CN105652919A

CN105652919A - 温度控制系统

Info

Publication number: CN105652919A
Application number: CN201410679754.4A
Authority: CN
Inventors: 彭铁成; 易明生
Original assignee: Shenzhen Comen Medical Instruments Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Comen Medical Instruments Co Ltd
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2034-11-21
Also published as: CN105652919B; WO2016078206A1

Abstract

本发明涉及一种温度控制系统，包括：温度测量电路，用于对目标物体的温度进行周期性测量并形成电压信号后输出；控制电路，与温度测量电路连接，用于接收电压信号并根据所电压信号获取目标物体的当前温度值，并根据预设目标温度值和当前温度值设定加热时长；加热时长小于或等于温度测量电路的测量周期；执行电路，与控制电路连接，用于控制加热设备按加热时长进行加热以实现对目标物体的温度的调节。上述温度控制系统会周期性地对目标物体的温度进行检测并根据检测值对测量周期内的加热设备的导通时间进行设定实现对温度调节。根据目标物体的温度变化对输出进行相应的调整，能够提高温度调节的精准度，减少了温度误差。

Description

温度控制系统

技术领域

本发明涉及温度控制技术领域，特别是涉及一种温度控制系统。

背景技术

传统的温度控制系统(例如保温台中)都存在不同程度的温度误差。虽然部分温度采集装置的采集温度可以精确到0.1摄氏度，但是整个系统的温度却很难精准的跟随被加温物体温度变化而进行调整，导致系统的温度与目标温度之间存在较大的温度误差。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种温度误差小的温度控制系统。

一种温度控制系统，包括：温度测量电路，用于对目标物体的温度进行周期性测量并形成电压信号后输出；控制电路，与所述温度测量电路连接，用于接收所述电压信号并根据所电压信号获取目标物体的当前温度值，并根据预设目标温度值和所述当前温度值设定加热时长；所述加热时长小于或等于所述温度测量电路的测量周期；执行电路，与所述控制电路连接，用于控制加热设备按所述加热时长进行加热以实现对目标物体的温度的调节。

在其中一个实施例中，所述温度测量电路包括恒流源电路、温度传感器、电压跟随器以及第一运算放大器；所述恒流源电路用于形成恒流源并输出；所述温度传感器分别与所述恒流源的输出端、所述电压跟随器的同相输入端连接；所述电压跟随器的输出端分别与所述控制电路、所述第一运算放大器的同相输入端连接；所述第一运算放大器的反相输入端与所述恒流源电路的输出端连接；所述第一运算放大器的输出端与所述控制电路连接。

在其中一个实施例中，所述恒流源电路包括基准源电压芯片、第一分压电阻以及第二分压电阻；所述基准源电压芯片用于提供基准源电压；所述基准源电压芯片的电压参考端与第一分压电阻的一端连接；所述第一分压电阻的另一端串联第二分压电阻后接地；所述第一分压电阻的另一端还与所述温度传感器连接。

在其中一个实施例中，所述恒流源电路还包括自调零运算放大器以及MOS管；所述自调零运算放大器的同相输入端连接于所述第一分压电阻和所述第二分压电阻之间，所述自调零运算放大器的反相输入端与所述MOS管的源极连接；所述自调零运算放大器的输出端与所述MOS管的栅极连接；所述MOS管的漏极与所述温度传感器连接。

在其中一个实施例中，所述温度传感器为铂电阻传感器。

在其中一个实施例中，所述控制电路采用比例积分微分方法进行温度调节控制。

在其中一个实施例中，所述控制电路采用的比例系数为1.6～5，积分时间常数为3～10，微分时间常数为0.5～3。

在其中一个实施例中，所述执行电路包括第一MOS管以及继电器；所述第一MOS管的栅极与所述控制电路连接，用于根据所述加热时长控制所述第一MOS管的导通时长；所述第一MOS管的漏极与所述继电器线圈连接；所述继电器线圈的另一端与供电电源输入端连接；所述继电器开关与所述加热设备连接。

