CN101710247B - 一种定时恒定温度控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定时恒定温度控制器，属于控制器领域。控制器包括：电源电路、MCU主控制电路、温度检测电路、液晶显示电路、按键电路、控制输出电路、跳线电路和负载接口电路；电源电路与MCU主控制电路和温度检测电路相连；电源电路输出端和MCU主控制电路相连，MCU主控制电路和控制输出电路相连，控制输出电路及跳线电路分别和负载接口电路相连；负载接口电路的输出端连接负载；液晶显示电路和MCU主控制电路相连；人机接口电路通过按键电路和MCU主控制电路相连；温度检测电路连接MCU主控制电路。本发明提供的温度控制器，解决了对节能的需求，减少了安全隐患，实现了用户可以根据自身意愿调控所需的参数，提高了用户体验，满足了实际应用中的需要。

Description

一种定时恒定温度控制器

技术领域

本发明涉及控制器领域，特别涉及一种定时恒定温度控制器。

背景技术

温度控制器的发展大致经历了机械式、电子式和智能式三个阶段。早期的机械式温度控制器大多是利用双金属片的热胀冷缩原理制成，其典型代表如双金属片温控器。机械式温度控制器具有价格低、结构简单的优点；但它的温漂较大，控制误差较大，控制精度较低，难以满足社会发展的需要。随着电子技术的发展在机械式温度控制器的基础上出现了电子式温度控制器，它是利用采样电路进行温度检测，通过逻辑电路控制输出，进而调整温度使其达到设定值。电子式温度控制器的控制精度较机械式有了大幅提高，但仍然不能实现温度的高精度控制，其逻辑电路的抗干扰能力也较弱、元器件容易损坏，导致其可靠性不高。

为进一步解决机械式和电子式温度控制器存在的问题，现有技术又提出了智能式温度控制器，能够提供更精确、更可靠的控温保障，不仅具有使用方便、操作简单、集成度高和功能完备等优点，而且大大提高了被控温度参数的控制精度，提高了产品的质量和经济效益。

发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术至少存在以下缺点：

1、不能很好地满足对节能的需求；

2、现有温度控制器多以220/120伏系统为主，将它应用在家庭中会造成一定程度上的安全隐患。

3、现有的温度控制器能调节的参数较少，无法对所服务的根本对象“人”做出最合适的调节，导致调控的温度和人们所需求的真实温度存在差异。

发明内容

为了实现用户可以根据自身意愿调控所需的参数，减少安全隐患，又可实现对能源的节省，本发明实施例提供了一种定时恒定温度控制器，所述技术方案如下：

一种定时恒定温度控制器，所述控制器包括：电源电路、MCU主控制电路、温度检测电路、液晶显示电路、按键电路、控制输出电路、跳线电路和负载接口电路；

所述电源电路通过导线与所述MCU主控制电路和温度检测电路相连；所述电源电路输出端和所述MCU主控制电路相连，所述MCU主控制电路和所述控制输出电路相连，所述控制输出电路及所述跳线电路分别和所述负载接口电路相连；

所述负载接口电路的输出端连接负载；所述液晶显示电路和所述MCU主控制电路相连；人机接口电路通过所述按键电路和所述MCU主控制电路相连；所述温度检测电路连接所述MCU主控制电路；

其中，所述温度检测电路使得测得的当前温度与转换到单片机中的数字量呈线性对应关系；

所述电源电路主要包括：两节AA碱性电池、稳压管、电容C3、E2、E1、C2、C6、C7、C8、C9；

所述两节AA碱性电池用于供电，所述电容C3、E2用于稳定供电电压、消除杂波，所述C3、E2和所述稳压管的基极相连，所述稳压管用于将电源电压稳压在2.5V，所述电容E1、C2、C6、C7、C8、C9用于二次滤波、去除干扰，向所述MCU主控制电路供电，供电电压VDD＝2.5V，电源电路的输入电压为Vin＝3～0V，液晶显示屏的驱动电压为2.5V，温度传感器检测的当前温度值也需要转换成0～2.5V的电压信号，当2.5V≤Vin≤3V时，VDD＝2.5V，温度控制器处于正常工作状态；当2.1V≤Vin＜2.5V时，2.1V≤VDD＜2.5V，显示缺电标志，提醒用户更换电池；当2V≤Vin＜2.1V时，2V≤VDD＜2.1V，显示故障代码，必须更换电池；当0V＜Vin＜2V时，VDD＜2V，温度控制器不能工作；

