CN103034264B - 温控装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种温控装置，包括：温度检测电路，设置在加热器所处的容器内；模数转换电路，设置在温度检测电路的本地，模数转换电路的模拟信号输入端连接温度检测电路的模拟信号输出端；中央处理单元；I2C通信线路，将模数转换电路的数字信号输出端连接到中央处理单元的数字信号输入端；开关控制电路，其控制端连接中央处理单元的控制信号输出端，其输入端连接电源，其输出端连接加热器的输入端。本发明提高了温控精度。

Description

温控装置

技术领域

本发明涉及自动化生产领域，具体而言，涉及一种温控装置。

背景技术

在各种生产过程中，为了使加热过程变得更高效、供能更精确，对加热器的温度控制就变得尤为重要。为了提高加热器温度控制的准确性，一般会采用闭环温度控制方法。常规的闭环温度控制装置一般包括温度信号采集电路、模数转换电路、微处理器、开关控制电路等。温度信号采集电路和模数转换电路用于获得温度信号，输出至微处理器。该微处理器对温度信号进行处理，产生加热器控制信号，输出至开关控制电路，形成对温度的闭环控制。

铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高、测量范围大、稳定性高，被广泛应用于温度精密测量领域。PT100是一种广泛应用的测温元件，线性度高、测量准确、互换性好、抗振动冲击性能好，在-50℃～600℃范围内具有其他温度传感器无可比拟的优势。在温度测量领域，可将PT100温度传感器直接置于液体环境中，测量精确、直接。

现有技术中，通过PT100温度传感器检测温度产生模拟电信号，然后远距离传输到微处理器，在微处理器端进行模数转换得到数字信号，然后由微处理器对数字信号进行处理，产生控制信号。然而，PT100温度传感器产生的一般为较微弱的模拟电信号，在远距离传输中极易受到干扰，影响测量的精确性。

发明内容

本发明旨在提供一种温控装置，以解决现有的温控装置精度较低的问题。

在本发明的实施例中，提供了一种温控装置，包括：温度检测电路，设置在加热器所处的容器内；模数转换电路，设置在温度检测电路的本地，模数转换电路的模拟信号输入端连接温度检测电路的模拟信号输出端；中央处理单元；I2C通信线路，将模数转换电路的数字信号输出端连接到中央处理单元的数字信号输入端；开关控制电路，其控制端连接中央处理单元的控制信号输出端，其输入端连接电源，其输出端连接加热器的输入端。

本发明的温控装置因为传送的是数字信号，所以克服了现有的温控装置精度较低的问题，进而提高了温控精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种温控装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的PT100检测电路的原理示意图；

图3为本发明实施例提供的PT100检测电路的电路原理示意图；

图4为本发明实施例提供的参考电压源的电路原理示意图；

图5为本发明实施例提供的单片机外围复位电路原理示意图；

图6为本发明实施例提供的一种闭环温度控制方法的流程示意图；

图7为本发明实施例提供的单片机控制流程示意图；

图8为本发明优选实施例提供的一种温控装置的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种温控装置的电路结构示意图；

图10为本发明实施例提供的液晶背光电压的电路原理示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

图1为本发明实施例提供的一种温控装置的结构示意图，包括：

温度检测电路14，设置在加热器12所处的容器10内；

模数转换电路26，设置在温度检测电路14的本地，模数转换电路26的模拟信号输入端连接温度检测电路14的模拟信号输出端；

中央处理单元18；

I2C通信线路16，将模数转换电路26的数字信号输出端连接到中央处理单元18的数字信号输入端；

开关控制电路20，其控制端连接中央处理单元18的控制信号输出端，其输入端连接电源，其输出端连接加热器12的输入端。

本实施例中，温度检测电路用于在加热器端检测液体的实际温度，经模数转换后由I2C通信将温度值传至中央处理单元。相关技术的温控装置中，模数转换电路设置在中央处理单元这一端，因此温度检测电路产生的模拟信号得长途传输到中央处理单元，导致衰减较大，产生误差。而本实施例中，将模数转换电路设置在温度检测电路这一端，从而将数字信号传输到中央处理单元，不会产生衰减和误差，提高了温控精度。