在其中一个实施例中，还包括反馈电路，所述反馈电路包括第二运算放大器以及第三运算放大器；所述执行电路还包括电流互感器以及第二MOS管；所述电流互感器的输入端与所述继电器开关连接，输出端分别与所述第二运算放大器的反相输入端、所述第三运算放大器的反相输入端连接；所述第二运算放大器的同相输入端为第一参考电压输入端；所述第二运算放大器的输出端与所述控制电路连接；所述第三运算放大器的同相输入端为第二参考电压输入端；所述第二运算放大器的输出端分别与所述控制电路、所述第二MOS管的栅极连接；所述第二MOS管的漏极与所述第一MOS管源极连接，所述第二MOS管的源极接地；所述第二运算放大器用于检测所述加热设备是否启动；所述第三运算放大器用于检测所述加热设备是否处于过热。

在其中一个实施例中，还包括转换电路；所述转换电路连接于所述温度测量电路和所述控制电路之间，用于将所述温度测量电路输出的模拟电压信号转换为数字电压信号后输出给所述控制电路。

上述温度控制系统会周期性地对目标物体的温度进行检测并根据检测值对测量周期内的加热设备的导通时间进行设定实现对温度调节。根据目标物体的温度变化对输出进行相应的调整，能够提高温度调节的精准度，减少温度误差。同时，温度测量电路输出的是精准度易于控制的电压信号，提高了测量结果的精准度，从而进一步提高了温度调节的准确度并减少了温度误差。

附图说明

图1为一实施例中的温度控制系统的结构框图；

图2为另一实施例中的温度控制系统的结构框图；

图3为图2所示实施例中的温度控制系统中的温度测量电路的电路原理图；

图4为图2所示实施例中的温度控制系统中的铂电阻传感器的温度和铂电阻阻值对应关系图；

图5为图2所示实施例中的温度控制系统中的控制电路及其周围电路的电路原理图；

图6为图2所示实施例中的温度控制系统中的执行电路的电路原理图；

图7为图2所示实施例中的温度控制系统中的反馈电路的电路原理图。

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。

图1所示为一实施例中的温度控制系统的结构框图，包括温度测量电路110、控制电路120以及执行电路130。其中，温度测量电路110、控制电路120以及执行电路130依次电性连接。温度控制系统用于对目标物体的温度进行调节，可以适用于婴儿保温台等需要根据目标物体的温度变化对温度进行调节控制的设备中。

温度测量电路110用于对目标物体的温度进行周期性测量并形成电压信号后输出给控制电路120。控制电路120用于接收温度测量电路110输出的电压信号并根据该电压信号获取目标物体的当前温度值。在本实施例中，温度测量电路110是采用铂电阻传感器来实现目标物体的温度值到电压信号的转变，且温度测量电路110为恒流源电路。因此控制电路120在接收到该电压信号值后通过计算即可获得该铂电阻的阻值，从而根据其阻值获知目标物体的当前温度值。控制电路120对目标物体的当前温度值以及预设目标温度值进行比较，从而根据二者之间的差值关系设定一加热时长。加热时长小于或等于温度测量电路110的测量周期。执行电路130根据该加热时长对加热设备进行控制从而实现对温度的调节。通过对加热设备的加热时长的控制，可以实现对加热设备的加热功率的调节。在本实施例中，当加热时长到达后，执行电路130会控制加热设备停止加热，并等待温度测量电路110的新一轮的温度测量过程，从而周而复始的根据目标物体的温度变化对加热设备的加热时长进行调整，实现对目标物体的温度的精准调节，避免目标物体温度过高或者过低给目标物体所带来的不适应或者不便。

上述温度控制系统会周期性地对目标物体的温度进行检测并根据检测值对测量周期内的加热设备的导通时间进行设定实现温度调节。根据目标物体的温度变化对输出进行相应的调整，能够提高温度调节的精准度，减少温度误差。同时，温度测量电路110输出的是精准度易于控制的电压信号，提高了测量结果的精准度，从而进一步提高了温度调节的准确度并减少了温度误差。