所述按键电路分为模式选择按键电路、风扇选择按键电路、UP和DOWN按键电路四个部分，风扇选择按键电路由自动模式子电路和连续模式子电路构成，其中，当风扇工作在自动模式时，若风扇连接的负载设备为电热炉时，则风扇只能工作在制热/制冷操作被激活的状态；若风扇连接的负载设备为气/油加热炉时，当模式选择按键置于COOL时，风扇只工作在制冷激活的状态；当模式选择按键置于HEAT时，风扇由热炉风扇控制电路控制；其中，风扇工作在连续模式时，则风扇一直处于工作中；

所述跳线电路用于区分且控制不同的负载设备，在风扇置于自动模式时，若连接的负载设备是电热炉，则跳接到HE跳线，这时风扇只工作在制热/制冷操作激活的状态；若连接的负载设备是气/油加热炉，则跳接到HG跳线上；

所述控制器还包括：主程序、上电初始化子程序、周期自检子程序、LCD显示子程序、参数查看子程序、参数设置子程序、电池电量报警子程序、制热子程序、制冷子程序和故障处理子程序。

所述控制器的功耗低、精度高，所述精度为0.5摄氏度或1华氏度。

所述负载接口电路采用超低功耗的继电器作为核心器件，当所述控制输出电路有信号输出时，所述继电器相应地吸合或松开，将所述控制器的控制信息输出给负载。

所述MCU主控制电路具体包括：时钟源、存储模块、采样保持模块、A/D模块、比较模块、液晶驱动模块、故障诊断模块。

所述控制输出电路用于将单片机的数字控制信号转换成直接驱动负载的信号。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

通过对硬件电路和软件程序的设计，解决了对节能的需求，减少了安全隐患，实现了用户可以根据自身意愿调控所需的参数，增加了用户体验，满足了实际应用中的需要。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种定时恒定温度控制器的结构框图；

图2是本发明实施例提供的一种定时恒定温度控制器的控制原理图；

图3是本发明实施例提供的一种定时恒定温度控制器的电源电路图；

图4是本发明实施例提供的一种定时恒定温度控制器的MCU主控制电路和按键电路图；

图5是本发明实施例提供的一种定时恒定温度控制器的MCLR电路图；

图6是本发明实施例提供的一种定时恒定温度控制器的温度检测及温度修正电路图；

图7是本发明实施例提供的一种定时恒定温度控制器的液晶显示电路示意图；

图8是本发明实施例提供的一种定时恒定温度控制器的模式选择按键电路图；

图9是本发明实施例提供的一种定时恒定温度控制器的风扇选择按键电路图；

图10是本发明实施例提供的一种定时恒定温度控制器的跳线电路图；

图11是本发明实施例提供的一种定时恒定温度控制器的控制输出电路图；

图12是本发明实施例提供的一种定时恒定温度控制器的负载接口电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步的详细描述。

定时恒定温度控制器的硬件电路是一种标准的ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit，专用集成电路)，提供了一种小型且具有高成本效益比的温控器，它主要由电源电路、MCU(Micro Controller Unit，微控制单元)主控制电路、温度检测电路、液晶显示电路、按键电路、控制输出电路、跳线电路和负载接口电路等几部分组成，其整体结构框图如图1所示。

其中，定时恒定温度控制器可以在0～35℃之间稳定而准确地控制温度，其控温精度可达0.5℃(1°F)，控制的目标温度和循环时间两种被控参数可以通过UP和DOWN按键随时在线查看和在线修改，实现温度控制器人性化管理的理念，实现设定参数的智能化和舒适化控制，其控制原理如图2所示。

电源电路通过导线和MCU主控制电路相连；电源电路输出端和MCU主控制电路相连，MCU主控制电路和控制输出电路相连，控制输出电路和跳线电路分别和负载接口电路相连；负载接口电路的输出端连接负载；液晶显示电路和MCU主控制电路相连；人机接口电路和按键电路相连，按键电路和MCU主控制电路相连；温度检测电路连接MCU主控制电路。

