CN115237179B - 一种基于机器学习的智能温控管理电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器学习的智能温控管理电路，该电路在负载大小变化时，能够智能识别出负载的变化，利用机器学习算法，配合硬件电路，实现为不同的负载定制不同的温控参数，从而省去由于负载大小变化时，必须需要人为手动去设置或改变系统温控参数的麻烦，大大提升温控参数管理的便捷性和智能化，该电路基于自动识别、智能管理和机器学习的设计理念，自主完成系统温控参数的设定，不需要人为手动去设置和改变系统温控参数，最大限度实现温控参数管理的智能化和自动化。本发明电路中，使用低成本的差分放大器、PMOS管、比较器和单片机为核心电子器件，实现上述复杂和高级的功能，其实现方法简单、灵活和高效，具有很强的适应性。

Description

一种基于机器学习的智能温控管理电路

技术领域

本发明涉及温控仪的加热、制冷的温控技术领域，具体涉及一种基于机器学习的智能温控管理电路。

背景技术

温控器是指根据工作环境的温度变化，在开关内部发生物理形变，从而产生某些特殊效应，产生导通或者断开动作的一系列自动控制元件。温控器主要有双金属片温控器、液涨式温控器、压力式温控器、电子式温控器和数字式温控器。目前温控器产品大部分为双金属片温控器，产品广泛应用于家用电器、汽车、工业设备、电动工具等领域。随着工业现代化发展和国内科研实力增强，传统的温控仪及温控技术，参数受到负载大小变化的影响，需要人为手动进行设置和调节，自动化和智能化程度低，从而影响效率，已经无法满足现代工业和科研的需求。

发明内容

为了提升温控仪的智能化和自动化，提高温控仪的使用便利性和自适应程度，本发明引入了温控管理模块、采集模块和智能识别模块，可以有效提升温控仪的智能化和自动化，即不需要根据外接负载（一般为加热器或制冷器，不同的加热器或制冷器，其负载大小会有不同，温控参数通常需要根据外接负载的大小来对应设置，防止系统超负荷运行、参数设置不合理造成的效率低下、设备仪器的损坏等现象）的变化来人为手动的去设置温控参数，利用机器学习的算法，实现该算法的硬件电路设计，提出了一种智能温控管理的电路。

一种基于机器学习的智能温控管理电路，包括温控管理模块、采集模块和智能识别模块，所述温控管理模块的输入端接直流供电电源，输出端接采集模块的输入端，所述采集模块的输出端负载和智能识别模块的输入端，智能识别模块的输出端接温控管理模块；所述温控管理模块用于动态调整直流供电电源的电压值和电流值，为负载提供加热或制冷所需的电流，并能够接收来自智能识别模块的控制信号，改变负载电流的大小；所述采集模块用于将当前状态的实时工作电流值通过信号转换和处理，反馈给智能识别模块；所述智能识别模块用于将采集到的信号进行处理、识别和分析，根据不同的负载指定温控参数配置，输出动态调节信号给温控管理模块，同时根据温度传感器的反馈，来实时调整系统的工作曲线，以达到最大工作效率的目的。

作为优选，所述的温控管理模块包括PMOS管、第一电阻、第一电感和第一电容；所述的第一电阻一端连接地信号，另一端连接PMOS管的G极，该处信号定义为信号一；所述的第一电感一端连接PMOS管的D极，另一端连接第一电容，该处信号定义为信号二；所述的第一电容一端连接第一电感，另一端连接地信号；所述的PMOS管的S极连接直流供电电源。

作为优选，所述的采集模块包括差分放大器、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻；所述的第二电阻一端连接信号二，另一端连接负载，该处信号定义为信号三；所述的第三电阻一端连接信号二，另一端连接差分放大器的正输入端；所述的第四电阻一端连接信号三，另一端连接差分放大器的负输入端；所述的第五电阻一端连接地信号，另一端连接差分放大器的正输入端；所述的第六电阻一端连接差分放大器的负输入端，另一端连接差分放大器的输出端，该处信号定义为信号四。

作为优选，所述的智能识别模块包括比较器、单片机和温度传感器；所述的单片机的内置ADC控制器分别连接温度传感器和信号四，单片机的DAC控制器连接比较器的负输入端，该处信号定义为信号五；所述的比较器正输入端连接信号四，负输入端连接信号五，输出端连接信号一。

本发明所述的一种基于机器学习的智能温控管理电路，采用了温控管理模块、采集模块和智能识别模块，保证能够为不同的负载（指不同型号的加热器或制冷器）提供不同的温控参数，且不受不同型号负载的影响，最大限度实现自适应性，满足智能化和自动化设计需求，从而提升系统整体的工作效率和便捷性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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 为本发明电路的模块设计框图；