图2所示为另一实施例中的温度控制系统的结构框图，包括温度测量电路210、控制电路220、执行电路230以及反馈电路240。其中，温度测量电路210与控制电路220连接，执行电路230分别与控制电路220和反馈电路240连接。反馈电路240还与控制电路220连接。

温度测量电路210包括恒流源电路、温度传感器、电压跟随器以及第一运算放大器等，其电路原理如图3所示。温度测量电路210会周期性的对目标物体的温度进行测量并形成电压信号后输出。恒流源电路包括基准源电压芯片U11、第一分压电阻R88、第二分压电阻R89、第一滤波电容C50、自调零运算放大器U13A以及MOS管Q1。其中，基准源电压芯片U11用于产生基准源电压。基准源电压芯片U11的电压输入端VIN与交流电源输入端A+5V连接，电压参考端VFEF与第一分压电阻R88连接。在本实施例中，基准源电压芯片U11产生的基准源电压为3.3V。第一分压电阻R88分别串联第二分压电阻R89、第一电容C50后接地。第一分压电阻R88与第二分压电阻R89连接的一端还与自调零运算放大器U13A的同相输入端连接。自调零运算放大器U13A的反相输入端连接于MOS管Q1的源极。自调零运算放大器U13A的电源端与交流电源输入端A+5V连接，其输出端与MOS管Q1的栅极连接。MOS管Q1的漏极则连接于第一连接器J11的第三引脚。MOS管Q1的源极还串联电阻R95后接地。在本实施例中，通过基准源电压芯片U11产生一基准源电压，经过第一分压电阻R88和第二分压电阻R89的分压后产生一恒流源电流。产生的恒流源电流经过高精度的自调零运算放大器U13A和低功耗的MOS管Q1后形成具有恒定电流值的精准电流源，有利于提高温度测量电路测量结果的精准度。

温度传感器(图中未示)是通过第一连接器J11与温度测量电路210中其他元件进行连接的。在本实施例中温度传感器采用Pt100热电阻来对目标物体的温度进行检测并以电压形式输出，即形成电压信号后输出。在本实施例中，第一连接器J11的第四引脚接地，第二引脚与直流电源输入端D+5V连接，第一引脚则串联电阻R90后与运算放大器U16B的同相输入端连接。运算放大器U16B的同相输入端还串联电容C51后接地。运算放大器U16B的反相输入端串联电阻R101后接地。运算放大器U16B的反相输入端还分别串联电容C56、电容R97后连接于运算放大器U16B的输出端。运算放大器U16B的输出端连接于电压跟随器U14A的同相输入端。电压跟随器U14A的反相输入端连接于电压跟随器U14A的输出端。电压跟随器U14A的电源端和运算放大器U16B的电源端均与交流电源输入端A+5V连接。电压跟随器U14A的输出端串联电阻R94后连接于运算放大器U15B的同相输入端，电压跟随器U14A的输出端还串联电阻R93后作为输出端与控制电路220连接。运算放大器U15B的同相输入端还串联电阻R95后连接于运算放大器U15B的输出端。运算放大器U15B的输出端串联电阻R102后作为温度检测输出端PROBE_TEMP(即电压信号输出端)与控制电路220连接。运算放大器U15B的反相输入端串联电阻R103后连接于自调零运算放大器U13A的同相输入端。运算放大器U15B的反相输入端还串联电阻R104后与运算放大器U15B的接地端连接后接地。

在本实施例中，经过MOS管Q1形成的恒流源通过第一连接器J11连接的温度传感器(即铂电阻)时会产生压降，在经过运算放大器的计算以及电压跟随器的电压跟随后形成稳定的电压信号输出给控制电路220。上述温度控制系统还包括转换电路，连接于温度测量电路210和控制电路220之间。转换电路用于将温度测量电路210输出的模拟电压信号转换为控制电路220所能够读取的数字电压信号后输出给控制电路220。具体地，转换电路采用18位的外扩AD芯片MCP3421。在本实施例中，温度测量电路210通过运算放大器的放大处理可以将温度传感器电压转换到工作电压范围内。

