CN101788830B - 数字式温度控制电路 - Google Patents

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Abstract

数字式温度控制电路，属于电子技术领域，解决了现有温度控制电路在交流供电频率不稳定时出现的加热功率控制精度低的问题，它包括电源供电电路、数字微控电路、温度检测电路和功率控制电路，它还包括半周周波计数电路，电源供电电路电压输出端分别与数字微控电路、温度检测电路和半周周波计数电路的电压输入端相连，半周周波计数电路的计数控制输出端与数字微控电路的计数控制输入端相连，温度检测电路的温度控制输出端与数字微控电路的温度检测输入端相连，温度检测电路的故障控制输出端与数字微控电路的故障检测输入端相连，数字微控电路的功率控制输出端与功率控制电路的功率控制输入端相连。本发明实现了对温度的精确控制，用于温度控制。

Description

数字式温度控制电路
技术领域
本发明涉及一种温度控制电路，属于电子技术领域。
背景技术
温度控制电路通常包括电源供电电路、数字微控电路、温度检测电路和功率控制电路，实际应用中为满足特殊需要，还会加入数据显示和故障报警电路等辅助功能电路。
目前，温度控制电路广泛地采用了过零触发双向可控硅实现功率控制电路，然而这种
电路在计时控制模式下，交流供电频率的不稳定可能导致实际导通周期数存在偏差，进而
导致无法进行高精度的加热功率控制。
发明内容
为了克服现有温度控制电路在交流供电频率不稳定时出现的加热功率控制精度低的问题，本发明提供一种数字式温度控制电路。
本发明是通过下述方案予以实现的：数字式温度控制电路，它包括电源供电电路、数字微控电路、温度检测电路和功率控制电路，它还包括半周周波计数电路，电源供电电路的电压输出端分别与数字微控电路和温度检测电路的电压输入端相连，半周周波计数电路由工频变压器、全桥整流电路、电阻R1、电阻R2和一号光电耦合器组成，工频变压器的两个输入端接交流市电的两个输出端，工频变压器的一个输出端与全桥整流电路的一个输入端连接，工频变压器的另一个输出端与全桥整流电路的另一个输入端连接，全桥整流电路的一个输出端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与一号光电耦合器中发光二极管的输入端相连，全桥整流电路的另一个输出端与一号光电耦合器中发光二极管的输出端相连，一号光电耦合器中光敏三极管的集电极分别与数字微控电路的计数控制输入端、电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与电源供电电路的电压输出端相连，一号光电耦合器中光敏三极管的发射极接地，光敏三极管的基极悬空，温度检测电路的温度控制输出端与数字微控电路的温度检测输入端相连，温度检测电路的故障控制输出端与数字微控电路的故障检测输入端相连，数字微控电路的功率控制输出端与功率控制电路的功率控制输入端相连。
本发明在现有的温度控制电路的基础上，设计有半周周波计数电路，它利用变压器将交流市电降压，并通过全桥整流电路得到频率为市电频率2倍的脉动直流，该脉动直流输出通过限流电阻与光耦输入端相连，光耦输出端通过上拉电阻连接直流电源，同时连接至数字微控电路的计数控制输入端。在需要功率输出时，数字微控电路使能双向可控硅触发电路，同时计数器在输入出现第一个下降沿后对上升沿计数，当计数值达到设定值时，关闭可控硅。因此，输出功率的最小调节步长为交流市电的半周期对应的输出功率。由于计数过程不受触发使能时刻相对交流市电周期相对位置以及交流电频率波动的影响，因此避免了使用输出导通时间控制方式时双向可控硅带来的实际导通半周数不准确的问题。
本发明在兼顾电路简单化和低成本的基础上，解决了双向可控硅在输出功率控制中存在的问题，提高了温度控制的精度。基于本发明的电路，结合实际控温程序算法，能够为多领域不同的控温要求提供极具实用价值的控制器方案，本发明具有电路结构简单、***稳定、适用范围广、便于推广实施的优点。
附图说明
图1是具体实施方式一的示意图；图2是具体实施方式三的示意图；图3是具体实施方式四的示意图；图4是具体实施方式五的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。数字式温度控制电路，它包括电源供电电路1、数字微控电路2、温度检测电路3和功率控制电路4，它还包括半周周波计数电路5，电源供电电路1的电压输出端分别与数字微控电路2和温度检测电路3的电压输入端相连，半周周波计数电路5由工频变压器B、全桥整流电路D、电阻R1、电阻R2和一号光电耦合器OC1组成，工频变压器B的两个输入端接交流市电的两个输出端，工频变压器B的一个输出端与全桥整流电路D的一个输入端连接，工频变压器B的另一个输出端与全桥整流电路D的另一个输入端连接，全桥整流电路D的一个输出端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与一号光电耦合器OC1中发光二极管的输入端相连，全桥整流电路D的另一个输出端与一号光电耦合器OC1中发光二极管的输出端相连，一号光电耦合器OC1中光敏三极管的集电极分别与数字微控电路2的计数控制输入端、电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与电源供电电路1的电压输出端相连，一号光电耦合器OC1中光敏三极管的发射极接地，光敏三极管的基极悬空，温度检测电路3的温度控制输出端与数字微控电路2的温度检测输入端相连，温度检测电路3的故障控制输出端与数字微控电路2的故障检测输入端相连，数字微控电路2的功率控制输出端与功率控制电路4的功率控制输入端相连。