图2 为本发明中温控管理模块的原理图；

图3 为本发明中采集模块的原理图；

图4 为本发明中智能识别模块的原理图。

具体实施方式

下面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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的电路实现包括：温控管理模块、采集模块和智能识别模块；所述温控管理模块的输入端接直流供电电源，输出端接采集模块的输入端，所述采集模块的输出端负载和智能识别模块的输入端，智能识别模块的输出端接温控管理模块；温控管理模块能够将直流供电电源动态调整到合适的电压值和电流值（电流值为预先设置好的数值，电压值会随着不同负载而有所不同），为负载（通常为加热器或制冷器）提供加热或制冷所需的电流，该电流值不随外接负载大小的变化而变化；采集模块能够将当前状态的实时工作电流值，通过信号转换和处理，反馈给智能识别模块，再经过智能识别模块的信号处理、识别和分析，根据不同的负载制定最优化的温控参数配置，输出动态调整信号给温控管理模块，并通过温度传感器采集当前温度变化，从而实现整个电路系统的闭环反馈功能，实现电路智能化和自动化的功能。

所述的温控管理模块，电路设计由PMOS管、第一电阻、第一电感和第一电容组成，如图2所示，工作原理为：PMOS管的G极通过第一电阻连接到地信号，此时，PMOS的S极和D极处于连接导通的状态（如果PMOS管的G极为系统逻辑高电平，那么PMOS的S极和D极处于断开连接的状态），D极输出信号经过第一电感和第一电容组成的整形滤波器，转换成信号二，这里整形滤波器的作用是能够消除由于PMOS管的导通和关断状态切换带来的高频交流信号干扰，将交流信号转换成直流信号，保证输出信号是稳定的直流信号，从而保证采集模块的准确性和负载供电的稳定性。

所述的采集模块，电路设计由差分放大器、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻组成，如图3所示，工作原理为：信号二经过第二电阻为负载提供工作所需工作电流I，我们定义信号二处的电压值为V2，信号三处的电压值为V3，第二电阻阻值为R2，则满足以下关系式：

V2 – V3 = I * R2 （1）

信号二和信号三经过第三电阻和第四电阻作为差分放大器的输入，其中，第三电阻、第四电阻和第五电阻是差分放大器的输入电阻，阻值必须相等（差分放大器电路的要求），第六电阻是差分放大器的反馈电阻，我们定义第三电阻阻值为Rin，第六电阻阻值为Rf，信号四处的电压值为V4，则满足以下关系式：

V4 = （V2 – V3）* Rf / Rin （2）

我们将关系式（1）带入到关系式（2）中，得到以下关系式：

V4 = I * R2 * Rf / Rin （3）

我们设置R2 = 0.1欧姆，Rf = 10K欧姆，Rin = 1K欧姆，那么关系式（3）可以简化成：

V4 = I （4）

所述的智能识别模块，电路设计由比较器、单片机和温度传感器组成，如图4所示，工作原理为：单片机内置ADC控制器（将模拟信号转换成数字信号，可以理解为信号四和温度传感器的输出信号，经过ADC控制器后，单片机可以得到信号四的电压值大小，以及温度传感器探测到的温度值）和DAC控制器（将数字信号转换成模拟信号，可以理解为单片机能够随意设置信号五的电压值大小）；当比较器的正输入端信号四的电压值大于比较器的负输入端信号五的电压值时，比较器的输出端信号一为逻辑高电平， 这时，信号一可以控制PMOS管处于断开连接状态，PMOS管D极没有输出；当比较器的正输入端信号四的电压值小于比较器的负输入端信号五的电压值时，比较器的输出端信号一为逻辑低电平，这时，信号一可以控制PMOS管处于连接导通状态，PMOS管的D极信号等于S极信号。

假设，我们设置电路直流供电电压值为12V（可以由电路输入电源决定），信号五的电压值为2V（可以由单片机DAC控制器的输出决定），如果接入负载的电阻值为2欧姆，整个电路的工作状态为：

状态1：整个电路刚上电时，信号二、信号三、信号四的电压值均为0V，信号五的电压值为2V，比较器的正输入端信号（信号四）电压值小于负输入端信号（信号五）电压值，那么比较器的输出端信号一为逻辑低电平。

状态2：由于信号一是逻辑低电平，且PMOS的G极经过第一电阻连接地信号，因此，PMOS处于连接导通状态，即PMOS管的S极和D极相连接，此时，直流供电电源经过PMOS管、第一电感和第二电阻，为负载提供工作电流，该电流值大小为I，这个状态下，信号二的电压值为12V，负载工作电流I = 12V / 负载电阻值 = 6A，根据关系式（4），信号四的电压值为6V。

状态3：对于比较器来说，正输入端信号四的电压值为6V，负输入端信号五的电压值为2V，那么输出端的信号一为逻辑高电平，此时，PMOS管的G极被信号一改变成逻辑高电平，导致PMOS处于断开连接状态，即PMOS管的D极没有输出，那么负载的工作电流I会由于第一电感的存在而慢慢变小。

