CN112306120B - 一种温度控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种温度控制系统，包括：温度采集装置、温度驱动装置以及控制装置；所述温度采集装置用于通过双ADC交叉采样，以及恒流源倒置的方式采集待测环境的温度；所述控制装置用于结合温度采集装置采集的温度值和所述预设的温度值确定温度驱动装置的制冷功率或加热功率；所述温度驱动装置用于根据所述控制装置确定的制冷功率或加热功率对待测环境进行制冷或者加热，以使得其温度达到预设的温度值。本发明通过双ADC交叉采样，以及恒流源倒置的方式采集待测环境的温度，使得环境温度的采集精度高。本发明的温控系统可以实现加热和制冷的双向精密控制。
Description
技术领域
本发明属于温度控制技术领域，更具体地，涉及一种温度控制系统。
背景技术
包括光刻机在内的高精密仪器工作时对工作环境温度有非常苛刻的要求，其运行过程中需要精密温度控制系统维持工作环境恒温，现有温控系统存在控制精度低，最高为±10mk；温度采集环节精度低；系统非模块化组合式结构，功能模块不能单独工作；有的仅有加热设备没有制冷设备，不利于温控算法的实现；有的采用制冷与加热集成在一起的TEC，具有应用不灵活、加热功率不够、制冷效率低的缺点。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种温度控制系统，旨在解决现有温控系统温度采集的精度低、控制精度低、制冷或加热功能不完备以及制冷和加热不灵活的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种温度控制系统，包括：温度采集装置、温度驱动装置以及控制装置；
所述温度采集装置用于通过双ADC交叉采样，以及恒流源倒置的方式采集待测环境的温度；
所述控制装置用于结合温度采集装置采集的温度值和所述预设的温度值确定温度驱动装置的制冷功率或加热功率；
所述温度驱动装置用于根据所述控制装置确定的制冷功率或加热功率对待测环境进行制冷或者加热，以使得其温度达到预设的温度值。
在一个可选的实施例中，所述温度采集装置包括：采集模块和测温模块；每个采集模块连接一个测温模块，每个测温模块放置于待测温度的空间内；
每个采集模块包括：第一ADC、第二ADC以及标准电阻；每个测温模块包括：热敏电阻；所述标准电阻和热敏电阻串联；所述标准电阻的阻值不会随着温度而变化，所述热敏电阻的阻值随着温度的变化而变化；
每个采集模块采集对应的测温模块的数据，具体为：首先对标准电阻和热敏电阻两端通入正向电流，每个采集模块使用第一ADC采集标准电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集热敏电阻两端的电压；然后对标准电阻和热敏电阻两端通入反向电流，每个采集模块使用第一ADC采集标准电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集热敏电阻两端的电压；之后依然对标准电阻和热敏电阻两端通入反向电流，每个采集模块使用第一ADC采集热敏电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集标准电阻两端的电压；然后对标准电阻和热敏电阻两端通入正向电流，使用第一ADC采集热敏电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集标准电阻两端的电压；每个采集模块共采集到八个电压数据；
所述温度采集装置基于采集模块采集到的八个电压数据和所述标准电阻的阻值确定热敏电阻的阻值，并基于热敏电阻的阻值和热敏电阻的类型确定对应的测温模块所在空间点的温度。
其中，正向电流和反向电流分别对应恒流源的正向和倒向。
在一个可选的实施例中，所述温度采集装置还包括：第一恒流源；
所述第一恒流源用于向标准电阻和热敏电阻两端通入正向电流或者反向电流；所述第一恒流源正置的时为正向电流，倒置时为反向电流。
在一个可选的实施例中，所述温度采集装置还包括：机械式继电器交换电路；
所述机械式继电器交换电路用于将第一ADC和第二ADC连接在标准电阻的两端，以及将第一ADC和第二ADC连接在热敏电阻的两端；还用于控制所述第一恒流源正置或倒置，将对应的正向电流或反向电流通入热敏电阻和标准电阻；
所述机械式继电器交换电路处于第一种工作状态时，正向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集标准电阻两端的电压，第二ADC采集热敏电阻两端的电压；