控制电路220用于接收电压信号并根据该电压信号进行计算以获得目标物体当前的温度值。在本实施例中，温度测量电路210通过产生一恒流源经过铂电阻上形成压降从而输出对应的电压信号。因此将获得的电压信号除以恒流源即可以获得铂电阻阻值，从而通过温度和铂电阻阻值对应关系获知目标物体的当前温度值。图4为温度和铂电阻阻值对应表，其中Temperature是指温度值，ResistanceRt是指电阻值，Sensibility是指灵敏度，PermissibleDeviation是指允许偏差，limitingvalue是指极限值。因此，根据铂电阻阻值以及其灵敏度等信息既可以获知目标物体的当前温度值。控制电路220通过先测量精准度易于控制的电压形成电压信号再计算获得铂电阻阻值，测试过程较为容易实现且精准度较高。而传统的温度测量，多采用直接测量铂电阻的阻值变化情况，当目标物体的温度变化较小时，铂电阻的阻值变化比较微小，因此其阻值变化较难测量，而本实施例中的温度控制系统可以很好的克服该点。

控制电路220会对获知的当前温度值和预设目标温度值进行比较，并根据二者之间的差值关系设定一个加热时长。加热时长小于或者等于温度测量电路210的测量周期。在本实施例中，温度测量电路210的测量周期为2分钟，即温度测量电路210每间隔2分钟进行过一次测量。因此加热周期也为2分钟。控制电路220需要根据二者的温度关系设定一个加热时长，对温度周期内的加热时间进行控制，即根据计算可以让加热时长在0～2分钟内变化。加热过程为连续加热，在加热时长到达而加热周期(即测量周期)还未到达时，加热设备停止进行加热，并等待温度测量电路210进行新一轮的温度测量，从而根据实际测量计算下一周期实际的加热时长，周而复始不断地修正输出的加热时长，以达到对目标温度的有效精准控制，降低温度误差。通过实际测量反馈的数据大小来选择具体的加热时长，从而控制加热设备的加热功率，以达到温度调节的目的。在其他的实施例中，温度测量周期的长短可以根据具体的工作对象以及温度控制要求进行设定。

为了处理过程的方便，单片机需要使用一个定时器用于系统全部时钟，例如显示刷新、键盘扫描等。相对于单片机的计算来说，温度的测量周期比较长，所以对2分钟(即温度测量周期)进行细分，将每分钟划分为100等份，则两分钟就是200等份，这样就达到了200个输出等级了，这样的输出比例已经足够细。划分为200等份的另一个好处是，对应于STM32的8位单片机刚好可以在一个字节内进行处理，处理过程简单且运算速度快。当需要改变测量周期(有些不同的加热对象，例如对较大热惯性的加热对象)时，可能2分钟周期太短，我们可以通过修改基本定时常数的办法来实现，而保持200等分不变。具体地，对2分钟进行200等份的划分，则基本单位是T＝60*2/200＝0.6ms，这对于单片机来说太长了。为了显示、键盘等的处理，一般单片机的定时在5－10ms，所以就需要另外设定一个变量tTemp1在每一个定时中断发生时对tTemp1计数。例如：本系统的定时器的定时常数对应于10ms，则设定tTemp1在达到60的时候确认是达到600ms，才作为一个基本的输出时间单位。因此，当测量周期的时间修改后，而只要修改变量tTemp1的判断边界就可以了。例如对应于2分钟时，tTemp1设定为60，则在测量周期时为3分钟时，将tTemp1改为90即可，而无需对其他部分进行修改。

