CN201917836U - 基于超低温环境工作的温度控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于超低温环境工作的温度控制装置，包括用于敏感工作温度的温度传感器模块、与温度传感器模块相接且对温度传感器模块所采集数据进行分析和处理的MCU模块、与MCU模块相接的光电隔离模块、与光电隔离模块相接的驱动控制模块和与驱动控制模块相接的加热模块，还包括接在MCU模块与传感器之间且用于保证传感器工作在设定温度范围内的MOSFET开关控制模块，所述温度传感器模块由多个数字温度传感器或模拟温度传感器构成，所述加热模块由多个加热芯片构成。本实用新型结构性能实用合理，操作方便，安全稳定，灵敏度高，成本低，应用范围广。

Description

基于超低温环境工作的温度控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种温度控制装置，尤其是涉及一种基于超低温环境工作的温度控制装置。

背景技术

目前在航空，航天，地质勘测，工业测控，船舶，铁路，公路等各个领域中普遍使用的传感器，例如惯性测量单元(IMU)，包括角速率传感器和线加速度传感器，其产品大部分都是在常温条件下工作的，最低工作温度也只能达到-40°左右的低温环境，并且在低温环境下会影响到产品的各项指标，如非线性，灵敏度，分辨率，温度漂移等等。而且普通惯性测量单元(IMU)在实际应用中还存在体积大，价格昂贵，易损坏，耐冲击加速度低、寿命短、测量范围小等缺陷和不足，因此很难得到广泛的应用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于超低温环境工作的温度控制装置，其结构性能实用合理，操作方便，安全稳定，灵敏度高，成本低，能够应用于传感器中，例如惯性测量单元(IMU)中，解决了传感器在超低温环境下灵敏度差、分辨率低、温度漂移的不足和缺陷。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：包括用于敏感工作温度的温度传感器模块、与温度传感器模块相接且对温度传感器模块所采集数据进行分析和处理的MCU模块、与MCU模块相接的光电隔离模块、与光电隔离模块相接的驱动控制模块和与驱动控制模块相接的加热模块，还包括接在MCU模块与传感器之间且用于保证传感器工作在设定温度范围内的MOSFET开关控制模块，所述温度传感器模块由多个数字温度传感器或模拟温度传感器构成，所述加热模块由多个加热芯片构成。

上述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述温度传感器模块由六个数字温度传感器构成。

上述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述数字温度传感器为单总线数字温度传感器DS18B20。

上述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述MCU模块为飞利浦公司生产的嵌入式芯片LPC2136。

上述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述光电隔离模块由驱动芯片SN5407、光耦隔离芯片6N137以及电阻R9和R10构成，所述驱动芯片SN5407的输入端1A与芯片LPC2136的P0.8脚相接，所述驱动芯片SN5407的输出端1Y与电阻R9的一端相接，所述电阻R9的另一端与光耦隔离芯片6N137的3脚相接，所述光耦隔离芯片6N137的2脚接电源VDD1，所述光耦隔离芯片6N137的6脚接电源VDD2和电阻R10的一端，所述电阻R10的另一端与光耦隔离芯片6N137的5脚相接且为光电隔离模块的输出端DRIVER1。

上述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述驱动控制模块由运算放大器OPA650芯片A1、运算放大器OPA650芯片A2、三极管Q、二极管D、继电器RELAY-SPDT、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8以及电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8构成，所述电阻R8的一端与芯片LPC2136的P1.4脚相接，所述电阻R8的另一端与三极管Q1的基极相接，所述三级管Q1的发射极接地GND，所述三极管Q1的集电极与二极管D的正极和继电器RELAY-SPDT的6脚相接，所述二极管D的负极和继电器RELAY-SPDT的8脚均与+12V电源相接，所述继电器RELAY-SPDT的2脚为驱动控制模块的输出端Vout且与加热模块相接，所述继电器RELAY-SPDT的3脚与电阻R4的一端、电阻R5的一端和运算放大器OPA650芯片A1的7脚相接，所述电阻R4的另一端与电阻R3的一端和运算放大器OPA650芯片A1的2脚相接，所述电阻R3的另一端与地GND相接，所述电阻R5的另一端与运算放大器OPA650芯片A2的3脚相接，所述运算放大器OPA650芯片A1的3脚通过电阻R2与光电隔离模块的输出端DRIVER1相接且通过电阻R1与地GND相接，所述运算放大器OPA650芯片A1的4脚与+5V电源、电容C1的一端和电容C2的一端相接，所述电容C1的另一端和电容C2的另一端均接地GND，所述运算放大器OPA650芯片A1的6脚与+5V电源、电容C3的一端和电容C4的一端相接，所述电容C3的另一端和电容C4的另一端均接地GND；所述继电器RELAY-SPDT的4脚与运算放大器OPA650芯片A2的7脚和电阻R6的一端相接，所述电阻R6的另一端与电阻R7的一端和运算放大器OPA650芯片A2的2脚相接，所述电阻R7的另一端接地GND，所述运算放大器OPA650芯片A2的4脚与+5V电源、电容C5的一端和电容C6的一端相接，所述电容C5的另一端和电容C6的另一端均接地GND，所述运算放大器OPA650芯片A2的6脚与+5V电源、电容C7的一端和电容C8的一端相接，所述电容C7的另一端和电容C8的另一端均接地GND。