所述机械式继电器交换电路处于第二种工作状态时，反向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集标准电阻两端的电压，第二ADC采集热敏电阻两端的电压；
所述机械式继电器交换电路处于第三种工作状态时，反向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集热敏电阻两端的电压，第二ADC采集标准电阻两端的电压；
所述机械式继电器交换电路处于第四种工作状态时，正向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集热敏电阻两端的电压，第二ADC采集标准电阻两端的电压。
在一个可选的实施例中，所述温度采集装置基于采集模块采集到的八个电压数据和所述标准电阻的阻值确定热敏电阻的阻值，具体为：
其中，RL为热敏电阻的阻值，RS为标准电阻的阻值，URL1为通入正向电流时第二ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URL2为通入反向电流时第二ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URL3为通入反向电流时第一ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URL4为通入正向电流时第一ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URS1为通入正向电流时第一ADC采集的标准电阻两端的电压值，URS2为通入反向电流时第一ADC采集的标准电阻两端的电压值，URS3为通入反向电流时第二ADC采集的标准电阻两端的电压值，URS4为通入正向电流时第二ADC采集的标准电阻两端的电压值。
在一个可选的实施例中，所述温度驱动装置包括：制冷模块和加热模块；
所述制冷模块通过制冷压缩机对待测环境进行制冷；
所述加热模块通过恒流源向加热丝输出电流，以对待测环境进行加热。
在一个可选的实施例中，所述控制装置包括：处理模块；
所述处理模块根据预设的温度值和所述温度采集装置确定的待测环境的温度值，确定对应的温度偏差，并根据对应的温度偏差、制冷模块的参数和加热模块的参数计算出对应的制冷功率或者加热功率；
所述处理模块向温度驱动装置发送指令，以指示所述制冷模块按照所述制冷功率进行制冷或指示所述加热模块按照所述加热功率进行加热。
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：
本发明提供一种温度控制系统，基于高精度的温度采集板卡，通过双ADC交叉采样，以及恒流源倒置的方式采集待测环境的温度，使得环境温度的采集精度高。本发明的温控系统可以实现加热和制冷的双向精密控制，可以实现面向气体、液体等温控介质的高精度温度控制效果；本发明采用模块化设计，采集和驱动模块可以脱离控制板单独工作。
附图说明
图1是本发明实施例提供的温度控制系统整体原理框图；
图2是本发明实施例提供的主控板与驱动板采集板电气连接原理框图；
图3是本发明实施例提供的DB9接口电气分配示意图；
图4是本发明实施例提供的驱动板DB9接口电气分配示意图；
图5是本发明实施例提供的采集板DB9接口电气分配示意图；
图6是本发明实施例提供的驱动板电路原理框图；
图7是本发明实施例提供的PWM控制信号产生电路原理框图；
图8是本发明实施例提供的电流、电压控制信号产生电路原理框图。
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。
本发明提供了一种温度控制系统，包括：温度采集装置、温度驱动装置以及控制装置；
所述温度采集装置用于通过双ADC交叉采样，以及恒流源倒置的方式采集待测环境的温度；
所述控制装置用于结合温度采集装置采集的温度值和所述预设的温度值确定温度驱动装置的制冷功率或加热功率；
所述温度驱动装置用于根据所述控制装置确定的制冷功率或加热功率对待测环境进行制冷或者加热，以使得其温度达到预设的温度值。
在一个可选的实施例中，所述温度采集装置包括：采集模块和测温模块；每个采集模块连接一个测温模块，每个测温模块放置于待测温度的空间内；
每个采集模块包括：第一ADC、第二ADC以及标准电阻；每个测温模块包括：热敏电阻；所述标准电阻和热敏电阻串联；所述标准电阻的阻值不会随着温度而变化，所述热敏电阻的阻值随着温度的变化而变化；
