等离子处理炉温度采集系统的设计

　　1　系统工作原理

　　在等离子处理炉温度采集系统中需要对几百摄氏度的炉温进行采集,且由于是等离子加工,被加工工件也带有近千伏电压。但通常的弱电中央控制设备、人机界面对操作者而言又必须工作在安全温度及安全电压范围内,这就需要对温度采集系统与中央控制设备、人机界面进行隔离。通常隔离有磁和光两种方式:磁隔离常用来传递简单开关量;对于复杂的数字、模拟信号采用光隔离。以往同类设计中采用隔离放大器,这样成本较高。而本设计采用对高压侧温度信号进行放大,滤波,再由单片机将数值进行A/D转换后经光耦由串口传输到温度采集控制模块,这样既起到隔离作用又可降低成本。在此系统中温度采集模块还有温度显示、温度报警值输入以及报警功能。系统结构框图如图1所示。

　　2　系统硬件设计

　　针对被控制对象选择Atmel公司的AVR系列中的Mega8、Mega16作为温度采集系统的控制器。AVR系列采用精简指令集(RISC),并且具有强大运算功能和完善的硬件接口等特点。系统的硬件原理图如图2所示。

图2　系统硬件原理图

　　(1)信号采集部分设计

　　温度传感器采集温度信号后,经过放大、滤波后,送入Mega8的A/D输入端口。经A/D转换后再进行数据处理,最后等待采集控制模块运用串口(USART)来读取。温度传感器(PTC1)采用端面热电阻。它的主要特性是精度高、性能稳定。端面热电阻由特殊处理的电阻丝绕制,可以紧贴在被测表面。能够准确、快速反映出被测表面实际温度。由于热电阻随温度变化产生的是一个电阻信号,当温度升高时电阻值增大。因此必须将PTC1接成电桥,将其阻值变化转换为电压变化信号。再将这个电压信号放大到0~2.5V范围,然后送Mega8内置A /D转换电路。信号放大部分采用高输入阻抗运算放大器构成(由LM324的A、B、C部分实现)。信号放大后经过一级二阶低通滤波(由LM324的D部分实现),滤除等离子处理炉的大功率部分的高频干扰。

　　(2)信号采集控制设计

　　本设计运用串口(USART)完成采集控制模块与采集模块的通讯,采用一主多从方式,实现一个控制模块与多个采集模块的数据交换。采集控制模块可以将多个采集模块传输来的数据进行汇总、加工,然后通过I2C总线与主控板联系。对异常现象及时触发报警线路,并且通知主控CPU纠正错误。使用采集控制模块可以较大程度降低主控CPU负担,并且可以直观显示各点温度、设定报警上下限。

　　(3)隔离电源部分设计

　　因为本系统与等离子处理炉的高频大功率高频部分共同接入电网。高频大功率部分相对市电而言是很大的干扰源,它内含的高次谐波足可以干扰传统的线形电源,所以本系统采用开关电源供电。开关电源具备体积小,输入电压范围广,效率高等优点。主控IC采用PI的TNY274,它外围线路简单,可靠性高,易于调试。输出有两组电源: 1#采集板的1#+5V与主控板的M+5V。它们相互绝缘,且要通过高压测试。T1的变压器设计应注意绝缘。