为了更详细的描述本发明实施例提供的控制器，下面对各个电路进行详细说明，详见如下：

一、电源电路

参见图3，定时恒定温度控制器的电源采用两节AA碱性电池(1.5V/节)供电，在使用过程中电池电量将逐渐减少，2V电压是采用PIC16F913单片机的产品可以工作的最低限度，为了尽可能地延长控制器的使用时间，在电源电路的设计中采用了由MCP1700-2.5型稳压管构成的稳压电路，其中，也可以采用其他型号的稳压电路，例如as1117、tc2185、mcp1702等，具体实现时本发明实施例对此不做限制。具体连接方式为：电源电路主要包括：两节AA碱性电池、稳压管、电容C3、E2；两节AA碱性电池用于供电，电容C3、E2用于稳定供电电压、消除杂波，C3、E2和稳压管的基极相连，稳压管用于将电源电压稳压在2.5V，向MCU主控制电路供电。温度控制器正常工作的情况下，电源电路的输入电压为Vin＝3～0V，经过电容C3滤波后输入MCP1700稳压管，经稳压管稳压后输出2.5V电压，然后通过电容E1、C2、C6、C7、C8、C9完成二次滤波再向系统供应V_DD＝2.5V的恒定直流电压。设计系统中各个子电路时，所有器件的参数都要与2.5V电压相配合，例如液晶屏的驱动电压为2.5V，温度传感器检测的当前温度值也需要转换成0～2.5V的电压信号等。

当2.5V≤V_in≤3V时，V_DD＝2.5V，系统处于正常工作状态；

当2.1V≤V_in＜2.5V时，2.1V≤V_DD＜2.5V，显示缺电标志，提醒用户更换电池；

当2V≤V_in＜2.1V时，2V≤V_DD＜2.1V，显示故障代码，必须更换电池；

当0V＜V_in＜2V时，V_DD＜2V，由于2V电压是采用PIC16F913单片机的可以工作的最低限度，故系统不能工作。

二、MCU主控制电路

参见图1、图4，MCU主控制电路主要包括：时钟源、存储模块、采样保持模块、A/D模块、比较模块、液晶驱动模块、故障诊断模块。

其中，MCU主控制电路的中央处理计算机选择Microchip的PIC16F913单片机，该型单片机具有高耐用的闪存/E2PROM存储模块，E2PROM所保存的数据存储时间可以大于40年，程序存储器的可用空间多达14×4K，存储模块中含有代码保护功能，极大地提高了数据存储的安全性。低功耗的PIC16F913单片机可以正常工作在从2V到5.5V的宽电压范围内，适合电池供电系统(电量逐渐走低)设计的需要。定时恒定温度控制器的设计采用PIC16F913单片机内部时钟源作为整个电路系统的SCS(System Clock Selection，系统时钟源)，选择单片机内置的8MHz HFINTOSC(High-Frequency Internal Oscillator，高频内部振荡器)为系统的时钟源配置，该内部晶振模块可以通过软件调整频率，使该温控器晶振电路成为最可靠的电路。PIC16F913单片机内置有16位的比较模块，比较模块由两个比较器组成，其输入引脚与I/O端口引脚RA0和RA3复用，输出引脚与I/O端口引脚RA4和RA5复用；比较器的一个输入为内部产生的参考电压(CV_REF)。比较模块中的一个比较器负责当前实际温度与目标温度的实时比较，给出温度差值ΔT，ΔT＝目标温度-实际温度；另一个比较器负责循环时间的实时比较，得出时间差值Δt。定时恒定温度控制器采用分时间段循环的控制方式对温度误差ΔT进行调节，使实际温度始终保持在目标温度。

PIC16F913单片机内置了故障诊断模块，故障诊断模块可以连续检测系统的运行情况，例如检测到TEMPE＝V_DD时，给出故障代码“98”；检测到V_DD＜2.1V时，给出故障代码“99”等。在MCU主控制电路中设置了一个噪声滤波器，可以检测并滤除干扰脉冲，干扰脉冲可以通过此电路及时进行泄放，参见图5。在正常工作时引脚上的电压如果超过规范值，以及在ESD(Electro-Static discharge，静电保护)中产生的电流超过器件的规范值，为了避免系统受到损伤，都会导致

复位(例如当V_DD＜2V时，也被置低有效，此时系统处于复位状态，不再正常工作。只有当电压等参数再次满足了器件的工作参数，才会退出复位状态，确保正常工作)。

在单片机内被连接到VDD，通过软件清零配置寄存器中的MCLRE位，可以将使能MCLR引脚的内部电位弱上拉，上拉后减少系统的功耗，最大程度地利用能源。

具体连接方式为：单片机PIC16F913的引脚1为图5所示的电路，引脚2、3用于连接温度检测电路。引脚25、26、4、5是液晶显示电路的公共端；引脚21-24，以及6，7为液晶显示电路的段引脚，用于连接液晶显示电路。引脚11-13用来达到液晶显示电路1/3的偏置类型。引脚9、10、14用于连接工作模式选择开关，接收用户向单片机发出的制热、制冷或者风扇连续运行的信号。引脚15、16用来接收按下up、down按钮时，判断用户是在线查看参数还是设置参数。引脚17、18用来向控制输出电路传递控制信号，控制负载接口线路的导通。引脚27是复用端，在向单片机调试或者烧制程序时，可以使用；在电路工作时，用来处理与其相连的温度信号，以判断当前的温度状态。

