度的一端称工作端(也称测量端)，另一端称冷端(也称补偿端)，冷端与信号采集系统或配套仪表连接，信号采集系统采集热电偶产生的热电势，经分析处理后可将热电势转换为对应的温度值。

热电偶的测量一般采用直接接触测量的方法，当被测物体表面温度较低时，采用粘接剂将热电偶的结点粘附于物体表面，当被测物体表面温度较高时，采用熔接的方法，将热电偶的头部熔接于物体表面。

目前，K型热电偶信号采集的数据误差较大，精度不高，此外，数据采集速率较低，且不能满足多个数据点同时采集；整体的系统性能不够稳定、抗干扰能力差，不具有隔离功能。

发明内容

本实用新型的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种K型热电偶信号采集系统，在工业生产过程中实现对各个监测点的温度实时监测，保障生产安全及产品品质。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种K型热电偶信号采集系统，包括模拟信号调理模块、通信模块、单片机处理模块和电源模块；

所述模拟信号调理模块的输入端与K型热电偶连接，模拟信号调理模块的输出端与单片机处理模块的输入端连接，模拟信号调理模块采用至少一路K型热电偶输入通道，模拟信号调理模块用于对K型热电偶采集信号进行滤波、放大及A/D转换；

所述单片机处理模块与通信模块相连接，单片机处理模块用于对经A/D转换后的数据进行分析处理，并将处理后的数据传输到通信模块；

所述通信模块用于将从单片机处理模块接收的信号远距离传输到用户终端；

所述电源模块分别与模拟信号调理模块、通信模块、单片机处理模块电连接，电源模块用于对各个模块进行供电。

所述模拟信号调理模块采用16路K型热电偶输入通道，以同时满足接入16路K型热电偶对不同监测点的数据采集；所述模拟信号调理模块采用MAX31855芯片。

所述通信模块采用隔离RS485通信模块。所述隔离RS485通信模块采用SN65176芯片。

所述隔离RS485通信模块通过双绞线连接远处用户终端。

所述隔离RS485通信模块采用总线拓扑方式挂接多个设备，隔离RS485通信模块通过MODBUS通信协议与所述设备传递信息。

所述单片机处理模块采用PIC18F2525芯片。

所述电源模块采用采用MC34063芯片，转换方式为DC/DC方式，输入电压范围为8～30V，输出电压为+5V。

相对于现有技术，本实用新型技术方案取得的有益效果是：

1、本实用新型所述模拟信号调理模块采用16路K型热电偶输入通道，可同时满足接入16路K型热电偶对不同监测点的数据采集，效率高，成本低；

2、本实用新型采用具备冷端补偿、校正电路的数据转换器MAX31855芯片，具有冷端补偿、校正电路、放大电路和A/D转换，采集信号精度高，误差小；

3、所述隔离RS485通信模块既能实现高速的数据收发功能，又可实现外部电磁干扰、各种强电干扰与内部系统的隔离，实现系统的稳定性，此外，可实现与单片机处理模块发送数据与接收数据的半双工通信；

4、本实用新型适用于工业中广泛用到K型热电偶对生产各环节温度的监测，可保证生产高效、稳定、安全地运行。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为隔离RS485通信模块的电路图；

图3为单片机处理模块的电路图；

图4模拟信号调理模块的电路图；

图5为电源模块的电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型做进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型实施例包括模拟信号调理模块、隔离RS485通信模块、单片机处理模块和电源模块；

所述模拟信号调理模块的输入端与K型热电偶连接，模拟信号调理模块的输出端与单片机处理模块的输入端连接，模拟信号调理模块采用至少一路K型热电偶输入通道，模拟信号调理模块用于对K型热电偶采集信号进行滤波、放大及A/D转换；

所述单片机处理模块与通信模块相连接，单片机处理模块用于对经A/D转换后的数据进行分析处理，并将处理后的数据传输到隔离RS485通信模块；

所述隔离RS485通信模块用于将从单片机处理模块接收的信号远距离传输到用户终端；

所述电源模块分别与模拟信号调理模块、隔离RS485通信模块、单片机处理模块电连接，电源模块用于对各个模块进行供电。

如图4所示，所述模拟信号调理模块采用16路K型热电偶输入通道，以同时满足接入16路K型热电偶对不同监测点的数据采集，如果用户检测点多于16个，也可采用RS485组网方式，在RS485总线上挂接本实用新型系统，满足用户多点检测需求；

所述模拟信号调理模块采用MAX31855芯片；K型热电偶的正负极分别接入到接线端子J2的T+、T-端，再将每一路T+、T-端连接到对应的MAX31855芯片3、2引脚，MAX31855芯片内嵌14bit A/D转化器，包含冷端补偿、校正电路、放大电路和串行通信接口，MAX31855芯片将K型热电偶的输出电压经过放大后与芯片内部冷端二极管电压相加，输入到A/D转化器中，并输出14bit的结果到SO引脚。

K型热电偶的输入端采用两个反向并联二极管1N4148，为防止输入电压由于特殊原因(如监测点处发生漏电，导致电流通过热电偶流入到本系统中)超过±0.7V时使二极管导通，电压被限制在±0.7V之间，保护后级电路安全，后级电容起到滤波作用，将高频杂波去除。