状态4：当负载工作电流I慢慢变小时，信号四的电压值会由6V慢慢变小，不过只要信号四的电压值大于信号五的电压值2V时，电路处于状态3，但是，当信号四的电压值小于信号五的电压值2V时，比较器的输出端信号一的电压为逻辑低电平，此时，PMOS管再次处于连接导通状态，电路处于状态2。

就这样，电路在状态2、状态3和状态4之间动态转换，PMOS管的D极输出，不断在12V和0V之间切换，这时，PMOS管D极输出的交流信号在经过第一电感和第一电容的整形后变成直流信号，当电路的切换状态达到平衡时（即比较器的正输入端信号和负输入端信号相等），信号二和信号三处的电压值满足：

（V2 – V3）* Rf / Rin = 2V （5）

当电路的切换状态达到平衡时，负载工作电流I = 2A，我们发现，负载工作电流的大小和负载本身没有关系，只和信号五处的电压值有关，即使我们将负载大小改变成3欧姆，电路最终保持平衡时，负载工作电流I = 2A；如果将信号五处的电压值改变成1V，那么电路最终保持平衡时，负载工作电流I = 1A，和信号五处的电压值保持数值相等。这时，我们可以理解为，电路为负载提供的工作电流，可以通过信号五来任意更改和设置。

当单片机通过ADC控制器采集到信号四的电压值时（必须是状态2时的信号四电压值），我们就可以知道当前负载阻值的大小，并记录在系统中，作为分析数据的来源。

当单片机通过ADC控制器采集到温度传感器的温度值时，我们就可以知道整个加热过程的加热时间，如果此时不改变信号五的电压值，那么加热过程就是一条直线，不断加热至所需温度，然后停止加热，我们将加热时间和所需温度，记录在系统中，作为分析数据的来源。

然后，我们将所有的分析数据结合机器学习算法，就可以针对不同负载制定出合理的温控参数，并动态调整信号五处的电压值，将加热过程由一条直线变成一条曲线，使得加热过程更加高效，可以更短时间达到所需温度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于机器学习的智能温控管理电路，其特征在于：包括温控管理模块、采集模块和智能识别模块，所述温控管理模块的输入端接直流供电电源，输出端接采集模块的输入端，所述采集模块的输出端负载和智能识别模块的输入端，智能识别模块的输出端接温控管理模块；所述温控管理模块用于动态调整直流供电电源的电压值和电流值，为负载提供加热或制冷所需的电流，并能够接收来自智能识别模块的控制信号，改变负载电流的大小；所述采集模块用于将当前状态的实时工作电流值通过信号转换和处理，反馈给智能识别模块；所述智能识别模块用于将采集到的信号进行处理、识别和分析，根据不同的负载指定温控参数配置，输出动态调节信号给温控管理模块，同时根据温度传感器的反馈，来实时调整系统的工作曲线，以达到最大工作效率的目的；

所述的温控管理模块包括PMOS管、第一电阻、第一电感和第一电容；所述的第一电阻一端连接地信号，另一端连接PMOS管的G极，该处信号定义为信号一；所述的第一电感一端连接PMOS管的D极，另一端连接第一电容，该处信号定义为信号二；所述的第一电容一端连接第一电感，另一端连接地信号；所述的PMOS管的S极连接直流供电电源；

所述的采集模块包括差分放大器、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻；所述的第二电阻一端连接信号二，另一端连接负载，该处信号定义为信号三；所述的第三电阻一端连接信号二，另一端连接差分放大器的正输入端；所述的第四电阻一端连接信号三，另一端连接差分放大器的负输入端；所述的第五电阻一端连接地信号，另一端连接差分放大器的正输入端；所述的第六电阻一端连接差分放大器的负输入端，另一端连接差分放大器的输出端，该处信号定义为信号四；

所述的智能识别模块包括比较器、单片机和温度传感器；所述的单片机的内置ADC控制器分别连接温度传感器和信号四，单片机的DAC控制器连接比较器的负输入端，该处信号定义为信号五；所述的比较器正输入端连接信号四，负输入端连接信号五，输出端连接信号一；

电路在不同状态之间动态转换，PMOS管的D极输出在12V和0V之间切换，PMOS管D极输出的交流信号在经过第一电感和第一电容的整形后变成直流信号，当比较器的正输入端信号和负输入端信号相等时，信号二和信号三处的电压值满足关系式

（V2 – V3）* Rf / Rin = 2V

电路为负载提供工作电流，工作电流的大小通过信号五进行设置；

单片机通过ADC控制器采集到信号四的电压值，计算当前负载阻值的大小并进行记录；单片机通过ADC控制器采集到温度传感器的温度值，计算整个加热过程的加热时间，并将该温度值和加热时间进行记录。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器学习的智能温控管理电路，其特征在于：所述的信号一用于控制PMOS管的通断，所述的信号二经过第二电阻为负载提供工作所需工作电流。

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