CN100451903C - 一种具有保护功能的脉宽调制式温度控制器 - Google Patents

一种具有保护功能的脉宽调制式温度控制器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有保护功能的脉宽调制式温度控制器，包括中央控制单元输出给脉宽调制信号发生器，根据中央控制单元的输出电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号，并输出给保护电路，经保护电路后的输出信号输入驱动和出口保护电路，经驱动和出口保护电路输出信号输出到控制量输出电路，该控制量输出电路输出的控制信号，控制电阻膜的加热电压的通断，温度测量元件检测到的信号再输入中央控制单元，实现温度控制。该控制器电路采用脉宽调制方式实现控制，在硬件设计上采用了保护电路，保证发生故障时电路输出为低电平，停止电阻膜加热。该电路设计简单、体积小、安全可靠，尤其适合航空航天领域等人无法直接干预试验的控制系统。

Description

一种具有保护功能的脉宽调制式温度控制器
技术领域
本发明涉及一种具有保护功能的PWM温度控制器，用于微重力流体试验，也可以应用于航空航天领域内的需要具有保护功能的温度控制电路。
背景技术
温度是各类工业控制生产中常见的、而又十分重要的控制参数。脉宽调制(以下简称PWM)技术的基础是正弦波PWM(SPWM)，其思想是用正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲代替正弦波，即调制波。脉宽调制(PWM)的应用研究一直受到关注，首要是PWM的数字化实现技术。随着微电子技术和电力电子技术的发展，控制系统的数字化已经得到广泛认同的必然趋势。
目前已经研制出各种针对不同控制对象的温度控制系统，但在硬件设计尤其是功率控制部分中存在着一些缺点：硬件结构复杂、分离元件比较多、结构比较封闭、出现故障时往往需要人为参与等，在空间任务中的温度控制系统中，这些缺点更加突出。
在《光学与光电技术》2004年4月第二卷第二期“一种微型高精度PWM温度控制器”中做了介绍，其温度控制器由温度传感器驱动及信号变换电路、信号放大和PID调节回路、热电制冷器TEC驱动电路等组成，除采用了放大器OPA2340、由Burr-Brown公司(现已经被TI收购)生产的专门用于TEC温度控制的精密前端放大器INA330、和一个单声道BTL模式的D类音频功率放大器，另外还使用了大量的阻容器件，如图1所示。一方面，有的器件没有军级以上等级的器件，无法在空间任务中应用，另一方面，该控制器没有保护功能，无法满足空间任务的特殊需求。
微重力流体科学实验研究是载人空间活动的主要项目之一，意义重大。被控对象为进行微重力流体科学实验的液池，控制元件电阻膜安装在实验液池上端，液池为40mm×30mm×42mm的立方体，内部装有液体，用电阻膜加热器在实验液池两端建立温度梯度场。液池是微重力流体科学实验的关键部件，不仅是液滴迁移实验的场所，其本身就是一个干涉系统，为了保证系统的工作稳定性，要求控制电路必须是无人自动控制、自动应对故障，保证液池安全、可靠地工作。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中存在的缺陷，从而提供一种适用于微重力流体科学实验的温度控制器，该温度控制器特别适用于航空航天系统中体积小、费用低、可靠性高的、不需要人为参与的带有自动保护功能的温度控制器。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的具有保护功能的脉宽调制式温度控制器，包括：
一中央控制单元1，该中央控制单元根据被控对象的设定温度和实际温度之差，根据控制算法计算出在一个脉宽调制周期T内电路需要输出电阻膜加热的高电平时间t；
一脉宽调制信号发生器2，根据中央控制单元1输出的电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号，脉宽调制信号发生器2的上电初始状态为低电平，即为电阻膜不加热的安全态；
保护电路3，设计输出脉冲的宽度TW，使其大于脉宽调制信号周期的n倍，即TW＞nT，用于保证发生故障时输出为低电平，停止电阻膜加热；
驱动和出口保护电路4，使输出信号具有一定的驱动能力，并具有出口保护的作用；
控制量输出电路5，将脉宽调制信号输出，以控制电阻膜加热电压的通断；
温度测量模块6，采集被控对象电阻膜的温度，送入中央控制单元1；
中央控制单元1输出给脉宽调制信号发生器2，根据中央控制单元1的输出电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号，并输出给保护电路3，经保护电路3后的输出则为具有保护功能的控制信号的输出量，该控制信号输入驱动和出口保护电路4，该信号具有一定的驱动能力，并具有出口保护的作用，并输出到控制量输出电路5，该控制量输出电路5输出的控制信号，控制电阻膜的加热电压的通断，温度测量元件检测到的信号再输入中央控制单元1，实现温度控制。
在上述的技术方案中，所述的脉宽调制信号发生器2，采用一片D触发器，一个电阻R1与一个电容C1并联后与D触发器电连接；其中电阻R1和电容C1的连接决定了将上电的初始状态设定为低电平，即为电阻膜不加热的安全态，根据中央控制单元1输出的电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号，如图3所示。