本实施例采用具备冷端补偿、校正电路的数据转换器MAX31855芯片，K型热电偶输出电压公式Vout＝(41uV/℃)X(TR-TAMB)，其中Vout为K型热电偶输出电压，TR为K型热电偶测量端温度(热端温度)，TAMB为环境温度(冷端温度)。K型热电偶冷端温度在-20～85℃范围内，当冷端温度波动时，MAX31855芯片也能精确的感知K型热电偶两端的温度差，MAX31855芯片可以感知并修正冷端温度的变化，其原理为内部采用热敏二极管将环境温度转换为电压，MAX31855芯片内部电路会将热电偶输出电压与热敏二极管电压传到A/D转化器中，以计算热电偶测量端温度。

如图2所示，所述隔离RS485通信模块采用TI公司的SN65176芯片，SN65176芯片1、4引脚实现与单片机处理模块的数据收发功能，SN65176芯片与单片机处理模块的连接中间采用高速光耦TLP114A，既能实现高速的数据收发功能，又可实现外部电磁干扰、各种强电干扰与内部系统的隔离，实现系统的稳定性，芯片2、3引脚连接到一起，实现与单片机处理模块发送数据与接收数据的半双工通信，即发送数据与接收数据不能同时进行，本实施例采用普通光耦EL357B实现外部设备与本系统的隔离。

所述隔离RS485通信模块通过双绞线连接远处用户计算机、PLC等设备，也可总线拓扑方式挂接多个设备，通过MODBUS通信协议实现与多台设备的信息交流，采用RS485通信方式其通信距离可达1200米，满足用户多相距较远设备控制的需求。由于工业环境复杂，电磁干扰强烈，采用光耦隔离的方式能将电磁干扰及外部强电与本系统内部有效隔离，达到系统稳定运行。

如图3所示，所述单片机处理模块采用采用MICROCHIP公司的PIC18F2525芯片，该单单片机处理模块内部集成通用GPIO引脚、USART、SPI、IIC、flash功能外设，满足对信号调理模块转换后的数据进行接收、存储、计算及传输功能；16路MAX31855芯片的输出引脚SO连接到PIC18F2525芯片的GPIO引脚上，起到读取数据的作用，将16路MAX31855芯片的SCK引脚和

引脚分别连接到一起后连至PIC18F2525芯片3、4引脚中。

引脚平时处于高电平，单片机通过拉低

并输出时钟信号到每一路MAX31855芯片的SCK引脚，即可在每一路MAX31855芯片的SO引脚读取结果。

如图5所示，所述电源模块采用采用MC34063芯片，转换方式为DC/DC方式，其输入电压可为2.5～40V，本实施例中输入电压范围为8～30V，满足与工业中所使用的各种电源相匹配，通过一个整流二极管D13串接于输入中，起到防止电压回馈回输入端，输入电压到芯片6脚，经内部DC/DC变换及采样电压与内部电压基准电压比较后可输出稳定的+5V电压，再经两路隔离电源变换器B0505LS，输出两路单独的+5V电源，其中一路给隔离RS485通信模块供电，另一路给模拟信号调理模块和单片机处理模块供电，从而保证系统正常运行。

Claims (9)

1.一种K型热电偶信号采集系统，其特征在于：包括模拟信号调理模块、通信模块、单片机处理模块和电源模块；

所述模拟信号调理模块的输入端与K型热电偶连接，模拟信号调理模块的输出端与单片机处理模块的输入端连接，模拟信号调理模块采用至少一路K型热电偶输入通道，模拟信号调理模块用于对K型热电偶采集信号进行滤波、放大及A/D转换；

所述单片机处理模块与通信模块相连接，单片机处理模块用于对经A/D转换后的数据进行分析处理，并将处理后的数据传输到通信模块；

所述通信模块用于将从单片机处理模块接收的信号远距离传输到用户终端；

所述电源模块分别与模拟信号调理模块、通信模块、单片机处理模块电连接，电源模块用于对各个模块进行供电。

2.如权利要求1所述的一种K型热电偶信号采集系统，其特征在于：所述模拟信号调理模块采用16路K型热电偶输入通道，以同时满足接入16路K型热电偶对不同监测点的数据采集。

3.如权利要求1所述的一种K型热电偶信号采集系统，其特征在于：所述模拟信号调理模块采用MAX31855芯片。

4.如权利要求1所述的一种K型热电偶信号采集系统，其特征在于：所述通信模块采用隔离RS485通信模块。

5.如权利要求4所述的一种K型热电偶信号采集系统，其特征在于：所述隔离RS485通信模块通过双绞线连接远处用户终端。

6.如权利要求4所述的一种K型热电偶信号采集系统，其特征在于：所述隔离RS485通信模块采用总线拓扑方式挂接多个设备，隔离RS485通信模块通过MODBUS通信协议与所述设备传递信息。

7.如权利要求4所述的一种K型热电偶信号采集系统，其特征在于：所述隔离RS485通信模块采用SN65176芯片。

8.如权利要求1所述的一种K型热电偶信号采集系统，其特征在于：所述单片机处理模块采用PIC18F2525芯片。

9.如权利要求1所述的一种K型热电偶信号采集系统，其特征在于：所述电源模块采用采用MC34063芯片，转换方式为DC/DC方式，输入电压范围为8～30V，输出电压为+5V。

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