CN104199485A - 一种多输入温度控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多输入温度控制器。其包括主控模块、通道切换模块、采集模块和温度输出模块；主控模块分别连接通道切换模块、采集模块和温度输出模块，通道切换模块连接采集模块；通道切换模块包括多个输入通道，每个输入通道用于连接温度采集器件；通道切换模块用于在主控模块的控制下逐一选通预定的输入通道；采集模块用于采集由选通的输入通道输入的模拟信号，并对其进行滤波和模数转换，得到数字信号；主控模块用于将数字信号代入预定的控制算法进行计算，得到PWM波；温度输出模块用于将PWM波转换成脉冲信号，以驱动加热器件完成加热。本发明能适应多种输入方式，从而扩大了温度控制器的温度采集范围，能够适用于多种应用场合。

Description

一种多输入温度控制器

技术领域

本发明属于温度控制技术领域，更具体地，涉及一种多输入温度控制器。

背景技术

温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。自18世纪工业革命以来，工业过程离不开温度控制。温度控制广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等。温度控制的精度以及不同控制对象的控制方法选择都起着至关重要的作用。

温度控制器以温度作为被控制量，将采集到的温度与所设定温度值进行比较，构成反馈控制系统从而完成温度控制。随着生产过程中效率的提升、技术要求更加严格，对温度控制器也提出了更严格的要求，比如多通道同时控制、高控制精度、多种温度信号输入方式等。

温度控制器的温度精确采集过程离不开温度传感器，常用的温度传感器主要有四种类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器，不同的温度传感器有不同的测量范围与特点，比如热敏电阻PT100其具有比较好的稳定性、准确性，工作温度范围：-200℃～+650℃；热电偶测量的温度范围广，可以从-200℃～+1800℃，精度高，但灵敏度较低，易受环境干扰型号。

现有温度控制器还普遍存在一些问题，如温度控制范围窄，造成一些特定的场合不能使用；温度控制通道少或温度控制通道多但成本高；温度控制算法单一，不能有针对性地在某些特定工况下选择特定的算法；无独立的用户操作面板，造成使用不便；温度控制精度低，导致所生产的产品质量下降等。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多输入温度控制器，能够有效地适应热敏电阻、热电偶、线性电压等多种输入方式，从而扩大了温度控制器的温度采集范围；同时本发明有独立的操作面板，使用方便；此外，本发明还易于实现多通道采集且成本低廉，控制精度高。

为实现上述目的，本发明提供了一种多输入温度控制器，其特征在于，包括主控模块、通道切换模块、采集模块和温度输出模块；所述主控模块分别连接所述通道切换模块、所述采集模块和所述温度输出模块，所述通道切换模块连接所述采集模块；所述通道切换模块包括多个输入通道，每个输入通道用于连接温度采集器件；所述通道切换模块用于在所述主控模块的控制下逐一选通预定的输入通道；所述采集模块用于采集由选通的输入通道输入的模拟信号，并对其进行滤波和模数转换，将得到的数字信号输出至所述主控模块；所述主控模块用于将数字信号代入预定的控制算法进行计算，得到PWM波并输出至所述温度输出模块；所述温度输出模块用于将PWM波转换成脉冲信号，以驱动加热器件完成加热。

优选地，上述多输入温度控制器还包括与所述主控模块连接的室温检测模块，所述室温检测模块用于检测室温，并将其输出至所述主控模块；在选通的输入通道输入的模拟信号来自热电偶时，所述主控模块在将数字信号代入预定的控制算法进行计算之前，利用所述室温检测模块检测的室温对其进行补偿，以使其真实反映热电偶测得的温度值。

优选地，所述通道切换模块包括多个光耦继电器，每个光耦继电器的输入端构成一个输入通道，所有光耦继电器的第一输出端连接后引出，形成模拟信号输出总线A，所有光耦继电器的第二输出端连接后引出，形成模拟信号输出总线B，总线A和总线B连接所述采集模块的输入端；所有光耦继电器的控制端与所述主控模块连接。

