CN105043576B - 一种直流加热器具测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种直流加热器具测温系统，包括微控制器、驱动电路、负载、电桥采样放大电路和ADC模块，所述微控制器向所述驱动电路发送开关信号，所述驱动电路接收到所述开关信号后，相应控制所述负载的状态，所述电桥采样放大电路与所述负载连接、用于对所述电桥采样放大电路中与所述负载对应的两个镜像节点进行采样并对两个所述镜像节点的电压差进行放大，所述ADC模块接收所述电桥采样放大电路输出的放大信号，并对所述放大信号进行模数转换，所述微控制器接收ADC模块输出的数字信号，并调整相应的功率目标。实施本发明的直流加热器具测温系统，具有以下有益效果：能全面检测加热器具的整体温度情况、能安全控制加热器具的工作状态。

Description

一种直流加热器具测温系统

技术领域

本发明涉及测温领域，特别涉及一种直流加热器具测温系统。

背景技术

PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制，简称脉宽调制)是一种模拟控制的方式，其根据相应的载荷变化来调制晶体管或者基极的偏置，从而来实现开关功率控制。这种技术在直流温控领域非常普及。图1是目前直流控温发热设备的一个常见结构，微控制器输出功率需求给PWM功率控制器来输出相应的PWM波形，PWM波形连接驱动电路输出到负载发热器件上，然后通过温度传感器得到目前被加热体(负载发热器件)的温度情况，然后ADC模块对温度传感器的数据进行模数转换，微控制器再通过ADC模块得到目前的被加热体的温度，从而控制被加热体目前的输出情况，该输出情况包括目前的输出功率，或是开启或关闭被加热体。

由于温度传感器在某些环境下并不能采集被加热体的全部温度，采集的而是局部温度，例如电热毯设备，温度传感器只能安装在电热毯的局部部位，这样就不能了解整个毯面的温度情况，即被测部位温度为正常情况，但是其他区域出现了过热情况，由于不能全面检测加热器具的整体温度情况，导致不能安全控制加热器具的工作状态，所以可能存在一定的危险性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不能全面检测加热器具的整体温度情况、不能安全控制加热器具的工作状态的缺陷，提供一种能全面检测加热器具的整体温度情况、能安全控制加热器具的工作状态的直流加热器具测温系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种直流加热器具测温系统，包括微控制器、驱动电路、负载、电桥采样放大电路和ADC模块，所述微控制器向所述驱动电路发送开关信号，所述驱动电路接收到所述开关信号后，相应控制所述负载的状态，所述电桥采样放大电路与所述负载连接、用于对所述电桥采样放大电路中与所述负载对应的两个镜像节点进行采样并对两个所述镜像节点的电压差进行放大，所述ADC模块接收所述电桥采样放大电路输出的放大信号，并对所述放大信号进行模数转换，所述微控制器接收所述ADC模块输出的数字信号，并调整相应的功率目标。

在本发明所述的直流加热器具测温系统中，还包括PWM功率控制器，所述微控制器向所述PWM功率控制器发送功率目标控制指令，所述PWM功率控制器接收到所述功率目标控制指令后，依据所述功率目标控制指令输出相应的PWM波形，同时将所述PWM波形的输出状态发送给所述微控制器，所述驱动电路接收所述PWM功率控制器输出的PWM波形，并依据所述PWM波形相应控制所述负载的状态。

在本发明所述的直流加热器具测温系统中，所述电桥采样放大电路包括电桥采样电路和电压差放大电路，所述电桥采样电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和镜像节点电阻，所述第一二极管的阳极与所述第二二极管的阳极连接，所述第一二极管的阴极通过所述第一电阻与所述镜像节点电阻的一端连接，所述第二二极管的阴极通过所述第二电阻与所述镜像节点电阻的另一端连接，所述第三二极管的阳极与所述镜像节点电阻的另一端连接，所述第三二极管的阴极通过所述第三电阻接地，所述第四二极管的阳极与所述镜像节点电阻的一端连接，所述第四二极管的阴极分别与所述负载的一端连接，所述镜像节点电阻的两端分别与所述电压差放大电路的两个输入端连接。