MCU主控制电路是定时恒定温度控制器的核心，它选择PIC16F913单片机的理由如下：

第一、一般来说A/D转换过程的固有缺点就是对电噪声十分敏感，在进行A/D转换时出现的任何噪声往往会被包含在采样到的温度信号数据中，使测量到的数据失去可信性，这导致它们在多数情况下需要校准，而增加系统电路不但会降低系统整体的可靠性，还会增加制造、组装和劳务的成本。因此选用具有集成A/D转换器的PIC16F913单片机就可以很好地克服这个问题。

第二、现代集成电路日益复杂，可靠性是电路系统除性能指标外最重要的技术参数。定时恒定温度控制器采用LCD液晶面板作为人机交互窗口，而液晶显示器需要液晶驱动电路驱动才能使用，在系统中单独配置LCD驱动电路不仅增加了系统的复杂程度，而且增加了成本，但是采用具有集成液晶驱动模块的PIC16F913单片机则完全可以克服这个问题。

第三、多数电路系统常常需要单独配置时钟电路，而PIC16F913单片机本身就具有的高性能8MHz时钟源完全可以与外部时钟电路相媲美，恰到好处地满足系统的需要。

第四、该温控器要求具备掉电记忆和重新上电恢复的功能，PIC16F913单片机内置的E²PROM存储模块提供了用于存储目标温度、循环时间和风扇风量等参数的非易失性存储器。

第五、PIC16F913单片机的集成度高，最大程度地减少了外界对测温准确度的影响，它较强的数据处理能力，较为经济地实现了精确的温度控制。

三、温度检测电路

温度检测电路中温度传感器为玻璃封装的NTC热敏电阻，其一端接电源，一端接高精度电阻，用于监测周围环境的当前温度值。当周围环境温度发生变化后，热敏电阻的阻值就会随之产生一个变化量，通过采样电路的取压，将周围环境温度的变化量转换成电压变化量输出。温度传感器的采样信号经保持后送入模/数转换器(A/D，Analog to Digital converter)转换，此模/数转换器为单片机的内置模块，模/数转换模块采用逐次逼近法产生二进制数据，将信号转换成A/D转换范围内的数字量，并将数据存入片内的寄存器，同时对数据进行线性化处理。处理后的数据交由PIC16F913单片机进行动态管理，将当前的实际温度与目标温度进行比较，如果存在温度差ΔT，就根据温度差进行调节，使实际温度保持在目标温度附近；如果不存在温度差，则保持状态不变。

为了提高温度检测的准确度和系统控制的精确度，在设计硬件电路时，必须保证测得的当前温度与转换到单片机中的数字量呈线性对应关系。在稳定状态下房间温度的变化量一般较小，NTC热敏电阻可以保持在最小功率下，使得它本身阻值的变化一定程度上具有线性。为保证测量温度的准确，提供了具有恒压源性质的电源“a”(见电源部分)。此外，还要在软件算法的设计中进行线性化处理换算。在软件算法设计中根据公式(1)可以计算出热敏电阻阻值和温度的线性化对应关系，热敏电阻阻值与温度的换算公式如(1)所示。NTC热敏电阻阻值与温度成反比，温度越高则热敏电阻的阻值越低；反之，温度越低则热敏电阻的阻值越高。

$R_t=R_{t0}\×\exp \{B\×(\frac{1}{T_t}-\frac{1}{T_{t0}})\}=R_{t0}\×\exp \{B\×(\frac{1}{(t_t+273.15)}-\frac{1}{(t_{t0}+273.15)})\}---\left(1\right)$

式中：T_t0＝t₀+273.15(其中t₀＝25℃为基准室温)，单位是K。

T_t＝t_t+273.15(其中t为实际室温，单位是℃)，单位是K。

R_t0为环境t₀＝25℃时的标称阻值，单位是kΩ；从表1中可知为10kΩ。

表1温度和电阻之间的关系

温度T(℃)	0	5	10	15	20	25
							电阻R(kΩ)	32.654	25.396	19.903	15.714	12.493	10

R_t为环境t_t＝t时的阻值，单位是kΩ。

B为NTC热敏电阻的材料常数，它是反映负温度系数热敏电阻器灵敏度的一个常数，单位是℃；B值越大，热敏电阻器的热灵敏度越高，其公式如(2)所示，计算可得该温控器使用的热敏电阻材料常数为3915.5℃。