上述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述三极管Q1为芯片KTC9014，所述继电器RELAY-SPDT为SRD-D6VDC-SL-C型继电器。

上述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述加热模块由四个加热芯片构成。

上述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述加热芯片为JRP125。

上述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述MOSFET开关控制模块由与非门U9A、驱动芯片SN5407、光耦隔离芯片HCPL0530、金属氧化物半导体场效应管Q5、电阻R5和R6构成，所述与非门U9A的1脚和2脚分别与芯片LPC2136的P0.11脚和P0.12脚相接，所述与非门U9A的3脚与驱动芯片SN5407的输入端4A相接，所述驱动芯片SN5407的输出端4Y与电阻R11的一端相接，所述电阻R11的另一端与光耦隔离芯片HCPL0530的2脚相接，所述光耦隔离芯片HCPL0530的1脚接电源VCC，所述光耦隔离芯片HCPL0530的5脚接地GND2，所述光耦隔离芯片HCPL0530的7脚与电阻R12的一端和金属氧化物半导体场效应管Q5的栅极相接，所述电阻R12的另一端和光耦隔离芯片HCPL0530的8脚均与+15V电源相接，所述金属氧化物半导体场效应管Q5的源极接+15V电源，所述金属氧化物半导体场效应管Q5的漏极与传感器相接。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型采用模块化设计，且各模块电路简单合理，产品更新只需更改相应模块即可，充分提高了产品开发速度、生产效率，降低了产品管理成本、生产成本。

2、本实用新型可测量在-55℃-70℃的温度环境范围内，以惯性测量单元(IMU)作为传感器6为例，惯性测量单元(IMU)内部温度可控制在最佳工作温度点10℃-40℃范围内，精度为±0.1℃。

3、本实用新型在极端温度环境下具有自我保护的功能，即在-40℃-70环境范围之外，该温度控制装置将会自动切断对传感器6的供电，从而使整个传感器6更加稳定，安全。

4、本实用新型能够在超低温环境(-55℃)下正常工作，可以广泛地应用于各种传感器，以保证传感器在超低温环境下正常稳定的工作，保证证传感器的测量稳定性、非线性及灵敏度。

综上所述，本实用新型结构性能实用合理，操作方便，安全稳定，灵敏度高，成本低，能够应用于传感器中，例如惯性测量单元(IMU)中，解决了传感器在超低温环境下灵敏度差、分辨率低、温度漂移的不足和缺陷，使用效果好，应用范围广。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的电路框图。

图2为本实用新型一种温度传感器模块的电路连接图。

图3为本实用新型一种光电隔离模块的电路原理图。

图4为本实用新型一种驱动控制模块的电路原理图。

图5为本实用新型一种MOSFET开关控制模块的电路原理图。

附图标记说明：

1-温度传感器模块； 2-MCU模块；   3-光电隔离模块；

4-驱动控制模块；   5-加热模块；  6-传感器；

7-MOSFET开关控制模块。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括用于敏感工作温度的温度传感器模块1、与温度传感器模块1相接且对温度传感器模块1所采集数据进行分析和处理的MCU模块2、与MCU模块2相接的光电隔离模块3、与光电隔离模块3相接的驱动控制模块4和与驱动控制模块4相接的加热模块5，还包括接在MCU模块2与传感器6之间且用于保证传感器6工作在设定温度范围内的MOSFET开关控制模块7，所述温度传感器模块1由多个数字温度传感器或模拟温度传感器构成，所述加热模块5由多个加热芯片构成。

本实施例中，所述温度传感器模块1由六个数字温度传感器构成，以保证所检测环境温度的准确性和实时性。所述MCU模块2为飞利浦公司生产的嵌入式芯片LPC2136，LPC2136微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16位ARM7TDMI-SCPU，并带有256kB嵌入的高速Flash存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行，对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30％，而性能的损失却很小。