在上述的技术方案中，所述的保护电路3包括：采用一片可重触发的单稳触发器，一个或门、和一个电阻R2与一个电容C2串联，再与可重触发的单稳触发器电连接，电阻R2与可重触发的单稳触发器电连接；可重触发的单稳触发器的输出和脉宽调制信号发生器2中的D触发器的输出共同作为或门的输入端，或门的输出则为具有保护功能的控制信号的输出量，如图3所示。通过调整可重触发的单稳触发器的外接阻容器件，设计输出脉冲的宽度TW，使TW＞nT，保证发生故障时，诸如CPU死、失控等连续出现高电平加热时，防止无控制的持续加热电阻膜烧毁仪器。
在上述的技术方案中，所述的驱动和出口保护电路4，采用达林顿电路和在达林顿电路输出端连接一个上拉电阻，如图3所示。
在上述的技术方案中，所述的温度测量模块6，采集被控对象电阻膜的温度，送入中央控制单元1；
本发明的优点在于：
本发明涉及一种具有保护功能的PWM温度控制器，该温度控制器采用脉宽调制方式实现控制，控制元件为电阻膜，电路输出的高电平控制信号为电阻膜加热，低电平控制信号为电阻膜不加热，通过调整脉宽调制信号的占空比改变加热程度，上电初始状态输出为电阻膜不加热的安全态。当发生故障时，诸如CPU死、失控等连续出现高电平时，无控制的持续加热电阻膜会烧毁仪器，为此，在硬件设计上采用了保护电路，保证发生故障时电路输出为低电平，停止电阻膜加热。该电路设计简单、体积小、安全可靠，尤其适合航空航天领域等人无法直接干预试验的控制系统。
本发明提供的具有保护功能的PWM温度控制器结构简单，体积小、功耗低、重量轻，适应空间实现。该温度控制器控制稳定度高，安全可靠，不需要人的参与，降低了系统复杂度，易于系统化尤其是空间系统的实现。
附图说明
图1是已有温度控制器电路图
图2是本发明的具有保护功能的PWM温度控制器组成框图
图3是本发明的M温度控制器中的保护电路的组成框图
图4是本发明的M温度控制器的脉宽调制信号时序图
图面说明：
中央控制单元-1；  脉宽调制信号发生器-2；
保护电路-3；      驱动和出口保护电路-4；
控制量输出电路-5；温度测量模块-6；
具体实施方式
参考图2，制作一本发明的具有保护功能的PWM温度控制器。
中央控制单元1采用单片机，该单片机根据被控对象的设定温度和实际温度之差，和PID控制算法计算出在一个脉宽调制周期T内电路需要输出电阻膜加热的高电平时间t；即得到控制量u，在一个脉宽调制周期T内的前t时间内输出高电平给脉宽调制信号发生器2，在T-t时间内输出低电平给脉宽调制信号发生器2。中央控制单元1使用2个定时器定时，t时间到输出低电平给脉宽调制信号发生器2，T时间到输出高电平给脉宽调制信号发生器2。根据不同的温度差计算出不同的控制量，来改变被控对象电阻膜的接通时间。
如图3所示，脉宽调制信号发生器2硬件设计采用了一片D触发器和一个电阻R1(4.7k)、一个电容C1(0.1μ)；一个电阻R1与一个电容C1并联后与D触发器电连接；电阻R1和电容C1的阻值决定了将上电的初始状态设定为低电平，即为电阻膜不加热的安全态，根据中央控制单元1输出的电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号。
如图3所示，保护电路3采用了一片可重触发的单稳触发器、一个或门、外接一个电阻R2(510k)、和一个电容C2(0.33μ)；可重触发的单稳触发器的输出和脉宽调制信号发生器2中的D触发器的输出共同作为或门的输入端，或门的输出则为具有保护功能的控制信号的输出量。
如图4所示，通过调整可重触发的单稳触发器的外接阻容器件R2和C2，设计输出脉冲的宽度TW，输出脉冲的宽度TW＝0.7×C2×R2，使TW＞nT，保证发生故障时，诸如CPU死、失控等连续出现高电平加热时，防止无控制的持续加热电阻膜烧毁仪器。
如图3所示，驱动和出口保护电路4采用达林顿电路和一个上拉电阻R3，使控制量信号的驱动能力增大，并具有出口保护的功能。
如图3所示，控制量输出电路5，采用射极反应器，根据控制量信号控制电阻膜加热电压的通断。
采用单片机为中央控制单元1，中央控制单元1根据被控对象的设定温度和实际温度之差，和一定的控制算法计算出在一个脉宽调制周期T内电路需要输出电阻膜加热的高电平时间t，即控制量，在一个脉宽调制周期T内的前t时间内输出高电平给脉宽调制信号发生器2，在T-t时间内输出低电平给脉宽调制信号发生器2。使用2个定时器定时，t时间到输出低电平给脉宽调制信号发生器2，T时间到输出高电平给脉宽调制信号发生器2的D触发器，根据中央控制单元1的输出电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号，D触发器一路输出给保护电路3的或门，另一路输出给保护电路3的可重触发的单稳触发器，可重触发的单稳触发器输出到或门，经保护电路3或门输出则为具有保护功能的控制信号的输出量，该控制信号输入驱动和出口保护电路4的达林顿电路，达林顿电路的输出端外接一上拉电阻R3，达林顿电路与一开关控制模块做控制量输出电路5电连接，该控制量输出电路5输出信号具有一定的驱动能力，并具有出口保护的作用，该控制量输出电路5输出的控制信号，直接控制控制电阻膜的加热电压的通断，温度测量元件检测到的信号再输入中央控制单元1，实现温度控制。