$B={(\frac{1}{T_t}-\frac{1}{T_{t0}})}^{-1}\×\ln \frac{R_t}{R_{t0}}=\frac{T_t\×T_{t0}}{T_{t0}-T_t}\×\ln \frac{R_t}{R_{t0}}$

$=\frac{(35+273.15)\×(25+273.15)}{298.15-308.15}\×\ln \frac{6.530}{10.000}---\left(2\right)$

$\≈3915.5$

具有8路模拟输入的温度采样保持电路内置在PIC16F913单片机中，采样保持电路的输出与模数转换模块的输入相连，模/数转换模块(A/D)用于将采样环境温度所得的模拟量转换成单片机能够识别的数字量。单片机内置的模/数转换模块是一个10位的A/D转换器，一次A/D转换是2¹⁰(1024)步，可以将输入的模拟信号转换成表示该信号的10位二进制数据，模/数转换模块的2^-10分辨率与NTC热敏电阻的分辨率相匹配，可使温度检测电路的分辨力达到0.5°F以上。A/D转换模块的参考电压VREF+连接到VDD，参考电压VREF-连接到GND。为了使A/D转换达到规定精度，还必须使充电保持电容(CHOLD)充满至输入通道的电平。可以用公式(3)来计算最小采集时间，公式的误差为1/2LSb，1/2LSb误差是A/D达到规定分辨率所允许的最大误差。

T_ACQ＝放大器稳定时间+保持电容充电时间+温度系数            (3)

＝T_AMP+T_c+T_COFF＝2μs+T_c+[(t-25℃)(0.05μs/℃)]

参见图6，图6中给出了定时恒定温度控制器的温度检测及温度修正电路图，通过该电路图即可实现对温度的检测及对温度的修正。

四、液晶显示电路

LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示电路)主要由液晶显示屏和液晶驱动芯片两部分构成。定时恒定温度控制器需要安装在距地1.5米的室内墙壁上，故采用12点视角方向57×32mm的24段式液晶显示屏，字段式的液晶面板有利于满足产品的美观要求，有利于降低液晶屏的功耗，还有利于降低批量生产的成本。该液晶屏能够适应-20～60℃贮存和-10～50℃环境中正常使用的设计要求，其真值表如表2所示。

表2液晶屏引脚信号的真值表

从表1中可以看出，COM端共分为COM1、COM2、COM3、COM4，参见图7，当COM1和引脚1相通时，可以显示第2个8的d段，当COM1和引脚3相通时，则显示第一个8的d段，同理也它可以控制LCD像素数据，支持3个带有可选择预分频比的LCD时钟源，满足了产品的电路简化设计原则，有利于提高产品的可靠性和减少产品的成本。液晶显示驱动模块使用外部梯形电阻产生液晶偏置电压，LCD偏置电压具有4种电压等级：GND、1/3VDD、2/3VDD和VDD，外部梯形电阻连接到偏置引脚1、偏置引脚2、偏置引脚3和GND，连接偏置引脚3到VDD，偏置引脚1和偏置引脚2被分别配置为1/3VDD和2/3VDD。

五、按键电路

定时恒定温度控制器的按键电路分为模式选择按键电路、风扇选择按键电路、UP和DOWN按键电路四个部分。

参见图8，模式选择按键电路是由制热模式(HEAT)子电路、制冷模式(COOL)子电路、系统关闭(OFF)子电路所构成，当产品置于制冷模式时，压缩机的安全特性会导致须等待5分钟才能开始运行。

参见图9，风扇选择按键电路由自动模式(AUTO)子电路和连续模式(ON)子电路构成，其中，当风扇工作在自动模式时，若风扇连接的负载设备为电热炉时，则风扇只能工作在制热/制冷操作被激活的状态下；若风扇连接的负载设备为气/油加热炉时，当模式选择按键置于COOL时，风扇只工作在制冷激活的状态下；当模式选择按键置于HEAT时，风扇由热炉风扇控制电路控制。其中，风扇工作在连续模式时，则风扇一直处于工作中。其中，如果负载设备是一个二线装置，即进线端没有连接到风扇，则不能使用风扇选择按键。

UP和DOWN按键电路是由两个按钮开关组成的子电路，主要用来查看设置好的目标参数和设置系统控制参数。单击UP按键可以查看HEAT模式中所设置的参数，单击DOWN按键可以查看COOL模式中所设置的参数。双击UP和DOWN按键可以进入系统的配置菜单，更改系统的各种参数设置。

