CN2358660Y - 电加热调节器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及交流电功率输出的电加热调节器。它包括壳体9、面板8、线路板10等。线路板10上包括单片机系统1,与之相连的检测电路2、键盘电路3、显示电路4、输出电路5、存贮电路6和电源电路7,其特征在于所述的检测电路2为限幅电路17和比较电路18组成的检测电路2;输出电路5为依次连接的光电耦合电路19、可控硅20、保护电路21组成的移相脉冲输出电路5。本实用新型具有频差补偿功能,可稳定、安全、方便地实现移相型线性调功输出,进而对小热惯性加热器系统精确调控。

Description

电加热调节器

本实用新型涉及交流电功率输出的控制仪器技术，国际专利分类号拟为H02M1/06。

在化学实验及其他科研工作中，经常需要对化学药品，试剂或反应物及相关仪器进行加热处理(这里仅指电加热)。而加热设备如电炉、电加热套等的加热控制离不开调压器。传统的旋钮式调压器虽沿用至今，但其始终存在着不少缺陷或不足，例如：接线柱式连接方式，易误接而损坏调压器，且接线端裸露，安全性低；不能针对输入电压(电网电压)的变化调整输出，控温稳定性差，也易损坏负载；以及存在着电刷滑动线圈的机械磨损和体大量重等缺陷。更重要的是，它不能适应现代实验和科研对加热调节的高标准要求。申请号为94231695的中国专利报道了一种名为“控温用单片机控制可控硅调功器”的改进技术，可解决这一问题。它采用单片机数字控制串接在电源与负载之间的可控硅，使可控硅在电源过零时触发，使整个半波导通，并通过改变导通半波的数量来实现电功率的调节。但这种过零型调功器由于调节周期以电压半波形为信息源，因而周期较长，故仅适用于热惯性较大的控制对象，对于热惯性较小的加热器，如实验室用的400W电热套，则不能满足调节精度(如1V)的要求，并且其输出功率由于调节周期长而不稳定，因而使用范围受到了限制，也不能全面适应现代实验和科研对加热调节的高标准要求。

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种新型电加热调节器，它可实现频差补偿的移相型线性调功输出，进而对小热惯性加热器的精确调控，并具有高度的稳定性和安全性以及使用的方便性。

本实用新型是如下实现的：设计了一种交流电功率输出的电加热调节器，包括壳体、面板、线路板等，线路板上包括单片机系统，与之相连的检测电路，键盘电路，显示电路，输出电路、存贮电路和电源电路，其特征在于所述的检测电路为限幅电路和比较电路组成的相位检测电路；输出电路为依次连接的光电耦合电路、可控硅、保护电路组成的移相脉冲输出电路。

本实用新型由于采用了相位检测电路和移相型调功输出电路，在单片机软件支持下，可实现在0～220V范围内的高精度线性调功输出，进而可对小热惯性加热器进行精确调控。与现有技术的过零型调功器相比，其调节源为电源半波，若等效调节电压为0～220V，精度为1V，则调节信号的最短周期为2.2s。而本实用新型采用的移相型调节技术，可在电源半波周期内进行调节，所以调节周期为10ms，比前者提高精度220倍，并且这种调节是在单片机系统严格控制下进行的，具有高度的稳定性。本实用新型作为电加热设备的调节器，在连接方式上采用了插接式结构，简便易行，也具有很好的安全性；在调节方式上仅采用了二键(两个调节键，上调键，下调键)多功能方式，既给使用者带来了便利，不易产生误动作，又可使本调节器结构简化，成本降低。

下面结合实施例及其附图评述本实用新型：

图1a、1b为本实用新型的平面和立体外观结构示意图；

图2为本实用新型的线路板10的结构组成及其工作原理框图；

图3为本实用新型的相位检测电路2的结构示意图；

图4为本实用新型的移相脉冲输出电路5的结构示意图；

图5为本实用新型中与图2、图3、图4所述电路相对应的波形图；

图6为本实用新型单片机系统1的主程序框图；

图7、8、9为本实用新型单片机系统1的三个中断子程序A、B、C框图。

本实用新型包括三个部分组成：调节器的壳体9、面板8、和线路板10等(参见图1a、1b、图2)。线路板10上包括有单片机系统1，与之相连接的检测电路2、键盘电路3、显示电路4、输出电路5、存贮电路6和电源电路7。面板8上设计有显示器11、其与所述的显示电路4相连接；有调节键13a和13b(13a为上调键，13b为下调键)，其与所述的键盘电路5相连接；有负载插座16，其与所述的移相脉冲输出电路5相连接，通过它可使加热器(负载)方便地与本实用新型调节器相连接，并受后者的控制；还有指示灯12、散热窗41以及电源开关14和保险管42。壳体9上留有电源插头15的引出线孔和必要的散热窗41(在底部，图中未画出)。本实用新型实施例的外观结构虽然如上所述，但它并不受如图1所示的限制，完全可以根据需要或美观进行相应的调整或改进。