如图2所示，本实施例中，所述数字温度传感器为美国DALLS公司研制的单总线数字温度传感器DS18B20，它的测温范围为-55℃～+125℃，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位补码形式串行输出；CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路，使用简单，可靠。图2中，U1为稳压器LT1761ES5-5，U2为单总线数字温度传感器DS18B20，所述U2的1脚与芯片LPC2136的P0.6脚相接，所述U2的2脚接地GND，所述U2的8脚与电源VDD、电容C13的一端、电容C14的一端和U1的5脚相接，所述电容C13的另一端接U1的2脚且与电容C15的一端、电容C16的负极和地GND相接，所述电容C14的另一端与U2的4脚相接，所述电容C15的另一端与U1的1脚、U1的3脚、电容C16的正极和二极管D1的负极相接，所述二极管D1的正极接电源VCC。

如图3所示，本实施例中，所述光电隔离模块3由驱动芯片SN5407、光耦隔离芯片6N137以及电阻R9和R10构成，所述驱动芯片SN5407的输入端1A与芯片LPC2136的P0.8脚相接，所述驱动芯片SN5407的输出端1Y与电阻R9的一端相接，所述电阻R9的另一端与光耦隔离芯片6N137的3脚相接，所述光耦隔离芯片6N137的2脚接电源VDD1，所述光耦隔离芯片6N137的6脚接电源VDD2和电阻R10的一端，所述电阻R10的另一端与光耦隔离芯片6N137的5脚相接且为光电隔离模块3的输出端DRIVER1。光电隔离模块3实现MCU模块2与加热模块5间的电气隔离，避免由于负载变化与负载扰动引起的电信号干扰对检测电路的影响。

如图4所示，本实施例中，所述驱动控制模块4由运算放大器OPA650芯片A1、运算放大器OPA650芯片A2、三极管Q、二极管D、继电器RELAY-SPDT、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8以及电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8构成，所述电阻R8的一端与芯片LPC2136的P1.4脚相接，所述电阻R8的另一端与三极管Q1的基极相接，所述三级管Q1的发射极接地GND，所述三极管Q1的集电极与二极管D的正极和继电器RELAY-SPDT的6脚相接，所述二极管D的负极和继电器RELAY-SPDT的8脚均与+12V电源相接，所述继电器RELAY-SPDT的2脚为驱动控制模块4的输出端Vout且与加热模块5相接，所述继电器RELAY-SPDT的3脚与电阻R4的一端、电阻R5的一端和运算放大器OPA650芯片A1的7脚相接，所述电阻R4的另一端与电阻R3的一端和运算放大器OPA650芯片A1的2脚相接，所述电阻R3的另一端与地GND相接，所述电阻R5的另一端与运算放大器OPA650芯片A2的3脚相接，所述运算放大器OPA650芯片A1的3脚通过电阻R2与光电隔离模块3的输出端DRIVER1相接且通过电阻R1与地GND相接，所述运算放大器OPA650芯片A1的4脚与+5V电源、电容C1的一端和电容C2的一端相接，所述电容C1的另一端和电容C2的另一端均接地GND，所述运算放大器OPA650芯片A1的6脚与+5V电源、电容C3的一端和电容C4的一端相接，所述电容C3的另一端和电容C4的另一端均接地GND；所述继电器RELAY-SPDT的4脚与运算放大器OPA650芯片A2的7脚和电阻R6的一端相接，所述电阻R6的另一端与电阻R7的一端和运算放大器OPA650芯片A2的2脚相接，所述电阻R7的另一端接地GND，所述运算放大器OPA650芯片A2的4脚与+5V电源、电容C5的一端和电容C6的一端相接，所述电容C5的另一端和电容C6的另一端均接地GND，所述运算放大器OPA650芯片A2的6脚与+5V电源、电容C7的一端和电容C8的一端相接，所述电容C7的另一端和电容C8的另一端均接地GND。其中，所述三极管Q1为芯片KTC9014，负载电流IC为150mA，放大系数β为60至1000范围内，若取β为200则Ic在5V下为50mA左右，则基极电流为0.25mA；所述继电器RELAY-SPDT为SRD-D6VDC-SL-C型继电器，240AC通断继电器的电流。其直流线圈电阻为95欧。图中，二极管D主要起保护作用，在三极管Q1关断时续流，以免电感线圈断路时产生过压损坏三极管Q1。