本发明实施例提供的温控装置，可以实现对温度的实时检测与闭环控制。从电路结构可以看出，整个开关控制电路结构简单，实现成本低廉。

优选地，温度检测电路包括：1个PT100温敏电阻R_T和3个普通电阻R₁、R₂、R₃，R_T和R₃在设定温度下阻值相同，R₁和R₂在设定温度下阻值相同，将R_T和R₁、R₂、R₃连接成电桥，R₁和R₂共接偏置电源，R_T和R₃共接地，并将R_T设置在加热器所处的容器内。

图2为本发明实施例提供的PT100检测电路的原理示意图。本发明实施例提供的PT100检测电路采用典型的不平衡电桥接法，电桥的主要作用是将PT100温度传感器随着温度变化而改变的电阻值转化为电压值的改变。当选择R₁＝R₂＝R₃＝100om时，电桥灵敏度最大。但由于PT100电流过大会导致电阻发热进而影响测量的准确性，改为选择R₁＝R₂＝2Kom，R₃＝100om。

在当前参数选择下，温度每变化1℃，输出电压的变化约为0.7mV，比较微弱，在进入模数转换器之前需增加一级滤波放大器。图3进一步示出了本发明实施例所采用的PT100检测电路的电路原理图，包括不平衡电桥、电桥放大电路以及二级低通滤波放大电路。其中，电桥放大电路的电压信号计算公式如下：

$V_{r1}=V_{\mathrm{DD}}\·\left(\frac{R_t}{R_2+R_t}\right)$

$\frac{V_{r2}}{R_3}=\frac{V_{\mathrm{DD}}-V_{r1}}{R_1}+\frac{V_{o1}-V_{r1}}{R_4}$

V_r1＝V_r2

由以上3式可以得出：

$V_{o1}=R_4\·V_{\mathrm{DD}}((\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_3}+\frac{1}{R_4})\·\frac{R_t}{R_2+R_t}-\frac{1}{R_1})$

$\frac{{\mathrm{dV}}_{o1}}{d{R}_t}=R_4\·V_{\mathrm{DD}}(\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_3}+\frac{1}{R_4})\·\frac{R_2}{{(R_2+R_t)}^2}$

在当前参数选择下，温度每变化1℃，输出电压Vol变化变为51mV。改变R4的阻值，可以调节放大倍数，并改变测量范围。

选择同相放大的二阶低通滤波放大电路，同时因为温度信号变化缓慢，且为了滤除50Hz的工频干扰，设置滤波器的截止频率为10Hz，该截止频率可通过改变R5、R6、C2、C3的值进行调节。经过滤波放大后，温度每变化1℃，输出电压变化51mV以上。对于10位的模数转换器，即可实现约0.1℃的温度分辨率。

优选地，模数转换电路采用型号为MAX1238的模数转换芯片，这是一款具有2线串行接口的12位、10通道ADC，可与单片机建立I2C通信。

本温控装置还包括用于为模数转换电路提供精密参考电压的参考电压源，防止电源电压波动造成的不良影响，保证整个测量系统的精度和稳定度。本发明实施例提供的用于模数转换电路的参考电压源选择型号为REF198ES的精密电压参考芯片，输出4.096V的参考电压。但是本领域技术人员可以理解的是，还可以选择其它任何合适的电压参考芯片。图4进一步示出了本发明实施例所采用的参考电压源的电路原理图。其中，2脚为电压输入管脚，1、5、7、8脚悬空，由于不需要休眠模式，所以3脚连接至电压输入管脚。按照芯片资料的推荐电路，输入端使用10uF/0.1uF的旁路电容组合，输出端使用1uF/0.1uF的旁路电容组合。