每个采集模块采集对应的测温模块的数据，具体为：首先对标准电阻和热敏电阻两端通入正向电流，每个采集模块使用第一ADC采集标准电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集热敏电阻两端的电压；然后对标准电阻和热敏电阻两端通入反向电流，每个采集模块使用第一ADC采集标准电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集热敏电阻两端的电压；之后依然对标准电阻和热敏电阻两端通入反向电流，每个采集模块使用第一ADC采集热敏电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集标准电阻两端的电压；然后对标准电阻和热敏电阻两端通入正向电流，使用第一ADC采集热敏电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集标准电阻两端的电压；每个采集模块共采集到八个电压数据；
所述温度采集装置基于采集模块采集到的八个电压数据和所述标准电阻的阻值确定热敏电阻的阻值，并基于热敏电阻的阻值和热敏电阻的类型确定对应的测温模块所在空间点的温度。
在一个可选的实施例中，所述温度采集装置还包括：第一恒流源；
所述第一恒流源用于向标准电阻和热敏电阻两端通入正向电流或者反向电流；所述第一恒流源正置的时为正向电流，倒置时为反向电流。
在一个可选的实施例中，所述温度采集装置还包括：机械式继电器交换电路；
所述机械式继电器交换电路用于将第一ADC和第二ADC连接在标准电阻的两端，以及将第一ADC和第二ADC连接在热敏电阻的两端；还用于控制所述第一恒流源正置或倒置，将对应的正向电流或反向电流通入热敏电阻和标准电阻；
所述机械式继电器交换电路处于第一种工作状态时，正向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集标准电阻两端的电压，第二ADC采集热敏电阻两端的电压；
所述机械式继电器交换电路处于第二种工作状态时，反向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集标准电阻两端的电压，第二ADC采集热敏电阻两端的电压；
所述机械式继电器交换电路处于第三种工作状态时，反向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集热敏电阻两端的电压，第二ADC采集标准电阻两端的电压；
所述机械式继电器交换电路处于第四种工作状态时，正向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集热敏电阻两端的电压，第二ADC采集标准电阻两端的电压。
在一个可选的实施例中，所述温度采集装置基于采集模块采集到的八个电压数据和所述标准电阻的阻值确定热敏电阻的阻值，具体为：
其中，RL为热敏电阻的阻值，RS为标准电阻的阻值，URL1为通入正向电流时第二ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URL2为通入反向电流时第二ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URL3为通入反向电流时第一ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URL4为通入正向电流时第一ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URS1为通入正向电流时第一ADC采集的标准电阻两端的电压值，URS2为通入反向电流时第一ADC采集的标准电阻两端的电压值，URS3为通入反向电流时第二ADC采集的标准电阻两端的电压值，URS4为通入正向电流时第二ADC采集的标准电阻两端的电压值。
在一个可选的实施例中，所述温度驱动装置包括：制冷模块和加热模块；
所述制冷模块通过制冷压缩机对待测环境进行制冷；
所述加热模块通过恒流源向加热丝输出电流，以对待测环境进行加热。
在一个可选的实施例中，所述控制装置包括：处理模块；
所述处理模块根据预设的温度值和所述温度采集装置确定的待测环境的温度值，确定对应的温度偏差，并根据对应的温度偏差、制冷模块的参数和加热模块的参数计算出对应的制冷功率或者加热功率；
所述处理模块向温度驱动装置发送指令，以指示所述制冷模块按照所述制冷功率进行制冷或指示所述加热模块按照所述加热功率进行加热。