六、跳线电路

定时恒定温度控制器需要调控中央空调、油或天然气加热的空调、热水供应系统、毫伏系统等多种负载设备，能够适应应用范围较宽的情况，还要使电路设计尽可能简化以节约成本，为此定义跳线电路J3，参见图10，在风扇置于自动模式时，风扇的具体运行方式如下。当风扇处于自动模式时，若连接的负载设备是电热炉，则跳接到HE，这时风扇只工作在制热/制冷操作激活的状态下；若连接的负载设备是油或气的加热炉，则跳接到HG上，此时风扇的工作情况如可以显示小数部分。

定时恒定温度控制器采用电池供电，为了节约电池耗材，降低产品的使用成本，驱动芯片采用PIC16F913单片机内置的液晶显示驱动模块，液晶显示驱动模块用于驱动控制静态和复用的液晶面板。PIC16F913单片机内置液晶驱动模块可以直接驱动4个COM端和6个SEG端的液晶面板，恰好能满足产品的功能要求；

1)当温度控制器置于COOL，风扇只工作在制冷激活的状态下；2)当温度控制器置于HEAT，风扇由风扇控制电路控制。即，跳线的选择依被控负载设备的不同而不同。如果被控负载是电热炉，应使用HE跳线，当风扇被置于自动模式时，风扇仅工作在制冷/制热被激活的情况下。如果被控负载是天然气、燃、油炉，应使用HG跳线，当风扇被置于自动模式时，系统在制冷状态下风扇仅工作在制冷被激活的情况下；系统在制热状态下风扇工作与否是由风扇控制线路所控制。

七、控制输出电路

从PIC16F913单片机输出的数字信号不能直接控制负载，必须设计控制输出电路作为中间电路，将单片机的数字控制信号转换成能够直接驱动负载的信号，确保实现定时恒定温度控制器的控制功能，参见图11，当单片机的引脚18输出电平为高电平时，三极管Q1、三极管Q3、三极管Q4导通，三极管Q1集电极输出高电平，同时导致三极管Q2集电极输出低电平，两个控制输出信号同时施加给负载接口电路。同理，当单片机的引脚17输出电平为高电平时，三极管Q2、三极管Q5、三极管Q6导通，三极管Q2集电极输出高电平，三极管Q1集电极输出低电平，两个控制输出信号同时施加给负载接口电路。

八、负载接口电路

参见图12，负载接口电路是定时恒定温度控制器与负载设备相连接的部分，负责将温控器的控制信息输出给负载。为降低温控器的功耗和延长产品的工作时间，它采用超低功耗的3V的单线圈磁保持信号继电器作为负载接口电路的核心器件。磁保持继电器低至2.1VDC的闭合/释放电压，以及90mW的超低功耗，其中，DC表示直流电源，使得定时恒定温度控制器能完全符合节能设计的要求，而多达1×10⁸的开合次数又使得温控器满足了需要频繁动作的要求，更能满足实际生活中的需要。

第二部分、软件系统设计

目前已经设计出的温度控制器有的采用复杂控制算法，这些算法虽然能够进行温度的高精度控制，但经常会由于计算量过于复杂，导致其实际的在线操作不能真正实现，为此本发明提出了一种软件系统设计。

其中，定时恒定温度控制器的软件系统采用模块化结构设计，包括一个主程序和多个子程序，下面对主程序和各个子程序分别做详细的说明：

主程序，用于完成对各个子程序初始化及调用；

上电初始化子程序，用于负责上电后系统的初始化参数配置；

周期自检子程序，用于对温控器的状态进行周期巡检，判断系统所处的状态，并将结果反馈给主程序，由主程序完成统一的调度和管理；

LCD显示子程序，用于在液晶屏上显示系统的运行状态，是用户和控制器之间的交互接口；

参数查看子程序，用于供用户随时查看先前设置的各种参数，给用户提供是否更改控制参数的参考，以使环境始终处于最适宜的温度；

参数设置子程序，用于供用户在线设定或修改各种控制参数，系统则根据最新修改的参数进行智能控制，其中，参数具体的配置方式如下：

1、同时点击UP和DOWN按键并保持3秒，进入配置菜单；

2、短促点击UP或者DOWN，选择设定参数的单位℃或°F；

3、同时短促点击UP和DOWN图标，进入编程设定制热模式参数；

4、点击UP、DOWN中的一个，更改制热温度参数；

5、同时短促点击UP和DOWN图标，进入设置制热循环次数；

6、点击UP、DOWN中的一个，更改制热循环次数，其中，制热循环次数可以为每小时2次、3次、4次、5次、6次、也可以设置为其他次数，具体实现时，本发明实施例对此不做限制；