优选地，中央处理单元包括：型号为AT89C51ED2的51系列单片机，18.432MHz外部晶振以及外部复位电路。图5为本发明实施例提供的单片机外围复位电路原理示意图。MAX811为4引脚微处理器电压监测器，具有去抖动的手动复位输入。MAX811的3脚为手动复位输入端，低电平有效，此时反向复位输出端也为低电平有效。由于AT89C51ED2是高电平复位，所以在MAX811和单片机复位输入管脚之间加入了一级反向器NC7S04。

优选地，中央处理单元包括：差值计算模块，用于计算来自I2C通信线路的数字信号所反映的温度值与预设温度的差值；加温模块，用于在差值大于阈值(例如5℃)时，发出保持加热的控制信号；PID(比例-积分-微分控制)模块，用于当差值不大于阈值时，执行PID控制算法，发出PWM控制信号。

优选地，中央处理单元还包括：超时报警模块，用于当加热超时时，发出报警信号。

优选地，开关控制电路包括继电器驱动电路和交流固态继电器，继电器驱动电路的控制端连接中央处理单元的控制信号输出端，其驱动信号输出端连接交流固态继电器的开关控制端，交流固态继电器输入端连接交流电源，其输出端连接加热器。继电器驱动电路用于将接收到的控制信号转换为相应的继电器驱动信号，进而控制交流固态继电器的导通与关断，实现加热器电压的通断，达到调控加热器功率并进而控制温度的目的。

图6为本发明实施例提供的一种闭环温度控制方法的流程示意图。其中，在步骤S101中，PT100检测电路检测温度的实际值，经模数转换后由I2C通信传输至中央处理单元。随后，在步骤S102中，单片机(即中央处理单元)计算温度的设定值和实际值的差值。在步骤S103中，当差值大于5℃(即阈值)时，例如设定温度为80℃，而检测到温度低于75℃时，屏蔽PID控制算法，保持加热器电压的导通，实现温度的快速上升并接近设定值。同时对加热超时情况进行监控，当加热时间大于设定的最大时间，而温度差值仍大于5℃时，则认为加热系统故障，单片机将通过串口通信的方式通知上层PC机，并关闭加热器，保护系统的安全。当差值小于等于5℃，打开PID控制算法，输出PWM信号控制固态继电器的通断，从而控制加热器的有效加热功率，实现温度的精确稳定控制。之后，程序进入步骤S104，由控制部分将接收到的PWM信号转换为交流固态继电器的驱动信号，由交流固态继电器控制加热器电压的通断，实现加热器有效加热功率的调节，实现温度的闭环控制。程序将依次重复步骤S101、S102、S103、S104，以实现对加热器功率的精确控制。

图7进一步示出了本发明实施例所采用的单片机控制的流程示意图，包括：

步骤S201，进行初始化，PWM信号的控制周期设定为2s，把每个PWM控制周期分成100份，每段时长通过定时器产生20ms的中断实现。

步骤S202，判断是否到2s定时；

步骤S203，当到了2s定时，则取得实际值；

步骤S204，计算温度设定值和实际值的差值；

步骤S205，判断差值是否小于等于5℃；

步骤S206，如果不是，则屏蔽PID控制算法，输出加热器常通信号，以保持加热器电压的导通；

步骤S207，否则，运行PID算法；

步骤S208，输出PWM信号以控制加热器的加热幅度，然后回到步骤S202。

本发明实施例所采用的PID算法适用于220VAC/50Hz供电的交流加热器。针对该差值调用PID算法得出一个在0～100之间的整数控制量H，对应所需的占空比。在下一个PWM的2s控制周期中，加热器电压导通H个20ms，切断(100-H)个20ms，以此实现占空比的调节。本发明实施例通过PT100温度检测系统、结合PWM技术的PID控制算法等的引入，实现了对温度的闭环控制，将温度的波动控制在±0.1℃以内。此外，通过对PID算法使用范围的限制，在保证温度控制精确和稳定的同时，也实现了温度在短时间内快速达到设定值的要求。