在本发明所述的直流加热器具测温系统中，所述电压差放大电路包括集成运算放大器、第一节点电阻、第二节点电阻、第三节点电阻和第四节点电阻，所述第一节点电阻的一端与所述镜像节点电阻的一端连接，所述第一节点电阻的另一端与所述集成运算放大器的反相输入端连接，所述第一节点电阻的另一端还通过所述第三节点电阻与所述集成运算放大器的输出端连接，所述第二节点电阻的一端与所述镜像节点电阻的另一端连接，所述第二节点电阻的另一端分别与所述第四节点电阻的一端和集成运算放大器的同相输入端连接，所述第四节点电阻的另一端接地。

在本发明所述的直流加热器具测温系统中，所述第一节点电阻的阻值与所述第二节点电阻的阻值相等，所述第三节点电阻的阻值与所述第四节点电阻的阻值相等。

在本发明所述的直流加热器具测温系统中，所述驱动电路包括三极管、MOS管和第四电阻，所述三极管的基极接收所述开关信号或PWM波形，所述三极管的集电极分别与所述第四电阻的一端和MOS管的栅极连接，所述三极管的发射极接地，所述MOS管的源极与所述第四电阻的另一端连接，所述MOS管的漏极与所述负载的一端连接。

在本发明所述的直流加热器具测温系统中，所述三极管为NPN型三极管，所述MOS管为P沟道MOS管。

在本发明所述的直流加热器具测温系统中，所述第一电阻的阻值、第二电阻的阻值、第三电阻的阻值和镜像节点电阻的阻值相等。

在本发明所述的直流加热器具测温系统中，两个所述镜像节点中，其中一个节点为所述第一电阻、镜像节点电阻和第四二极管连接的节点，另一个节点为所述第二电阻、镜像节点电阻和第三二极管连接的节点。

实施本发明的直流加热器具测温系统，具有以下有益效果：由于使用微控制器、驱动电路、负载(加热器具)、电桥采样放大电路和ADC模块，微控制器向驱动电路发送开关信号，驱动电路接收到根据开关信号后相应控制负载的状态，也就是控制负载工作或负载测量，通过电桥采样放大电路对与负载对应的两个镜像节点进行采样，并对两个镜像节点的电压差进行放大，通过ADC模块可得到负载的电阻情况，微控制器根据负载的电阻情况就可以得到负载的温度情况，这样就实现了在不使用温度传感器的情况下，就可以测量负载目前的温度，这样就可以更直接的了解整个负载的温度情况，也可以在负载发生故障时及时切断电源，所以其能全面检测加热器具的整体温度情况、能安全控制加热器具的工作状态。

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为传统直流温控发热设备的一个常见结构；

图2为本发明直流加热器具测温系统一个实施例中的结构示意图；

图3为所述实施例中驱动电路、负载和电桥采样电路的结构示意图；

图4为所述实施例中电压差放大电路的结构示意图；

图5为所述实施例中PWM波形的示意图；

图6为所述实施例中开关信号的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明直流加热器具测温系统实施例中，其直流加热器具测温系统的结构示意图如图1所示。图1中，该直流加热器具测温系统包括微控制器1、PWM功率控制器2、驱动电路3、负载R_L、电桥采样放大电路4和ADC模块5；其中，微控制器1的功能主要用于给PWM功率控制器2发送功率目标控制指令，接收目前PWM波形的输出信号状态，以及接收ADC模块5采样后的数据。具体来讲，微控制器1向PWM功率控制器2发送功率目标控制指令，PWM功率控制器2接收到功率目标控制指令后，依据功率目标控制指令输出相应的PWM波形给驱动电路3的输入端，同时将PWM波形的输出状态发送给微控制器1，驱动电路3接收来自PWM功率控制器2输出的PWM波形，并依据PWM波形相应控制负载R_L的工作或不工作状态。

电桥采样放大电路4与负载R_L连接，电桥采样放大电路4用于对电桥采样放大电路4中与负载R_L对应的两个镜像节点(请参见图3中a和b两点，后续会进行详细描述)进行采样，然后对上述两个镜像节点的电压差进行放大，ADC模块5接收来自电桥采样放大电路4输出的放大信号，并对该放大信号进行模数转换，这样就得到数字信号，微控制器1接收来自ADC模块5输出的数字信号，这样就可以得到负载(加热器具)R_L的温度情况，微控制器1根据负载R_L目前的温度情况，调整相应的功率目标，也就是把功率目标调整到合适大小。

