在化工產業，機械加工，工業制造等領域經常要考慮到溫度對測量或加工的影響，因此對溫度的測量和控制就顯得尤為重要。特別在一些環境惡劣、干擾較強的使用場合，溫度采集裝置的穩定是實現測量與控制的首要環節。本文針對上述背景，設計了通用多通道檢測模塊。
　　
　　1、系統結構和工作原理
　　
　　模塊采用單片機ATmega48為控制核心，多路恒流源測溫電路通過電子開關CD4051與13位A／D轉換器MCP3301相連，通過單片機控制3／8譯碼器74HC138進行通道選擇；模塊通過基于Modbus通信協議的RS485接口與主機通信；并具有一路PWM轉DAC電路。模塊適用于與PLC等主機連接，各通道實時檢測數據保存于各通道的保持寄存器中，當接收到主機讀取命令時將數據發送。整體結構如圖1所示。　　
　　2、系統硬件電路設計
　　
　　系統主要硬件部分控制電路：MCU、溫度測量電路、PWM轉DAC電路、電源電路和RS485通信電路。為了避免外連的通信電路影響內部測量電路，提高抗干擾性能，將通信接口電路通過光藕隔離，且工作電源具有兩路隔離電源，本文采用開關電源，具有效率高、重量輕和體積小的特點，并可兼容交、直流24V供電。本文在硬件部分主要介紹恒流源熱電阻測溫電路以及PWM輸入的DAC電路。
　　
　　2．1熱電阻溫度測量電路
　　
　　本模塊的熱電阻選用鉑電阻Pt100作為溫度傳感器。在-50～+600℃中溫范圍內，與其他熱敏元件相比，鉑電阻溫度傳感器測量準確度高、測量范圍大、穩定性好、抗*力較強。
　　
　　鉑電阻測溫電路主要有兩種：橋式測溫電路和恒流源式測溫電路。
　　
　　橋式測溫電路主要是利用調整電橋的電阻參數，抵消電橋兩端的電壓波動，以突出熱電阻變化引起的電壓，當采用三線制時可以消除引線誤差，但存在非線性誤差和電路相對復雜等問題。
　　
　　恒流源式測溫電路利用穩定電壓給熱電阻以恒定電路流，保證熱電阻上的電壓和其阻值變化成線性關系的。在保證基準電壓源穩定的情況下，可以簡化電路結構，另外根據熱電阻和輸出電壓線性關系，更加有利于溫度的計算和校正。恒流源式測溫的基本應用電路如圖2所示。　　
　　圖2中虛框部分即為恒流源電路。運放U1A將輸入的基準電壓VREF轉換為恒流源，激勵熱電阻RT。熱電阻兩端電壓，經過U1B運放組成的雙端輸入單端輸出放大電路，將信號放大10倍，即輸出期望的檢測電壓信號。該輸出信號通過電子開關與A／D轉換芯片相連。
　　
　　電子開關的通路電阻較小，僅為幾百歐姆，而A／D測量電路一般呈現高阻態，其帶來的誤差可以忽略。
　　
　　檢測精度和模數轉換芯片（A／D）的分辨位數有很大關系，一般單片機內帶的A／D位數分辨率較低（ATmega48內含10位A／D），不適合測量，而高分辨率的A／D芯片價格昂貴。本文兼顧了性能價格比，采用了外擴一片低成本的13位A／D芯片MCP3301。通過改進軟硬件設計，實際測量結果證明可以保證誤差不超過0．5％。
　　
　　2．2PWM轉DAC電路
　　
　　在電子和自動化技術的應用中，也經常需要提供模擬輸出，如變送器和控制器類儀器，經常需要輸出0～10V，0～20mA（或4～20mA）的直流信號。高精度的數模轉換器（DAC）芯片或集成了DAC的單片機價格昂貴。應用單片機的PWM輸出，經過簡單的變換電路實現DAC，可以大大降低電子設備的成本。
　　
　　通過一個低通濾波器就可以把PWM調制的數模轉換信號解調出來，實現從PWM到DAC的轉換ATmega48具有16位定時器的PWM輸出功能，實現的DAC電路輸出精度基本滿足一般的工業控制場合。另外在一些環境惡劣、干擾較強的場合，模擬輸出容易受到干擾，本文通過使用恒流方式驅動電路來提高DAC電路的負載和抗*力。具體原理圖如圖3所示。　　
　　圖3中單片機輸出的PWM電壓，經過基準電源VREF和開關管T1組成的整形電路進行整形，在A點的輸出波形為理想的PWM波形，幅值由基準電源的準確度得到保證，再經過兩級阻容濾波和一級跟隨放大器，在B點得到直流分量，即MCU輸出的調制PWM波在B點得到解調，實現了DAC功能。可得：　　采用三極管T2提高輸出驅動能力，負載RL的電流和流過電阻R9的電流相等，可得：　　由式（3）可以看出無論負載電阻RL的值如何改變，并不影響DAC輸出的電流值，這樣設計的好處是可以方便地更改輸出電阻RL，保證了模擬輸出量值的準確度，提高了負載能力。
　　
　　3、系統軟件設計
　　
　　系統的軟件主要由溫度測量程序和Modbus通信中斷程序組成。
　　
　　測溫程序主要負責溫度采集，主要工作在于建立熱電阻溫度和電阻值的分度表，并判斷每路檢測結果是否出現溫度是否異常，是則重新測量。正確的測量結果將保存于保持寄存器，等待上位機讀取。溫度測量程序流程圖如圖4所示。　　
　　當模塊接受到主機的讀取命令時，則進入通信中斷程序。Modbus協議是應用于工業控制上的一種通用通信協議。主要有兩種通信模式：ASCII和RTU模式。由于在同樣的波特率下，RTU比ASCII能夠傳送更多的數據，因此采用RTU模式來實現模塊的MoSbus通信。它的消息幀格式主要有地址、功能碼、數據、校驗碼構成。Modbus協議的通信中斷程序流程圖如5所示。
　　
　　4、結語
　　
　　本模塊采用了AVR單片機為控制核心，采用外擴一片低成本的13位A／D芯片，通過電子開關切換實現多路測溫電路。設計了一種PWM轉DAC電路。基于Modbus通信協議，通過RS485網路與主機通信。結構簡單，準確度高，通用性好。實際使用中，在高溫和強干擾環境下，模塊仍能正常工作。