本实用新型的线路板10是其三个部分中的主要部分。其核心是89C51单片机系统1。本实用新型实施例所用的键盘电路3，显示电路4、存贮电路6和电源电路7均为传统电路：键盘电路3采用轻触键开关与单片机直接相连；显示电路4采用三位七段数码管、三极管和电阻，由单片机驱动进行显示；存贮电路6采用X25045集成电路，它具有上电复位，电源监测，WATCHDOG和E²PROM等功能。当电源(电网)电压波动时，当程序不当死机时，利用其功能可使单片机自动复位，以保证调节器正常工作；利用E²PROM功能，还可保存实验、科研存贮的设定值，即使关闭调节器，数据仍不丢失，以利再用；电源电路7则采用变压器、桥式整流和7805为核心的稳压电路。本实施例在移相脉冲输出电路5设计上采用了光电耦合电路19，以保证单片机系统1工作安全。

本实用新型的主要特征表现在相位检测电路2和移相脉冲输出电路5上。相位检测电路2设计为R₁、R₂、D₁、D₂组成的正反限幅电路17和运算放大器A₁、A₂组成的比较电路18所构成的相位检测电路2(参见图3)。其作用是将电源电压U₁₅经变压器降压后的低压交流电压U_i进行正负限幅后，送入比较电路18从而产生两路脉冲信号U₀₁、U₀₂(参见图3、图5)。再将这两路脉冲信号U₀₁、U₀₂分别送入单片机1内的外部中断源0和1，以测定出每个半波的起始点。利用这一信号源，在单片机软件支持下，第一可测定出每个周期的实际时间长度，从而进行频差校正；第二可确定移相的起始位置，进而根据设定值进行相应计算、延时等一系列的处理，从而得到可实现线性调功输出的移相触发脉冲信号U₁(参见图5)，并将其送入移相脉冲输出电路5。本实用新型移相脉冲输出电路5设计为依次连接的光电耦合电路19、可控硅20和保护电路21组成的移相型输出路电路5(参见图4)。其中，光电耦合电路5由电阻R₃、耦合器Q₁(非过零型)、电阻R₄顺次连接组成，电阻R₄的另一端接双向可控硅T₁的一个公共端，而其触发端直接连在耦合器Q₁的射极端；由阻容(串联)R₅、C₁和压敏电阻R₆并联组成的保护电路21与可控硅20的两端相并接，并与调节器的输出端接在负载插座16上，另一端接在电源插头15上。在单片机系统1的控制下，在负载插座16处，也即本实用新型调节器的输出端，可得到相应输出电压U₁₆(参见图4、5)，从而实现本实用新型精确的移相型线性调功输出的目的。

为了实现本实用新型具有频差补偿的移相型线性调功输出目的，在单片机1和所述电路硬件基础上，专门设计了相应的软件。图6和图7-9分别给出了本实用新型的单片系统1的主程序框图和外部中断源0、1以及定时中断源1三个中断子程序A、B、C的框图。

在主程序框图6中：

22——主程序开始；

23——主程序初始化，包括外部中断源0和1、定时器中断源0和1的初始化，以及从存贮电路6的E²PROM中提取断电前的设定值等；

24——判断是否有键(调节键13a、13b)入信号。有则执行25和26；否则执行27；

25——键入信号处理。按上调键13a，设定值增加，最大为220；按下调键13b，设定值减少，最小值为0。若点按调节键13a或13b，设定值相应增减，幅度为1；若连续按调节键13a或13b，设定值以1为幅度单位连续增减，达到10以后，改为以10为幅度单位增减变化，以提高效率，方便操作。