值得一提的是，上述两个镜像节点的电压差与负载R_L的大小有关系，当负载R_L的大小发生变化时，上述两个镜像节点的电压差也会发生变化，所以通过上述两个镜像节点的电压差就可以得到负载R_L的大小，又由于负载R_L的大小与其自身的温度有关系，所以根据负载R_L的大小就能计算出负载R_L的温度。这样就实现了在不使用温度传感器的情况下，就可以测量负载R_L目前的温度，这样就可以更直接的了解整个负载R_L的温度情况，也可以在负载R_L发生故障时及时切断电源，所以其能全面检测加热器具的整体温度情况、能安全控制加热器具的工作状态。

本实施例中，电桥采样放大电路4包括电桥采样电路41和电压差放大电路42，图3为本实施例中驱动电路、负载和电桥采样电路的结构示意图；值得一提的是，本实施例中，将驱动电路3、负载R_L和电桥采样放大电路4做成了一体，图3中，电桥采样电路41包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和镜像节点电阻R_G，其中，第一二极管D1的阳极与第二二极管D2的阳极连接，第一二极管D1的阴极通过第一电阻R1与镜像节点电阻R_G的一端连接，第二二极管D2的阴极通过第二电阻R2与镜像节点电阻R_G的另一端连接，第三二极管D3的阳极与镜像节点电阻R_G的另一端连接，第三二极管D3的阴极通过第三电阻R3接地，第四二极管D4的阳极与镜像节点电阻R_G的一端连接，第四二极管D4的阴极分别与负载R_L的一端连接，镜像节点电阻R_G的两端分别与电压差放大电路42的两个输入端连接。其中，第一电阻R1的阻值、第二电阻R2的阻值、第三电阻R3的阻值和镜像节点电阻R_G的阻值相等，镜像节点电阻R_G的阻值约等于负载R_L的阻值。图3中，节点a和节点b互为镜像，也就是上述提到的两个镜像节点，节点c是电桥采样电路41的采样用电源，节点d是负载R_L的驱动电源，一般情况下节点c的电压远低于节点d的电压，节点e是PWM波形的输入节点，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4均为高速恢复整流二极管。通过设计第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4，这样可以达到轴对称的平衡。另外，四个二极管的设计可以保证电桥采用电路41、驱动电路3和负载R_L之间不互相影响。

根据电桥的原理，当负载R_L发生变化时，节点a和节点b的电压差会发生变化。以加热用的负载R_L是合金丝举例，当负载R_L工作时，负载R_L的温度升高，那么负载R_L的阻值会因为温度的升高而升高。值得一提的是，节点a和节点b就是上述两个镜像节点。换句话说，两个镜像节点中，其中一个节点(即节点a)为第一电阻R1、镜像节点电阻R_G和第四二极管D4连接的节点，另一个节点(即节点b)为第二电阻R2、镜像节点电阻R_G和第三二极管D3连接的节点。也就是说，电桥采样放大电路4的功能是在电路中不断采样负载R_L对应的节点a和节点a所对应的镜像节点b的电压状况，并将节点a和节点b的电压相减后进行放大，然后，ADC模块5负责将电桥采样放大电路4的输出信号进行模拟数字转换，并将转换后数字信号发送给微控制器1。微控制器1根据负载R_L的当前温度情况，相应调整相应的功率目标，使负载R_L处于安全状态。

图3中，驱动电路3包括三极管Q1、MOS管Q2和第四电阻R4，其中，三极管Q1的基极接收PWM波形，三极管Q1的集电极分别与第四电阻R4的一端和MOS管Q2的栅极连接，三极管Q1的发射极接地，MOS管Q2的源极与第四电阻R4的另一端连接，MOS管Q2的漏极与负载R_L的一端连接。三极管Q1的基极与节点e连接，MOS管Q2的源极与节点d连接。通过MOS管Q2开关的切换来完成负载R_L工作和负载R_L测量这两个动作。

本实施例中，三极管Q1为NPN型三极管，MOS管Q2为P沟道MOS管。当然，在本实施例的一些情况下，上述三极管Q1也可以为PNP型三极管，MOS管Q2也可以为N沟道MOS管，但这时电路的结构也要相应进行调整。