图5为控制电路220以及其周围电路的电路原理图。控制电路220是采用STM32单片机U3来实现的。在本实施例中，控制电路220采用比例积分微分方法(PID)来实现温度调节控制。PID方法具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点。PID的比例系数Kp、积分时间常数Ti以及微分时间常数Td也可以根据温度控制系统的实际工作对象去进行初步确定，并在实际运行过程中进行相应的调节，以便达到相对理想的效果。本温度控制系统采用比例调节为基础，微分、积分为辅，其比例系数Kp为1.6～5，积分时间常数Ti为3～10，微分时间常数Td为0.5～3。控制电路220会在加热时长内连续输出PWM脉冲信号以控制执行电路230控制加热设备进行加热。

执行电路230用于控制加热设备按控制电路220输出的加热时长进行加热以实现对目标温度的调节。执行电路230的电路原理如图6所示。执行电路230包括第一MOS管Q2、第二MOS管Q3、二极管D6、电感L2、继电器LS1、电流互感器U4、全桥整流电路以及第二连接接口J4等。其中，第一MOS管Q2的栅极串联电阻R17后与控制单元220的脉冲信号输出端PWM_JRQ_A连接。第一MOS管Q2的栅极还串联电阻R3后接地。第一MOS管Q2的源极连接于第二MOS管Q3的漏极。第二MOS管Q3的源极接地，栅极串联电阻R18后与反馈电路240连接。第一MOS管Q2的漏极串联电感L2后连接于继电器LS1的线圈。第一MOS管Q2的漏极还串联二极管D6后与直流电源输入端D+12V连接。二极管D6的正极连接于第一MOS管Q2的漏极，负极连接于直流电源输入端D+12V。继电器LS1的开关分别与电流互感器U4、第二连接器J4连接。第二连接器J4用于与加热设备连接。电流互感器U4的输出端并联电阻R2后与全桥整流电路进行连接。在本实施例中，执行电路230采用的是具有功耗小、反应快以及漏电流小、开启电压小等优点的MOS管，并采用固态继电器。

当控制电路220的单片机U3输出高电平时，第一MOS管Q1导通，继电器JS1的线圈得电，继电器开关吸合，加热电路导通，加热设备进入加热状态。同时电流会经过电流互感器U4并在电阻R2上产生电压，经过全桥整流电路的整流后得到一个稳定的电压之后输出给反馈电路240。通过对MOS管Q1的导通时间来控制继电器JS1的导通时间，进而控制加热设备的加热时长，实现对目标温度的调节。

反馈电路240包括第二运算放大器U6A和第三运算放大器U6B，如图7所示。第一运算放大器U6A的反相输入端和第二运算放大器U6B的反相输入端均与全桥整流电路的输出端连接，即用于接收其产生的电压值。第二运算放大器U6A的同相输入端为第一参考电压端，其参考电压值可以通过电阻R231和电阻R34确定。电阻R231的一端连接于直流电源输入端D+5V，另一端则分别连接电阻R34、第二运算放大器U6A的同相输入端。第二运算放大器U6A的输出端与控制电路220的单片机U3连接。第三运算放大器U6B的同相输入端作为第二参考电源端，其参考电压可以通过电阻R27、电阻R29以及电阻R32进行设定。第三运算放大器U6B的同相输入端分别串联电阻R27和电阻R28后与直流电源输入端D+5V连接。第三运算放大器U6B的同相输入端还串联电阻R32后接地。第三运算放大器U6B的输出端TP_OVER_C则分别与第二MOS管Q3的栅极、单片机U3连接。

在本实施例中，第一参考电压为加热设备的启动电压值，即第二运算放大器U6A用于检测加热设备是否启动。当第二运算放大器U6A输出低电平(即反相输入端的电压值高于第一参考电压时)即可以确认加热设备已经启动，并将该信息反馈给控制电路220。第二参考电压为过热电压参考值，即第三运算放大器U6B用于检测加热设备是否过热。当第三运算放大器U6B输出低电平(即反相输入端的电压值高于第二参考电压时)即可确认加热设备处于过热，并通过该低电平直接控制第二MOS管Q3断开，使得执行电路230停止工作，从而使得加热设备停止加热，对系统实现及时有效的过热保护。同时，还将该过热信息反馈给控制电路220，以便于控制电路220根据该过热信息进行相应的控制处理。在本实施例中，第一参考电压设定为0.489V，第二参考电压设定为4.237V。在其他的实施例中，二者的电压值可以根据具体情况继续设定。