优选地，所述采集模块包括第一恒流源、第二恒流源、第一二极管、第二二极管、第一滤波器、第二滤波器、运算放大器和模数转换装置；所述第一恒流源的输入端接地，输出端连接所述第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极连接所述第一滤波器的输入端，所述第一滤波器的输出端连接所述运算放大器的正相输入端；所述第二恒流源的输入端接地，输出端连接所述第二二极管的阳极，所述第二二极管的阴极连接所述第二滤波器的输入端，所述第二滤波器的输出端连接所述运算放大器的反相输入端；所述运算放大器的输出端连接所述模数转换装置的输入端，所述模数转换装置的输出端连接所述主控模块；所述通道切换模块的输出端分别连接所述第一二极管和所述第二二极管的阴极。

优选地，上述多输入温度控制器还包括分别与所述主控模块连接的操作模块和显示模块；所述操作模块用于对所述主控模块输入操作指令，所述显示模块用于实时显示与选通的输入通道连接的温度采集器件采集的温度信息。

优选地，所述显示模块为显示屏，所述操作模块包括上、下、左、右四个方向按键，SET按键，以及BACK按键；所述上、下、左、右四个方向按键用于选择待设置的目标参数，所述SET按键用于确认所设置的信息或进入下一级菜单，所述BACK按键用于退出设置或返回上一级菜单。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、在采集模块中引入双恒流源补偿电路，能够有效地适应热敏电阻、热电偶、线性电压等多种输入方式，从而扩大了温度控制器的温度采集范围，能够适用于多种应用场合。

2、在通道切换模块中采用光耦继电器实现采集通道的切换，切换速度快，可以使采集模块在短时间内完成多路温度采集；只需增加光耦继电器的数量即可增加采集通道，易于实现多通道采集且成本低廉。

3、在采集模块中采用高精度A/D转换器，并通过操作面板选择适应工况的控制算法，由主控模块将采集模块中采集到的A/D值代入该控制算法进行计算，输出一定周期与占空比的PWM波，温度控制精度高达±0.2％FS±1℃(FS为满量程)。

4、具有显示屏与可操作按键，能方便地对通道温度、通道参数(包括控制算法，通道的开关状态)、系统参数(包括通道的输入方式)进行设置，依据设置的参数对选中的通道进行高精度的温度控制，使用方便。

附图说明

图1是本发明一个实施例的多输入温度控制器的工作原理框图；

图2是通道切换模块的结构示意图；

图3是采集模块的结构示意图；

图4是本发明另一个实施例的多输入温度控制器的工作原理框图；

图5是操作面板的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：11-操作面板，12-显示屏，13-上下左右方向按键，14-SET按键，15-BACK按键。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的多输入温度控制器包括设置在控制板上的主控模块、通道切换模块、采集模块、室温检测模块和温度输出模块。主控模块分别连接通道切换模块、采集模块、室温检测模块和温度输出模块，通道切换模块连接采集模块。通道切换模块包括多个输入通道，每个输入通道用于连接温度采集器件，通道切换模块用于在主控模块的控制下逐一选通预定的输入通道；其中，温度采集器件具体为热敏电阻、热电偶或线性电压器件。采集模块用于采集与选通的输入通道连接的温度采集器件输入的模拟信号，并对其进行滤波和A/D转换后，将得到的数字信号输出至主控模块；其中，当输入通道输入的模拟信号来自三线热敏电阻时，在对其进行滤波和A/D转换之前，还需要通过恒流源对其进行补偿，以去除三线热敏电阻导线上的电阻对输入信号的影响。

室温检测模块用于检测室温，并将其输出至主控模块。主控模块用于控制通道切换模块逐一选通预定的输入通道，还用于将来自采集模块的数字信号代入预定的控制算法进行计算，得到PWM波并输出；其中，在选通的输入通道输入的模拟信号来自热电偶时，在将来自采集模块的数字信号代入预定的控制算法进行计算之前，还需利用室温检测模块检测的室温对其进行补偿，以使其真实反映热电偶测得的温度值。控制算法包括PID控制算法、模糊控制算法、神经网络算法等，具体算法的选择可根据温度控制器的工况确定。主控模块可采用单片机实现，具体可以是STM32F10X系列单片机(如CSTM32F101C8T6)等。