优选地，本温控装置还包括：交流固态继电器采用型号为CXE240D5的板载继电器，继电器驱动电路采用型号为ULN2803的集成电路驱动器。

图8为本发明优选实施例提供的一种温控装置的结构示意图。优选地，本温控装置还包括：显示装置22，连接中央处理单元的显示输出端；串口通信线路(RS232)24，将中央处理单元的串口连接外部计算机的串口，用于电平转换中央处理单元和外部计算机的串口信号，实现中央处理单元与外部计算机之间的标准RS-232通信。显示装置可以显示本温控装置的各种工作状态以及温度的监控结果，并显示超时报警。串口通信线路用于建立中央处理单元和PC机的串口通信，方便用户对温控装置进行调试。

图9为本发明实施例提供的一种温控装置的电路结构示意图，包括：PT100检测电路201，用于将当前温度转换为相应的电压信号；模数转换电路202，用于将电压信号转换为相应的数字信号，通过I2C通信将温度数字信号传至中央处理单元；参考电压源203，用于为模数转换电路提供精密参考电压。该温控还包括中央处理单元，用于接收加热液体的设定温度与实际温度，根据二者的差值得出对应情况下加热器的导通时间，调节加热器的有效加热功率，同时对温度进行监控和显示。

中央处理单元包括：单片机204，用于温度设定值的接收与存储，计算设定值与实际值的差值，并根据该差值得出相应的加热器的导通时间，输出相应的继电器控制信号；晶振及复位电路205，用于提供单片机正常运行所需的外部晶振信号、硬件复位信号等。

本发明实施例的单片机选择型号为AT89C51ED2的51系列单片机。可将温度设定值写入单片机内部的EEPROM，系统每次上电后将直接从EEPROM获得当前的温度设定值。通过建立与PC机的串口通信，可将新的温度设定值写入单片机，并即刻生效。同时，单片机将输出液晶屏控制信号，用于液晶屏的正常显示。

本发明实施例提供的单片机外围电路包括18.432MHz外部晶振以及外部复位电路(请参见图5)。

该温控装置还包括串口通信线路207，用于TTL电平和RS232电平的转换，建立中央处理单元和PC机的串口通信。本发明实施例提供的串口通信线路选择MAX3232芯片，采用专有的低压差发送器输出级，供电电压5V或3.3V，耗电0.3mA，外接4个0.1uF电容。

该温控装置还包括液晶显示电路208，用于温度控制相关信息的显示。

该温控装置还包括加热控制部分，用于接收中央处理单元的继电器控制信号，控制加热器电压的通断。

该加热控制部分包括：继电器驱动电路209，用于驱动继电器的正常开合；交流固态继电器210，用于控制加热器电压的通断。本发明实施例提供的交流固态继电器选择型号为CXE240D5的板载继电器。在控制信号和CXE240D5之间加入集成电路驱动器ULN2803。在ULN2803输入端为高电平时，对应的输出口输出低电平，CXE240D5线圈通电，CXE240D5触点吸合；当ULN2803输入端为低电平时，CXE240D5线圈断电，CXE240D5触点断开。

该温控装置还包括电源部分206，用于为系统提供稳定的直流供电电压，并为液晶显示屏提供驱动电压和背光电压。

显示装置可以包括液晶屏，用于信息显示；液晶屏驱动电路，用于为液晶屏提供所需的驱动电压和背光电压。优选地，显示装置采用型号为MDLS20464SP的4行20字符的液晶显示模块，串口通信线路采用型号为MAX3232的串口芯片。本领域技术人员可以理解的是，液晶显示模块的选择可以是任意的。图10为本发明实施例提供的液晶背光电压的电路原理示意图。LT1963A是一款低噪声的线性稳压器，具有1.21V～20V的可调电压输出。输出电压满足以下关系式：

$V_{\mathrm{LED}+}=V_{\mathrm{OUT}}=1.21V\·(1+\frac{R_{e2}}{R_{25}})+I_{\mathrm{ADJ}}\·R_{25}$