7、同时短促点击UP和DOWN图标，进入编程设定制冷模式参数；

8、点击UP、DOWN中的一个，更改制冷温度参数；

9、同时短促点击UP和DOWN按键，进入制冷循环次数；

10、点击UP、DOWN中的一个，更改制冷循环次数，其中，制冷循环次数可以为每小时2次、3次、4次、5次、6次、也可以设置为其他次数，具体实现时，本发明实施例对此不做限制；

11、同时点击UP和DOWN按键，并保持3秒以上，保存并退出配置菜单，完成系统的编程配置。

电池电量报警子程序，用于在当电池电量不足时给出电量信息，提醒使用者进行充电，以此保证温控器正常工作的能源供给。

制热子程序，用于负责温控器制热状态下的控制，为了使制热达到最优的状态，如果用户的加热源是采用蒸汽供暖系统，则可以将制热子程序中的循环次数设置为2，每次循环加热30分钟；如果用户采用水暖或者高效热炉作为加热源，则可以将制热子程序中的循环次数设置为3，每次循环加热20分钟；如果用户采用天然气或燃油作为加热源，可以将循环次数设置为4，每次循环加热15分钟；如果用户采用气和油循环交替加热的方式，则可以将制热子程序中的循环次数设置为5，每次循环加热12分钟；如果用户采用电加热，可以将循环次数设置为6，每次循环加热10分钟，具体实现时本发明实施例对此不做硬性限制。

其中，制热子程序可以为2线制热子程序或3线制热子程序或4线制热子程序或5线制热制冷子程序，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

制冷子程序，用于负责温控器制冷状态下的控制，制冷源一般由压缩机来提供，为了使制冷效果达到最优状态，可以将制冷子程序中的循环次数设置为2，即每次循环制冷30分钟；也可以将循环次数设置为4，即每次循环制冷15分钟；还可以将循环次数设置为6，即每次循环制冷10分钟，以及其它可以采用的设置方式，具体实现时本发明实施例对此不做限制。

其中，制冷子程序可以为2线制冷子程序或3线制冷子程序或4线制冷子程序或5线制冷子程序，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

故障处理子程序，用于给出定时恒定温度控制器的各种报警信息，方便温控器的维修，提高产品的可靠性，具体包括以下报警信息，当故障代码为99时，则代表电池电量不足，提醒用户更换电池；当故障代码为98时，则代表传感器开路；当故障代码为97时，代表传感器电路被短路等故障报警信息。

综上所述，通过对上述模块电路和程序的设计，解决了对节能的需求，减少了安全隐患，实现了用户可以根据自身意愿调控所需的参数，增加了用户体验，满足了实际应用中的需要。

其中，本发明还具有以下优点：1、功能完善，集成度高。定时恒定温度控制器可以实现温度/风扇控制参数的简单编程，单片机内置的E2PROM存储模块，可以满足重复开机设定参数的一致性，实现了掉电记忆和重新上电恢复的功能；系统实现了传感器信号的高精度采样；采样保持模块实现了采样数据的完整性；内置10位模/数转换模块实现了信号的高精度A/D转换，高性能的MCU使得控温更准确和响应更迅速，是集温度检测、信息转换、决策输出三位一体的高性能智能温度控制器。2、控制精度高。定时恒定温度控制器的控温精度为±1°F(0.5℃)，在控制的多个环节进行了线性化处理，实现了温度变化的平滑调节。3、温度控制器可以实现华氏度与摄氏度的自由切换，充分顾及到世界各地人们的不同生活习惯要求，用户根据自身需求配置控制参数，能够始终使温度处在用户感觉最佳的状态。4、可靠性、测试性和维修性高，LCC(Life Cycle Cost，全寿命周期费用)低。定时恒定温度控制器在设计中进行了完整的FMEA、FTA、电磁兼容、防静电等可靠性分析和设计，使产品具备了较高的可靠性；设计过程中进行了完整的测试性分析和设计，能够实时进行在线的故障诊断，使产品具备了良好的测试性；故障代码和故障字典的给出，使其具有了方便的维修保障。因此，该温度控制器可以大大减少运行及维护的成本，降低了产品的全寿命周期费用。5、电路设计简单完整，成本低廉。最小电路设计采用大量常见的电子元器件，从根本上使定时恒定温度控制器的成本降至最低。6、定时恒定温度控制器可以连续工作，不需要在工作状态和检测状态之间切换。7、外形美观大方、结构简洁可靠、体积小巧，安装方便快捷。定时恒定温度控制器的背板采用两个相互垂直膨胀螺栓固定，允许相互调节的这种结构方式方便了安装。不需要额外预留安装温度传感器的空间或结构，传感器固定在控制器内部的窗口附近，从而简化了温控器的安装和使用。8、产品绿色环保，节约耗材。定时恒定温度控制器充分考虑到当前社会对节能设计的要求，满足欧美国家强制节能的规定，整个电路系统都采用节能的设计方案，电源的有效利用率极高。如果采用高性能的碱性电池供电，温控器可以连续工作半年左右，其静态工作点的电流约为I_静态≈0.5mA，每天平均耗电仅0.015伏左右，能最大程度地为用户节约耗材的花销。9、适用范围广。定时恒定温度控制器可以用来控制2线或者3线的天然气加热炉、燃油加热炉、电热炉、中央空调、2线有泵或者无泵的热水供暖系统、2线的毫伏系统，以及4线或者5线的中央制热和制冷系统。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种定时恒定温度控制器，其特征在于，所述控制器包括：电源电路、MCU主控制电路、温度检测电路、液晶显示电路、按键电路、控制输出电路、跳线电路和负载接口电路；