上述温度控制系统可以实现对目标物体温度的精准控制，减小温度误差。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种温度控制系统，其特征在于，包括：

温度测量电路，用于对目标物体的温度进行周期性测量并形成电压信号后输出；

控制电路，与所述温度测量电路连接，用于接收所述电压信号并根据所电压信号获取目标物体的当前温度值，并根据预设目标温度值和所述当前温度值设定加热时长；所述加热时长小于或等于所述温度测量电路的测量周期；

执行电路，与所述控制电路连接，用于控制加热设备按所述加热时长进行加热以实现对目标物体的温度的调节。

2.根据权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述温度测量电路包括恒流源电路、温度传感器、电压跟随器以及第一运算放大器；所述恒流源电路用于形成恒流源并输出；所述温度传感器分别与所述恒流源的输出端、所述电压跟随器的同相输入端连接；所述电压跟随器的输出端分别与所述控制电路、所述第一运算放大器的同相输入端连接；所述第一运算放大器的反相输入端与所述恒流源电路的输出端连接；所述第一运算放大器的输出端与所述控制电路连接。

3.根据权利要求2所述的温度控制系统，其特征在于，所述恒流源电路包括基准源电压芯片、第一分压电阻以及第二分压电阻；所述基准源电压芯片用于提供基准源电压；所述基准源电压芯片的电压参考端与第一分压电阻的一端连接；所述第一分压电阻的另一端串联第二分压电阻后接地；所述第一分压电阻的另一端还与所述温度传感器连接。

4.根据权利要求3所述的温度控制系统，其特征在于，所述恒流源电路还包括自调零运算放大器以及MOS管；所述自调零运算放大器的同相输入端连接于所述第一分压电阻和所述第二分压电阻之间，所述自调零运算放大器的反相输入端与所述MOS管的源极连接；所述自调零运算放大器的输出端与所述MOS管的栅极连接；所述MOS管的漏极与所述温度传感器连接。

5.根据权利要求2～4任一所述的温度控制系统，其特征在于，所述温度传感器为铂电阻传感器。

6.根据权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述控制电路采用比例积分微分方法进行温度调节控制。

7.根据权利要求6所述的温度控制系统，其特征在于，所述控制电路采用的比例系数为1.6～5，积分时间常数为3～10，微分时间常数为0.5～3。

8.根据权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述执行电路包括第一MOS管以及继电器；所述第一MOS管的栅极与所述控制电路连接，用于根据所述加热时长控制所述第一MOS管的导通时长；所述第一MOS管的漏极与所述继电器线圈连接；所述继电器线圈的另一端与供电电源输入端连接；所述继电器开关与所述加热设备连接。

9.根据权利要求8所述的温度控制系统，其特征在于，还包括反馈电路，所述反馈电路包括第二运算放大器以及第三运算放大器；所述执行电路还包括电流互感器以及第二MOS管；所述电流互感器的输入端与所述继电器开关连接，输出端分别与所述第二运算放大器的反相输入端、所述第三运算放大器的反相输入端连接；所述第二运算放大器的同相输入端为第一参考电压输入端；所述第二运算放大器的输出端与所述控制电路连接；所述第三运算放大器的同相输入端为第二参考电压输入端；所述第二运算放大器的输出端分别与所述控制电路、所述第二MOS管的栅极连接；所述第二MOS管的漏极与所述第一MOS管源极连接，所述第二MOS管的源极接地；所述第二运算放大器用于检测所述加热设备是否启动；所述第三运算放大器用于检测所述加热设备是否处于过热。

10.根据权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，还包括转换电路；所述转换电路连接于所述温度测量电路和所述控制电路之间，用于将所述温度测量电路输出的模拟电压信号转换为数字电压信号后输出给所述控制电路。