温度输出模块用于将主控模块输出的PWM波转换成脉冲信号，以驱动加热器件完成加热。

上述多输入温度控制器的工作原理为：将温度采集器件与通道切换模块的输入通道一一连接，主控模块根据外界输入的操作指令，控制通道切换模块选通第一个输入通道，采集模块采集与第一个输入通道连接的温度采集器件输入的模拟信号。在与第一个输入通道连接的温度采集器件为热电偶、线性电压器件或不包含三线热敏电阻在内的热敏电阻时，采集模块对热电偶或线性电压器件输入的模拟信号进行滤波和A/D转换，将得到的数字信号输出至主控模块；在与第一个输入通道连接的温度采集器件为三线热敏电阻时，采集模块先通过恒流源对三线热敏电阻输入的模拟信号进行补偿，以去除三线热敏电阻导线上的电阻对输入信号的影响，再进行滤波和A/D转换，将得到的数字信号输出至主控模块。在与第一个输入通道连接的温度采集器件为线性电压器件或热敏电阻时，主控模块将数字信号代入预定的控制算法进行计算，得到PWM波并输出；在与第一个输入通道连接的温度采集器件为热电偶时，主控模块先利用室温检测模块检测的室温对数字信号进行补偿，以使其真实反映热电偶测得的温度值，再将补偿后的数字信号代入预定的控制算法进行计算，得到PWM波并输出。温度输出模块将PWM波转换成脉冲信号，驱动加热器件完成加热。随后，主控模块根据外界输入的操作指令，控制通道切换模块选通第二个输入通道，温度控制器开始下一轮温度控制。

主控模块根据外界输入的操作指令，控制通道切换模块逐一选通预定的输入通道，并通过上述过程实现多通道、高精度(±0.2％FS±1℃)的温度控制。

如图2所示，通道切换模块包括多个光耦继电器JF1，JF2，…，JFN，每个光耦继电器的输入端构成一个输入通道，用于连接温度采集器件。所有光耦继电器的第一输出端连接后引出，形成模拟信号输出总线A，所有光耦继电器的第二输出端连接后引出，形成模拟信号输出总线B，A、B总线连接采集模块的输入端。所有光耦继电器的控制端与主控模块连接，可以通过主控模块控制各光耦继电器的开关状态。当主控模块选通光耦继电器JF2时，光耦继电器JF2的输入端与输出端导通，其它光耦继电器的输入端与输出端断开，与光耦继电器JF2的输入端连接的温度采集器件2输出的模拟信号经光耦继电器JF2后，由A、B总线输出至采集模块。

如图3所示，采集模块包括第一恒流源CCS1、第二恒流源CCS2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一滤波器BP1、第二滤波器BP2、运算放大器U1、恒压源V1和模数转换装置AD1。第一恒流源CCS1的输入端接地，输出端连接第一二极管D1的阳极，第一二极管D1的阴极连接第一滤波器BP1的输入端，第一滤波器BP1的输出端连接运算放大器U1的正相输入端3；第二恒流源CCS2的输入端接地，输出端连接第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极连接第二滤波器BP2的输入端，第二滤波器BP2的输出端连接运算放大器U1的反相输入端2。运算放大器U1的输出端6连接模数转换装置AD1的输入端，模数转换装置AD1的输出端连接主控模块。A、B总线分别连接第一二极管D1和第二二极管D2的阴极。恒压源V1的负极接地，正极通过第二电阻R2连接运算放大器U1的参考电压输出端5，恒压源V1的正极还连接运算放大器U1的低电平使能端1，运算放大器U1的输出端6和参考电压输出端5通过第一电阻R1连接。

上述采集模块的工作原理为：第一二极管D1和第二二极管D2保证总线A、B与第一恒流源CCS1和第二恒流源CCS2的输出端之间单向导通。在选中的通道切换模块的输入通道连接的温度采集器件为热电偶、线性电压器件或不包含三线热敏电阻在内的热敏电阻时，第一恒流源CCS1和第二恒流源CCS2对由A、B总线输入的模拟信号没有影响；在选中的通道切换模块的输入通道连接的温度采集器件为三线热敏电阻时，第一恒流源CCS1和第二恒流源CCS2对由A、B总线输入的模拟信号进行补偿，以去除三线热敏电阻导线上的电阻对输入信号的影响。模拟信号经第一滤波器BP1和第二滤波器BP2滤波后，经运算放大器放大，再经模数转换装置AD1将模拟信号转换为数字信号并输出至主控模块。恒压源V1用于在输入至运算放大器U1的滤波后的模拟信号被放大之前，对其进行补偿，以适应负温度信号的输入。