所述电源电路通过导线与所述MCU主控制电路和温度检测电路相连；所述电源电路输出端和所述MCU主控制电路相连，所述MCU主控制电路和所述控制输出电路相连，所述控制输出电路及所述跳线电路分别和所述负载接口电路相连；

所述负载接口电路的输出端连接负载；所述液晶显示电路和所述MCU主控制电路相连；人机接口电路和所述按键电路相连，所述按键电路和所述MCU主控制电路相连；所述温度检测电路连接所述MCU主控制电路；

其中，所述温度检测电路使得测得的当前温度与转换到单片机中的数字量呈线性对应关系；

所述电源电路主要包括：两节AA碱性电池、稳压管、电容C3、E2、E1、C2、C6、C7、C8、C9；

所述两节AA碱性电池用于供电，所述电容C3、E2用于稳定供电电压、消除杂波，所述C3、E2和所述稳压管的基极相连，所述稳压管用于将电源电压稳压在2.5V，所述电容E1、C2、C6、C7、C8、C9用于二次滤波、去除干扰，向所述MCU主控制电路供电，供电电压VDD＝2.5V，电源电路的输入电压为Vin＝3～0V，液晶显示屏的驱动电压为2.5V，温度传感器检测的当前温度值也需要转换成0～2.5V的电压信号，当2.5V≤Vin≤3V时，VDD＝2.5V，温度控制器处于正常工作状态；当2.1V≤Vin＜2.5V时，2.1V≤VDD＜2.5V，显示缺电标志，提醒用户更换电池；当2V≤Vin＜2.1V时，2V≤VDD＜2.1V，显示故障代码，必须更换电池；当0V＜Vin＜2V时，VDD＜2V，温度控制器不能工作；

所述按键电路分为模式选择按键电路、风扇选择按键电路、UP和DOWN按键电路四个部分，风扇选择按键电路由自动模式子电路和连续模式子电路构成，其中，当风扇工作在自动模式时，若风扇连接的负载设备为电热炉时，则风扇只能工作在制热/制冷操作被激活的状态；若风扇连接的负载设备为气/油加热炉时，当模式选择按键置于COOL时，风扇只工作在制冷激活的状态；当模式选择按键置于HEAT时，风扇由热炉风扇控制电路控制；其中，风扇工作在连续模式时，则风扇一直处于工作中；

所述跳线电路用于区分且控制不同的负载设备，在风扇置于自动模式时，若连接的负载设备是电热炉，则跳接到HE跳线，这时风扇只工作在制热/制冷操作激活的状态；若连接的负载设备是气/油加热炉，则跳接到HG跳线上；

所述控制器还包括：主程序、上电初始化子程序、周期自检子程序、LCD显示子程序、参数查看子程序、参数设置子程序、电池电量报警子程序、制热子程序、制冷子程序和故障处理子程序。

2.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制器的功耗低、精度高，所述精度为0.5摄氏度或1华氏度。

3.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述负载接口电路采用超低功耗的继电器作为核心器件，当所述控制输出电路有信号输出时，所述继电器相应地吸合或松开，将所述控制器的控制信息输出给负载。

4.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述MCU主控制电路具体包括：时钟源、存储模块、采样保持模块、A/D模块、比较模块、液晶驱动模块、故障诊断模块。

5.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制输出电路用于将单片机的数字控制信号转换成直接驱动负载的信号。

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