图1所示为控制系统整体原理框图，由主控板、驱动板、采集板三部分组成，主控板为背板。驱动板、采集板为可插接模块，通过DB9接口与主控背板相连，通讯方式为UART。驱动板、采集板带有ARM MCU能够接收主控板数据指令完成温度量采集、制冷及加热驱动控制信号输出工作，亦可脱离主控板独立工作。
主控板为系统控制核心，板载SoC FPGA，内部为ARM+FPGA架构，既拥有ARM处理器灵活高效的数据运算和事务处理能力，又拥有FPGA的高速并行数据处理与可编程数字电路等优点；温控算法的执行依托移植的Linux操作系统，可以方便进行任务管理与任务切换，局部环境空气温度控制精度可达±5mK；通过千兆以太网口、串口等通讯接口与外部设备相连完成人机交互；具有与FPGA引脚相连的拓展数字逻辑接口，可实现特定的数字逻辑电路，可为接口定制任意通讯协议，因此可外接众多拓展模块。
采集板完成高精度温度采集工作，针对四线制高精度热敏电阻专门设计，双ADC交叉采集电路采用激励电流换向、双ADC交叉采集等方式消除失调电压、热电势等测量误差，采集精度可达±0.5mK。
驱动板完成加热丝、制冷压缩机的驱动控制工作，ARM MCU输出的PWM控制信号经过隔离电路传送至制冷压缩机控制制冷量；ARM MCU输出控制指令控制DAC电路的电压输出大小，其中一路电压控制恒流源输出电流信号(0～24mA)，另一路直接输出±10V电压信号(备用)。
图2为针对局部空气环境空气温度控制的嵌入式模块化控制系统结构，由主控板、驱动板、采集板三部分组成，主控板为背板。驱动板、采集板为可插接模块，通过DB9电气接口与主控背板相连，驱动板、采集板由DB9接口24V供电，为保证ADC、DAC基准参考的一致性，驱动板、采集板基准电源由主控板统一提供，通过UART总线与主控板进行双向数据通讯，完成温度量采集、加热及制冷驱动控制信号输出工作，亦可脱离主控板通过自带的24V电源接口供电独立工作。
控制板DB9接口电气分配如图3所示，1引脚负责24V供电，6为地脚，2为2.5V参考电压引脚，7、3、8、4引脚负责识别与该接口相连的板卡ID，9、5引脚为UART发、收引脚。
驱动板DB9接口电气分配如图4所示，1引脚负责24V供电，6为地脚，2为2.5V参考电压引脚，7、3、8、4引脚表示该板卡ID，7脚为0(接地)，3脚为1(接3.3V)，01表示该板卡为驱动板，8、4引脚为驱动板编号，可以为00、01、10、11，上图所示编号为11，板卡ID为0111，9、5引脚为UART发、收引脚。
驱动板DB9接口电气分配如图5所示，1引脚负责24V供电，6为地脚，2为2.5V参考电压引脚，7、3、8、4引脚表示该板卡ID，7脚为1(接3.3V)，3脚为0(接地)，10表示该板卡为采集板，8、4引脚为驱动板编号，可以为00、01、10、11，上图所示编号为11，板卡ID为1011，9、5引脚为UART发、收引脚。
如图6所示，驱动板完成加热丝、制冷压缩机的驱动控制工作，ARM MCU输出的PWM控制信号经过隔离电路传送至制冷压缩机控制制冷量；ARM MCU输出控制指令控制DAC电路的电压输出大小，其中一路电压控制恒流源输出电流信号(0～24mA)，另一路直接输出±10V电压信号(备用)。
PWM信号输出电路如图7所示，STM32F103ZET6主控PA6、PA7、PB0、PB1四个端口通过定时器产生PWM信号，经过ADUM1410数字隔离芯片，输出4路PWM信号。
±10V、0～2mA模拟量输出电路如图8所示，STM32F103ZET6主控芯片PD2、PD3、PD4、PD5四个端口经ADUM1447数字隔离芯片与16位数模转换器AD5422相连，AD5422内置可编程电流源和可编程电压输出，Iout、Vout端口可直接驱动负载RL。
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 (5)
1.一种温度控制系统，其特征在于，包括：温度采集装置、温度驱动装置以及控制装置；
所述温度采集装置用于通过双ADC交叉采样，以及恒流源倒置的方式采集待测环境的温度；所述温度采集装置包括：采集模块、测温模块以及第一恒流源；每个采集模块连接一个测温模块，每个测温模块放置于待测温度的空间内；每个采集模块包括：第一ADC、第二ADC以及标准电阻；每个测温模块包括：热敏电阻；所述标准电阻和热敏电阻串联；所述标准电阻的阻值不会随着温度而变化，所述热敏电阻的阻值随着温度的变化而变化；每个采集模块采集对应的测温模块的数据，具体为：首先对标准电阻和热敏电阻两端通入正向电流，每个采集模块使用第一ADC采集标准电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集热敏电阻两端