I_ADJ＝3μAat25℃

根据实际所选的参数，该电路实现的输出电压范围为1.21V～4.235V。根据MDLS20464SP的器件手册，其推荐背光电压为4.1V，使用中可通过调节电位器Re2的阻值实现该背光电压。

下表为本发明实施例提供的液晶显示模块的引脚功能表：

引脚号	符号	状态	功能
				1	Vss		电源地
2	Vdd		+5V逻辑电源
				3	V0		液晶驱动电源
4	RS	输入	寄存器选择1；数据；0；指令
				5	R/W	输入	读、写操作选择1：读；0：写
6	E	输入	使能信号(MDLS40466未用，符号Nc)
				7	DB0	三态	数据总线(LSB)
8	DB1	三态	数据总线
				9	DB2	三态	数据总线
10	DB3	三态	数据总线
				11	DB4	三态	数据总线
12	DB5	三态	数据总线
				13	DB6	三态	数据总线
14	DB7	三态	数据总线(MSB)
				*15	E1	输入	MDLS40466上两行使能信号
*16	E2	输入	MDLS40466下两行使能信号

注；15、16两管脚仅用于MDLS40466，其余型号不用或为LED背光电源输入。

从以上的描述中可以看出，本发明在温度控制系统中，由于引入了温度的闭环反馈控制，可以实现温度的精确调节。PT100温度传感器的使用以及用模数转换后的数字温度信号代替原始的电压信号，可以最大程度上避免线路传输有可能造成的干扰，保证温度测量的准确性。PID控制算法与PWM技术的结合，实现了温度的快速精确控制，加热过冲小、温度波动可控制在±0.1℃以内。由于PID控制算法将在温度差值小于特定值(5℃)的场合开始使用，较之传统的加热控制方法，温度控制快速、精确，波动小，稳定性好。电路简单、成本低，稳定性高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)

1.一种温控装置，其特征在于，包括：

温度检测电路，设置在加热器所处的容器内；

模数转换电路，设置在所述温度检测电路的本地，所述模数转换电路的模拟信号输入端连接所述温度检测电路的模拟信号输出端；

中央处理单元；

I2C通信线路，将所述模数转换电路的数字信号输出端连接到所述中央处理单元的数字信号输入端；

开关控制电路，其控制端连接所述中央处理单元的控制信号输出端，其输入端连接电源，其输出端连接所述加热器的输入端；

所述温度检测电路包括：1个PT100温敏电阻R_T和3个普通电阻：普通电阻R₁、普通电阻R₂、普通电阻R₃，R_T和R₃在设定温度下阻值相同，R₁和R₂在所述设定温度下阻值相同，将R_T和R₁、R₂、R₃连接成电桥，R₁和R₂共接偏置电源，R_T和R₃共接地，并将R_T设置在所述加热器所处的容器内；

所述模数转换电路采用型号为MAX1238的模数转换芯片。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中央处理单元包括：型号为AT89C51ED2的51系列单片机，18.432MHz外部晶振以及外部复位电路。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中央处理单元包括：

差值计算模块，用于计算来自所述I2C通信线路的数字信号所反映的温度值与预设温度的差值；

加温模块，用于在所述差值大于阈值时，发出保持加热的控制信号；

PID模块，用于当所述差值不大于阈值时，执行PID控制算法，发出PWM控制信号。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述中央处理单元还包括：

超时报警模块，用于当加热超时时，发出报警信号。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开关控制电路包括继电器驱动电路和交流固态继电器，所述继电器驱动电路的控制端连接所述中央处理单元的控制信号输出端，其驱动信号输出端连接所述交流固态继电器的开关控制端，所述交流固态继电器输入端连接交流电源，其输出端连接所述加热器。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：所述交流固态继电器采用型号为CXE240D5的板载继电器，所述继电器驱动电路采用型号为ULN2803的集成电路驱动器。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

显示装置，连接所述中央处理单元的显示输出端；

串口通信线路，将所述中央处理单元的串口连接外部计算机的串口。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述显示装置采用型号为MDLS20464SP的液晶显示模块，所述串口通信线路采用型号为MAX3232的串口芯片。