本实施例中，所述加热模块5由四个加热芯片构成。所述加热芯片为JRP125。

如图5所示，本实施例中，所述MOSFET开关控制模块7由与非门U9A、驱动芯片SN5407、光耦隔离芯片HCPL0530、金属氧化物半导体场效应管Q5、电阻R5和R6构成，所述与非门U9A的1脚和2脚分别与芯片LPC2136的P0.11脚和P0.12脚相接，所述与非门U9A的3脚与驱动芯片SN5407的输入端4A相接，所述驱动芯片SN5407的输出端4Y与电阻R11的一端相接，所述电阻R11的另一端与光耦隔离芯片HCPL0530的2脚相接，所述光耦隔离芯片HCPL0530的1脚接电源VCC，所述光耦隔离芯片HCPL0530的5脚接地GND2，所述光耦隔离芯片HCPL0530的7脚与电阻R12的一端和金属氧化物半导体场效应管Q5的栅极相接，所述电阻R12的另一端和光耦隔离芯片HCPL0530的8脚均与+15V电源相接，所述金属氧化物半导体场效应管Q5的源极接+15V电源，所述金属氧化物半导体场效应管Q5的漏极与传感器6相接。

本实用新型的工作原理及工作过程是：温度传感器模块1敏感传感器6内部的工作温度，以惯性测量单元(IMU)作为传感器6为例，将温度传感器模块6置于惯性测量单元(IMU)内部，MCU模块2接收温度传感器模块1所采集的数据并对数据进行分析处理后输出相应的控制信号，控制信号经过光电隔离模块3的电器隔离及驱动控制模块4的处理后传输给加热模块5，MCU模块2控制加热模块5对整个环境温度进行控制，达到预设的温度环境，使惯性测量单元(IMU)工作在恒定的温度环境下，从而保证了惯性测量单元(IMU)在超低温环境下可以正常稳定的工作，大大降低了惯性测量单元(IMU)随温度变化带来的漂移，提高了测量的稳定性、非线性及灵敏度。

本实用新型采用六个数字温度传感器进行温度采集，从而准确地获得传感器6所工作的环境温度，当任何一个温度传感器检测到实际温度在所设定的安全温度范围之外时，MCU模块2输出两路开关信号给MOSFET开关控制模块7，经过一个与非门U9A之后，电平跳转，然后经过驱动芯片SN5407增强电路灌电流的能力，再通过光耦隔离芯片HCPL0530将温度控制装置与传感器6的供电完全隔离，MOSFET开关控制模块7可以及时地切断IMU的供电，从而保证了传感器6的安全性。

本实用新型MCU模块2控制温度采用比例、微分、积分(简称PID)方式，具体采用了数字增量式的PID控制原理，数字增量式的PID控制原理为：

U(K)＝U(K-1)+Kp*[e(K)-e(K-1)]+Ki*e(K)+Kd*[e(K)-2e(K-1)+e(K-2)]

其中微分环节U(K-1)为上次输入，Kp*[e(K)-e(K-1)]为比例环节，Ki*e(K)为积分环节，Kd*[e(K)-2e(K-1)+e(K-2)]微分环节。上式中，积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值。计算中，没有必要保留所有的采样周期的误差项，只需要保留积分项前值，计算机的处理就是按照这种思想。在实际中，加入了输出限福，以防电路损坏；加入了分段积分，以防积分饱和以及加速温控。本实用新型，控温精度为±0.1℃。

本实用新型可测量在-55℃-70℃的温度环境范围内，以惯性测量单元(IMU)作为传感器6为例，惯性测量单元(IMU)内部温度可控制在最佳工作温度点10℃-40℃范围内，精度为±0.1℃。同时本实用新型在极端温度环境下具有自我保护的功能，即在-40℃-70环境范围之外，该温度控制装置将会自动切断对传感器6的供电，从而使整个传感器6更加稳定，安全。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：包括用于敏感工作温度的温度传感器模块(1)、与温度传感器模块(1)相接且对温度传感器模块(1)所采集数据进行分析和处理的MCU模块(2)、与MCU模块(2)相接的光电隔离模块(3)、与光电隔离模块(3)相接的驱动控制模块(4)和与驱动控制模块(4)相接的加热模块(5)，还包括接在MCU模块(2)与传感器(6)之间且用于保证传感器(6)工作在设定温度范围内的MOSFET开关控制模块(7)，所述温度传感器模块(1)由多个数字温度传感器或模拟温度传感器构成，所述加热模块(5)由多个加热芯片构成。

2.按照权利要求1所述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述温度传感器模块(1)由六个数字温度传感器构成。

3.按照权利要求2所述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述数字温度传感器为单总线数字温度传感器DS18B20。