的电压；然后对标准电阻和热敏电阻两端通入反向电流，每个采集模块使用第一ADC采集标准电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集热敏电阻两端的电压；之后依然对标准电阻和热敏电阻两端通入反向电流，每个采集模块使用第一ADC采集热敏电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集标准电阻两端的电压；然后对标准电阻和热敏电阻两端通入正向电流，使用第一ADC采集热敏电阻两端的电压，同时使用第二ADC采集标准电阻两端的电压；每个采集模块共采集到八个电压数据；所述温度采集装置基于采集模块采集到的八个电压数据和所述标准电阻的阻值确定热敏电阻的阻值，并基于热敏电阻的阻值和热敏电阻的类型确定对应的测温模块所在空间点的温度；所述第一恒流源用于向标准电阻和热敏电阻两端通入正向电流或者反向电流；所述第一恒流源正置的时为正向电流，倒置时为反向电流；
所述控制装置用于结合温度采集装置采集的温度值和预设的温度值确定温度驱动装置的制冷功率或加热功率；
所述温度驱动装置用于根据所述控制装置确定的制冷功率或加热功率对待测环境进行制冷或者加热，以使得其温度达到预设的温度值。
2.根据权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述温度采集装置还包括：机械式继电器交换电路；
所述机械式继电器交换电路用于将第一ADC和第二ADC连接在标准电阻的两端，以及将第一ADC和第二ADC连接在热敏电阻的两端；还用于控制所述第一恒流源正置或倒置，将对应的正向电流或反向电流通入热敏电阻和标准电阻；
所述机械式继电器交换电路处于第一种工作状态时，正向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集标准电阻两端的电压，第二ADC采集热敏电阻两端的电压；
所述机械式继电器交换电路处于第二种工作状态时，反向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集标准电阻两端的电压，第二ADC采集热敏电阻两端的电压；
所述机械式继电器交换电路处于第三种工作状态时，反向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集热敏电阻两端的电压，第二ADC采集标准电阻两端的电压；
所述机械式继电器交换电路处于第四种工作状态时，正向电流通入标准电阻和热敏电阻，第一ADC采集热敏电阻两端的电压，第二ADC采集标准电阻两端的电压。
3.根据权利要求2所述的温度控制系统，其特征在于，所述温度采集装置基于采集模块采集到的八个电压数据和所述标准电阻的阻值确定热敏电阻的阻值，具体为：
其中，RL为热敏电阻的阻值，RS为标准电阻的阻值，URL1为通入正向电流时第二ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URL2为通入反向电流时第二ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URL3为通入反向电流时第一ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URL4为通入正向电流时第一ADC采集的热敏电阻两端的电压值，URS1为通入正向电流时第一ADC采集的标准电阻两端的电压值，URS2为通入反向电流时第一ADC采集的标准电阻两端的电压值，URS3为通入反向电流时第二ADC采集的标准电阻两端的电压值，URS4为通入正向电流时第二ADC采集的标准电阻两端的电压值。
4.根据权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述温度驱动装置包括：制冷模块和加热模块；
所述制冷模块通过制冷压缩机对待测环境进行制冷；
所述加热模块通过恒流源向加热丝输出电流，以对待测环境进行加热。
5.根据权利要求4所述的温度控制系统，其特征在于，所述控制装置包括：处理模块；
所述处理模块根据预设的温度值和所述温度采集装置确定的待测环境的温度值，确定对应的温度偏差，并根据对应的温度偏差、制冷模块的参数和加热模块的参数计算出对应的制冷功率或者加热功率；
所述处理模块向温度驱动装置发送指令，以指示所述制冷模块按照所述制冷功率进行制冷或指示所述加热模块按照所述加热功率进行加热。
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