Claims (5)

1.一种具有保护功能的脉宽调制式温度控制器，包括：脉宽调制信号发生器(2)、
温度测量元件(6)；其特征在于，还包括：
中央控制单元(1)，根据被控对象的设定温度和实际温度之差，和PID控制算法计算出在一个脉宽调制周期T内电路需要输出电阻膜加热的高电平时间t；
保护电路(3)，设计输出脉冲的宽度TW，使其大于脉宽调制周期的n倍，即TW＞nT，用于保证发生故障时输出为低电平，停止电阻膜加热；
驱动和出口保护电路(4)，使输出信号具有一定的驱动能力，并具有出口保护的作用；
控制量输出电路(5)，将脉宽调制信号输出，以控制电阻膜加热电压的通断；
所述的脉宽调制信号发生器(2)，根据中央控制单元(1)输出的电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号，脉宽调制信号发生器(2)的上电初始状态为低电平，为电阻膜不加热的安全态；
所述的温度测量元件(6)，采集被控对象电阻膜的温度，送入中央控制单元(1)；
其中中央控制单元(1)输出给脉宽调制信号发生器(2)，根据中央控制单元(1)的输出电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号，并输出给保护电路(3)，经保护电路(3)后的输出则为具有保护功能的控制信号的输出量，该控制信号输入驱动和出口保护电路
(4)，并输出到控制量输出电路(5)，该控制量输出电路(5)输出的控制信号，控制电阻膜的加热电压的通断，温度测量元件(6)检测到的信号再输入中央控制单元(1)，实现温度控制。
2.按权利要求1所述的具有保护功能的脉宽调制式温度控制器，其特征在于：所述的中央控制单元(1)为单片机。
3.按权利要求1所述的具有保护功能的脉宽调制式温度控制器，其特征在于：所述的脉宽调制信号发生器(2)，采用一片D触发器，一个电阻(R1)与一个电容(C1)并联后与D触发器电连接；其中电阻(R1)和电容(C1)的连接将上电的初始状态设定为低电平，根据中央控制单元(1)输出的电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号。
4.按权利要求1所述的具有保护功能的脉宽调制式温度控制器，其特征在于：所述的保护电路(3)包括：采用一片可重触发的单稳触发器、一个或门、和一个电阻(R2)与一个电容(C2)；其中所述的可重触发的单稳触发器分别与所述的一个或门、所述的电容(C2)和所述的电阻(R2)电连接，所述的电容(C2)与所述的电阻(R2)串联；可重触发的单稳触发器的输出和脉宽调制信号发生器(2)中的D触发器的输出共同作为或门的输入端，或门的输出则为具有保护功能的控制信号的输出量。
5.按权利要求1所述的具有保护功能的脉宽调制式温度控制器，其特征在于：所述的驱动和出口保护电路(4)，采用达林顿电路和在达林顿电路输出端连接一个上拉电阻。
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