如图4所示，在本发明的另一个实施例中，多输入温度控制器还包括设置在操作面板上的分别与主控模块连接的操作模块和显示模块。操作模块用于对主控模块输入操作指令(包括选通的输入通道、输入通道的选通次序、选取的控制算法、输入通道的目标温度等)，显示模块用于实时显示与选通的输入通道连接的温度采集器件采集的温度信息。

如图5所示，在操作面板的一个实施方式中，操作面板11上的显示模块为显示屏12，操作模块包括上、下、左、右四个方向按键13，SET按键14，以及BACK按键15。其中，上、下、左、右四个方向按键13用于选择待设置的目标参数(如通道参数或系统参数)；SET按键14用于确认所设置的信息或进入下一级菜单，BACK按键15用于退出设置或返回上一级菜单。

具体地，显示屏12上可默认显示通道温度(例如，<CHN1-180><CHN2-165.5>)，通过方向按键13选中输入通道后按下SET按键，显示屏显示当前设定的温度值与所选用的算法(例如，CHN1-CP：180-PID)，通过方向按键13选中CP后按下SET按键14，即可设置目标温度；选择到算法上可以选择系统内部存储的几种算法，这样可以有效地适应工作环境，例如在系统模型不够清晰的加热环节可以用模糊PID控制算法。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多输入温度控制器，其特征在于，包括主控模块、通道切换模块、采集模块和温度输出模块；所述主控模块分别连接所述通道切换模块、所述采集模块和所述温度输出模块，所述通道切换模块连接所述采集模块；

所述通道切换模块包括多个输入通道，每个输入通道用于连接温度采集器件；所述通道切换模块用于在所述主控模块的控制下逐一选通预定的输入通道；所述采集模块用于采集由选通的输入通道输入的模拟信号，并对其进行滤波和模数转换，将得到的数字信号输出至所述主控模块；所述主控模块用于将数字信号代入预定的控制算法进行计算，得到PWM波并输出至所述温度输出模块；所述温度输出模块用于将PWM波转换成脉冲信号，以驱动加热器件完成加热。

2.如权利要求1所述的多输入温度控制器，其特征在于，还包括与所述主控模块连接的室温检测模块，所述室温检测模块用于检测室温，并将其输出至所述主控模块；在选通的输入通道输入的模拟信号来自热电偶时，所述主控模块在将数字信号代入预定的控制算法进行计算之前，利用所述室温检测模块检测的室温对其进行补偿，以使其真实反映热电偶测得的温度值。

3.如权利要求1或2所述的多输入温度控制器，其特征在于，所述通道切换模块包括多个光耦继电器，每个光耦继电器的输入端构成一个输入通道，所有光耦继电器的第一输出端连接后引出，形成模拟信号输出总线A，所有光耦继电器的第二输出端连接后引出，形成模拟信号输出总线B，总线A和总线B连接所述采集模块的输入端；所有光耦继电器的控制端与所述主控模块连接。

4.如权利要求1或2所述的多输入温度控制器，其特征在于，所述采集模块包括第一恒流源、第二恒流源、第一二极管、第二二极管、第一滤波器、第二滤波器、运算放大器和模数转换装置；

所述第一恒流源的输入端接地，输出端连接所述第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极连接所述第一滤波器的输入端，所述第一滤波器的输出端连接所述运算放大器的正相输入端；所述第二恒流源的输入端接地，输出端连接所述第二二极管的阳极，所述第二二极管的阴极连接所述第二滤波器的输入端，所述第二滤波器的输出端连接所述运算放大器的反相输入端；所述运算放大器的输出端连接所述模数转换装置的输入端，所述模数转换装置的输出端连接所述主控模块；所述通道切换模块的输出端分别连接所述第一二极管和所述第二二极管的阴极。

5.如权利要求1至4中任一项所述的多输入温度控制器，其特征在于，还包括分别与所述主控模块连接的操作模块和显示模块；所述操作模块用于对所述主控模块输入操作指令，所述显示模块用于实时显示与选通的输入通道连接的温度采集器件采集的温度信息。

6.如权利要求5所述的多输入温度控制器，其特征在于，所述显示模块为显示屏，所述操作模块包括上、下、左、右四个方向按键，SET按键，以及BACK按键；所述上、下、左、右四个方向按键用于选择待设置的目标参数，所述SET按键用于确认所设置的信息或进入下一级菜单，所述BACK按键用于退出设置或返回上一级菜单。