4.按照权利要求1所述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述MCU模块(2)为飞利浦公司生产的嵌入式芯片LPC2136。

5.按照权利要求1所述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述光电隔离模块(3)由驱动芯片SN5407、光耦隔离芯片6N137以及电阻R9和R10构成，所述驱动芯片SN5407的输入端1A与芯片LPC2136的P0.8脚相接，所述驱动芯片SN5407的输出端1Y与电阻R9的一端相接，所述电阻R9的另一端与光耦隔离芯片6N137的3脚相接，所述光耦隔离芯片6N137的2脚接电源VDD1，所述光耦隔离芯片6N137的6脚接电源VDD2和电阻R10的一端，所述电阻R10的另一端与光耦隔离芯片6N137的5脚相接且为光电隔离模块(3)的输出端DRIVER1。

6.按照权利要求1所述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述驱动控制模块(4)由运算放大器OPA650芯片A1、运算放大器OPA650芯片A2、三极管Q、二极管D、继电器RELAY-SPDT、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8以及电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和C8构成，所述电阻R8的一端与芯片LPC2136的P1.4脚相接，所述电阻R8的另一端与三极管Q1的基极相接，所述三级管Q1的发射极接地GND，所述三极管Q1的集电极与二极管D的正极和继电器RELAY-SPDT的6脚相接，所述二极管D的负极和继电器RELAY-SPDT的8脚均与+12V电源相接，所述继电器RELAY-SPDT的2脚为驱动控制模块(4)的输出端Vout且与加热模块(5)相接，所述继电器RELAY-SPDT的3脚与电阻R4的一端、电阻R5的一端和运算放大器OPA650芯片A1的7脚相接，所述电阻R4的另一端与电阻R3的一端和运算放大器OPA650芯片A1的2脚相接，所述电阻R 3的另一端与地GND相接，所述电阻R5的另一端与运算放大器OPA650芯片A2的3脚相接，所述运算放大器OPA650芯片A1的3脚通过电阻R2与光电隔离模块(3)的输出端DRIVER1相接且通过电阻R1与地GND相接，所述运算放大器OPA650芯片A1的4脚与+5V电源、电容C1的一端和电容C2的一端相接，所述电容C1的另一端和电容C2的另一端均接地GND，所述运算放大器OPA650芯片A1的6脚与+5V电源、电容C3的一端和电容C4的一端相接，所述电容C3的另一端和电容C4的另一端均接地GND；所述继电器RELAY-SPDT的4脚与运算放大器OPA650芯片A2的7脚和电阻R6的一端相接，所述电阻R6的另一端与电阻R7的一端和运算放大器OPA650芯片A2的2脚相接，所述电阻R7的另一端接地GND，所述运算放大器OPA650芯片A2的4脚与+5V电源、电容C5的一端和电容C6的一端相接，所述电容C5的另一端和电容C6的另一端均接地GND，所述运算放大器OPA650芯片A2的6脚与+5V电源、电容C7的一端和电容C8的一端相接，所述电容C7的另一端和电容C8的另一端均接地GND。

7.按照权利要求6所述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述三极管Q1为芯片KTC9014，所述继电器RELAY-SPDT为SRD-D6VDC-SL-C型继电器。

8.按照权利要求1所述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述加热模块(5)由四个加热芯片构成。

9.按照权利要求8所述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述加热芯片为JRP125。

10.按照权利要求1所述的基于超低温环境工作的温度控制装置，其特征在于：所述MOSFET开关控制模块(7)由与非门U9A、驱动芯片SN5407、光耦隔离芯片HCPL0530、金属氧化物半导体场效应管Q5、电阻R5和R6构成，所述与非门U9A的1脚和2脚分别与芯片LPC2136的P0.11脚和P0.12脚相接，所述与非门U9A的3脚与驱动芯片SN5407的输入端4A相接，所述驱动芯片SN5407的输出端4Y与电阻R11的一端相接，所述电阻R11的另一端与光耦隔离芯片HCPL0530的2脚相接，所述光耦隔离芯片HCPL0530的1脚接电源VCC，所述光耦隔离芯片HCPL0530的5脚接地GND2，所述光耦隔离芯片HCPL0530的7脚与电阻R12的一端和金属氧化物半导体场效应管Q5的栅极相接，所述电阻R12的另一端和光耦隔离芯片HCPL0530的8脚均与+15V电源相接，所述金属氧化物半导体场效应管Q5的源极接+15V电源，所述金属氧化物半导体场效应管Q5的漏极与传感器(6)相接。

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