图4为本实施例中电压差放大电路的结构示意图；图4中，电压差放大电路42包括集成运算放大器A、第一节点电阻R_a、第二节点电阻R_b、第三节点电阻R_c和第四节点电阻R_d，其中，第一节点电阻R_a的一端与镜像节点电阻R_G的一端连接，第一节点电阻R_a的另一端与集成运算放大器A的反相输入端连接，第一节点电阻R_a的另一端还通过第三节点电阻R_c与集成运算放大器A的输出端连接，第二节点电阻R_b的一端与镜像节点电阻R_G的另一端连接，第二节点电阻R_b的另一端分别与第四节点电阻R_d的一端和集成运算放大器A的同相输入端连接，第四节点电阻R_d的另一端接地。本实施例中，第一节点电阻R_a的阻值与第二节点电阻R_b的阻值相等，第三节点电阻R_c的阻值与第四节点电阻R_d的阻值相等。图4中的节点a与节点b分别与图3的节点a与节点b连接。图4中，节点f输出节点a与节点b的电压差并予以放大，放大倍数是R_c/R_a。

图5为本实施例中PWM波形的示意图，具体是PWM波形一个周期的示意图，电路在运行中，图4中的节点f的输出会根据PWM波形在A阶段还是B阶段而发生变化。但是由于图3中第四二极管D4的作用，图3中的节点a的电流并不会流向第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3，所以不会对电路中的节点c造成损坏。所以在A阶段过程中，图3中的MOS管Q2处于工作状态，负载R_L负责加热，在B阶段过程中，图3中的MOS管Q2处于关断状态，这时候图3中的电桥采样电路41处于工作状态，这时候采样节点f的电压就是需要采样的电压，所以在B阶段，节点f的电压的变化直接反映了目前负载R_L电阻的变化。所以，微控制器1就可以根据PWM波形目前的同步状态，在B阶段控制ADC模块进行采样，从而得到目前负载R_L的电阻情况，然后再根据实验标注，就可以将节点f的采样信息数值对应到负载R_L目前的温度了。从而实现了在直流加热控制的情况下，不使用温度传感器，就可以测量目前加热器具温度的目的。

在本实施例的一些情况下，也可以不需要PWM功率控制器2，这时，微控制器1直接向驱动电路3发送开关信号，驱动电路3接收到开关信号后，相应控制负载R_L的状态，电桥采样放大电路4与负载R_L连接、用于对电桥采样放大电路4中与负载R_L对应的两个镜像节点(节点a和节点b)进行采样并对两个镜像节点的电压差进行放大，ADC模块5接收电桥采样放大电路4输出的放大信号，并对放大信号进行模数转换，微控制器接收ADC模块5输出的数字信号，并调整相应的功率目标。这种结构并没有采用PWM控制负载R_L的实时输出功率，而是通过开关的方式控制电路的工作状态。所以实际上依然可以用类似的方式进行测量。类似于PWM控制，微控制器1不断的短时间关断负载R_L的驱动电路3，然后在关断的瞬间完成采样，来获得负载R_L目前状态下的电阻，从而得到负载R_L目前的温度。这样就可以根据温度控制负载R_L的工作状况或者确保负载R_L是否正在安全运行。此种方式实现也比较方便。图6为本实施例中开关信号的示意图。

另外，本实施例中采用了电桥采样放大电路4测量负载R_L电阻的方法，当然，在本实施例的一些情况下，也可以采用其他的方法测量负载R_L电阻，例如分压法等等。

总之，在本实施例中，在不需要采用外界温度传感器的情况下，通过测量负载R_L的电阻大小来判断目前负载R_L的温度情况。通过了解整个负载R_L(加热器具)的温度情况，一方面可以更直接的了解整体负载R_L(加热器具)具的温度状况，也可以在负载R_L发生故障时(例如电热毯设备，电热丝的某一个点发生局部断裂造成高发热)及时切断电源，保证了安全性。从而可以达到可以更加方便，安全的控制负载R_L(加热器具)的工作状态的需求。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种直流加热器具测温系统，其特征在于，包括微控制器、驱动电路、负载、电桥采样放大电路和ADC模块，所述微控制器向所述驱动电路发送开关信号，所述驱动电路接收到所述开关信号后，相应控制所述负载的状态，所述电桥采样放大电路与所述负载连接、用于对所述电桥采样放大电路中与所述负载对应的两个镜像节点进行采样并对两个所述镜像节点的电压差进行放大，所述ADC模块接收所述电桥采样放大电路输出的放大信号，并对所述放大信号进行模数转换，所述微控制器接收所述ADC模块输出的数字信号，并调整相应的功率目标；