26——将调节好的设定值存入存贮电路6中的E²PROM里，以防断电丢失该数据；

27——显示设定值。无论有否键入信号，都将最近的一次设定值送至显示电路4显示在显示器11上。

28——确定延迟时间。根据设定值计算出对应可控硅相位导通角所需的延迟时间，从而形成移相触发信号ul，以精确实现线性调功输出。计算所依据的公式如下：电压： $\stackrel{\·}{u}=u\·\mathrm{Sin\ωt}=u\·\mathrm{Sin}\left(2\mathrm{\πft}\right)---\left(V\right)$ 其中：f＝50Hz为交流电源频率功率： $W=\frac{{\stackrel{.}{u}}^2}{R}=\frac{u^2}{R}{\mathrm{Sin}}^2\left(2\mathrm{\πft}\right)=\frac{u^2}{2R}[1-\mathrm{Cos}\left(4\mathrm{\πft}\right)]\left(W\right)$ t时间内所做的功为：功： $N={\∫}_0^t\mathrm{wdt}=\frac{u^2}{2R}{\∫}_0^t[1-\mathrm{Cos}\left(4\mathrm{\πft}\right)]\mathrm{dt}---\left(J\right)$ 这样交流电源正弦波半周内所做功为：半周功： $N=\frac{u^2}{2R}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}[1-\mathrm{Cos}\left(4\mathrm{\πft}\right)]\mathrm{dt}$ $=\frac{u^2}{2R}(t{|}_0^{\mathrm{\π}}-\frac{1}{4\mathrm{\πf}}\mathrm{Sin}\left(4\mathrm{\πft}\right){|}_0^{\mathrm{\π}})$ $=\frac{\mathrm{\π}{u}^2}{2R}---\left(J\right)$ 将电源半周内所做的功即半波曲线的积分面积分成220等份。每等份所对应的相位角t_i用如下公式计算。 $\frac{u^2}{R}{\∫}_0^{t_i}\mathrm{Si}{n}^2\left(2\mathrm{\πft}\right)\mathrm{dt}=\frac{\mathrm{\π}{u}^2}{2R}\·\frac{i}{220}$ ${\∫}_0^{t_i}\mathrm{Si}{n}^2\left(2\mathrm{\πft}\right)\mathrm{dt}=\frac{\mathrm{\π}{u}^2}{2R}\·\frac{i}{220}$ 其中t_i为第i等份功所对应的相位延时

外部中断源0中断子程序A(参见图7)中：

29——外部中断源0中断子程序开始；

30——频差补偿处理。取上次外部中断源1发生中断，定时器0开始计时至本次中断发生的时间值(即前半电源周期的真实时间长度)T_计数器，并以此作为下个半周期的较正因子，计算出实际输出时间值：t_j＝t_i×T_计数器/T_{电 源}，其中t_i为主程序框图中28所计算出的，T_电源为电源半周期10ms。定时器0重新开始计时。

31——移相延时处理。设定定时器中断源1的定时器终值(该值为30所计算出的实际输出时间值t_j)，该定时器重新开始计时，当计时到达终值时产生中断，进入定时器中断源1中断子程序C(参见如图9)；

32——外部中断源0中断子程序结束。

外部中断源1中断子程序B(参见图8)中：

33——外部中断源1中断子程序开始；

34——频差补偿处理。取上次外部中断源0发生中断，定时器0开始<下同前30>；

35——移相延时处理。<下同31>；

36——外部中断源1中断子程序结束。

定时器中断源1中断子程序C(参见图9)中：

37——定时器中断源1中断子程序开始。

38——发出移相输出脉冲u1；

39——关闭定时器1的工作，等待下次外部中断0或1发生中断时的启动；

40——定时器中断源1中断子程序结束。

本实用新型的程序已写入单片机中，在其支持下，本实用新型可稳定、安全、方便地实现具有频差补偿的线性调功输出，进而对小热惯性加热器(当然也适用于大热惯性加热器)的精确调控。

Claims (1)

1.一种交流电功率输出的电加热调节器，包括壳体(9)、面板(8)、线路板(10)等，线路板(10)上包括单片机系统(1)，与之相连的检测电路(2)、键盘电路(3)、显示电路(4)、输出电路(5)、存贮电路(6)和电源电路(7)，其特征在于所述的检测电路(2)为限幅电路(17)和比较电路(18)组成的相位检测电路(2)；所述的输出电路(5)为依次连接的光电耦合电路(19)、可控硅(20)、保护电路(21)组成的移相脉冲输出电路(5)。

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