所述驱动电路包括三极管、MOS管和第四电阻，所述三极管的基极接收所述开关信号或PWM波形，所述三极管的集电极分别与所述第四电阻的一端和MOS管的栅极连接，所述三极管的发射极接地，所述MOS管的源极与所述第四电阻的另一端连接，所述MOS管的漏极与所述负载的一端连接；

所述电桥采样放大电路包括电桥采样电路和电压差放大电路，所述电桥采样电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和镜像节点电阻，所述第一二极管的阳极与所述第二二极管的阳极连接，所述第一二极管的阴极通过所述第一电阻与所述镜像节点电阻的一端连接，所述第二二极管的阴极通过所述第二电阻与所述镜像节点电阻的另一端连接，所述第三二极管的阳极与所述镜像节点电阻的另一端连接，所述第三二极管的阴极通过所述第三电阻接地，所述第四二极管的阳极与所述镜像节点电阻的一端连接，所述第四二极管的阴极分别与所述负载的一端及MOS管的漏极连接，所述镜像节点电阻的两端分别与所述电压差放大电路的两个输入端连接；

所述电压差放大电路包括集成运算放大器、第一节点电阻、第二节点电阻、第三节点电阻和第四节点电阻，所述第一节点电阻的一端与所述镜像节点电阻的一端连接，所述第一节点电阻的另一端与所述集成运算放大器的反相输入端连接，所述第一节点电阻的另一端还通过所述第三节点电阻与所述集成运算放大器的输出端连接，所述第二节点电阻的一端与所述镜像节点电阻的另一端连接，所述第二节点电阻的另一端分别与所述第四节点电阻的一端和集成运算放大器的同相输入端连接，所述第四节点电阻的另一端接地；

将驱动电路、负载和电桥采样放大电路做成一体；节点a和节点b互为镜像，也就是上述提到的两个镜像节点，节点c是电桥采样电路的采样用电源，节点d是负载的驱动电源，节点c的电压远低于节点d的电压，节点e是PWM波形的输入节点，第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管均为高速恢复整流二极管；电桥采样放大电路的功能是在电路中不断采样负载对应的节点a和节点a所对应的镜像节点b的电压状况，并将节点a和节点b的电压相减后进行放大；三极管的基极与节点e连接，MOS管的源极与节点d连接，通过MOS管开关的切换来完成负载工作和负载测量这两个动作；节点f输出节点a与节点b的电压差并予以放大；电路在运行中，节点f的输出会根据PWM波形在A阶段还是B阶段而发生变化，在A阶段过程中，MOS管处于工作状态，负载负责加热，在B阶段过程中，MOS管处于关断状态，电桥采样电路处于工作状态，这时候采样节点f的电压就是需要采样的电压，微控制器根据PWM波形目前的同步状态，在B阶段控制ADC模块进行采样，从而得到目前负载的电阻情况，然后再根据实验标注，就将节点f的采样信息数值对应到负载目前的温度；微控制器不断的短时间关断负载的驱动电路，然后在关断的瞬间完成采样，来获得负载目前状态下的电阻，从而得到负载目前的温度；

两个所述镜像节点中，其中一个节点为所述第一电阻、镜像节点电阻和第四二极管连接的节点，另一个节点为所述第二电阻、镜像节点电阻和第三二极管连接的节点。

2.根据权利要求1所述的直流加热器具测温系统，其特征在于，还包括PWM功率控制器，所述微控制器向所述PWM功率控制器发送功率目标控制指令，所述PWM功率控制器接收到所述功率目标控制指令后，依据所述功率目标控制指令输出相应的PWM波形，同时将所述PWM波形的输出状态发送给所述微控制器，所述驱动电路接收所述PWM功率控制器输出的PWM波形，并依据所述PWM波形相应控制所述负载的状态。

3.根据权利要求1所述的直流加热器具测温系统，其特征在于，所述第一节点电阻的阻值与所述第二节点电阻的阻值相等，所述第三节点电阻的阻值与所述第四节点电阻的阻值相等。

4.根据权利要求1所述的直流加热器具测温系统，其特征在于，所述三极管为NPN型三极管，所述MOS管为P沟道MOS管。

5.根据权利要求1所述的直流加热器具测温系统，其特征在于，所述第一电阻的阻值、第二电阻的阻值、第三电阻的阻值和镜像节点电阻的阻值相等。