其工作步骤如下：
1)电源供电电路1将交流市电变换为恒定直流电源，为各功能电路的芯片供电；
2)利用温度检测电路3，实现温度信号到模拟电信号的转换，再通过数字微控电路2内部的A/D转换电路将模拟电信号转换为数字信号供数字微控电路2处理；
3)利用数字微控电路2内部的温度控制程序算法计算出输出功率调节量；
4)根据数字微控电路2输出的功率调节量，功率控制电路4通过控制流过加热器的交流电半周周波数，实现对加热功率的调节。
本发明在现有的温度控制电路的基础上，设计有半周周波计数电路2，它利用工频变压器B将交流市电降压，并通过全桥整流电路D得到频率为市电频率2倍的脉动直流，所述的脉动直流输出通过起限流作用的电阻R1与一号光电耦合器OC1的输入端相连，一号光电耦合器OC1的输出端通过起上拉作用的电阻R2连接直流电源，同时与数字微控电路2的计数器输入端相连。在需要功率输出时，数字微控电路2使能双向可控硅触发电路，同时计数器在输入出现第一个下降沿后对上升沿计数，当计数值达到设定值时，关闭双向可控硅。因此，输出功率的最小调节步长为交流市电的半周期对应的输出功率。由于计数过程不受触发使能时刻相对交流市电周期相对位置以及交流电频率波动的影响，因此避免了使用输出导通时间控制方式时双向可控硅带来的实际导通半周数不准确的问题。
电阻R1及电阻R2是高精度电阻，电阻误差小于其标准值的1‰，一号光电耦合器OC1的型号是TLP521。
所述的电源供电电路1将220V的交流市电通过工频变压器B进行降压，将降压后的市电通过全桥整流电路调整为脉动直流，将整流后的脉动直流通过三端稳压器电路将其变换为所需电压的直流电，为电路中芯片供电。
三端稳压器电路采用一块7815和一块7915三端稳压器对称连接的方式生成一组对称恒定直流电压电源+VCC1及-VCC1，其电压值分别为+15V及-15V，采用一块7805生成一个恒定直流电压电源VCC，其电压值为+5V。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：所述的数字微控电路2的微控制器的核心芯片采用型号为PIC16F系列单片机芯片。
当所采用的单片机芯片内带有A/D转换电路时不需外加其他芯片，当采用的单片机片内不带A/D转换电路或片内A/D转换电路位数不够时，需要外加A/D转换芯片。
具体实施方式三：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：所述的温度检测电路3由电压接入电路、电阻桥电路和信号放大电路组成，
所述的电压接入电路由电阻R3、电位器R4和运算放大器U1A组成，电阻R3的一端接电源供电电路1的电压输出端，电阻R3的另一端、电位器R4的一个固定端分别与运算放大器U1A的正向输入端连接，电位器R4的滑动端端接地，运算放大器U1A的反向输入端与运算放大器U1A的输出端连接，
所述的电阻桥电路由电阻Rb1、电阻Rb2、电阻Rb3和热敏电阻Rt组成，电阻Rb1的一端、电阻Rb2的一端分别与运算放大器U1A的输出端连接，电阻Rb1的另一端与热敏电阻Rt的一端连接，电阻Rb2的另一端与电阻Rb3的一端连接，热敏电阻Rt的另一端与电阻Rb3的另一端连接并接地，热敏电阻Rt与电阻Rb3的连接点与数字微控电路2的故障检测输入端连接，
所述的信号放大电路由电位器RG、电阻R5、电容C和仪表放大器U2A组成，电阻Rb1与热敏电阻Rt的连接点与仪表放大器U2A的正向输入端连接，电阻Rb3与电阻Rb2的连接点与仪表放大器U2A的反向输入端连接，电位器RG的一个固定端与仪表放大器U2A的正增益调制端连接，电位器RG的滑动端与仪表放大器U2A的负增益调制端连接，仪表放大器U2A输出端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端分别与数字微控电路2的温度检测输入端、电容C的一端连接，电容C的另一端与仪表放大器U2A的参考端连接并接地。
所述的电压接入电路中采用运算放大器U1A做为电压跟随器，起缓冲的作用，同时增强为后级的供电能力。运算放大器U1A的型号是μ741，电阻R4是高精度电阻，电阻误差小于其标准值的1‰。
温度检测电路3具有自保护功能和故障诊断功能。考虑到温度测量的精度和响应的速度，本实施方式中所述的热敏电阻Rt采用铂热敏电阻作为温度传感器。根据实际测温范围和测量精度的需要，热敏电阻Rt的型号可选择PT100或是PT1000。温度检测电路3利用了热敏电阻Rt的三线制接法构成电阻桥的一只桥臂，通过设计热敏电阻Rt在的桥臂中的位置和接线，使得作为传感器的热敏电阻Rt未连接时信号放大电路的输入保持为零，从而避免了常规桥式接法中由于传感器断路使得信号放大电路输入较大压差而导致的放大器输出饱和并超出数字微控电路2输入电压极限的问题。
为简化电路设计并保持较高的检测精度，所述的信号放大电路中仪表放大器U2A采用集成仪用运放AD620实现，经信号放大电路放大后的输出信号经过电阻R5及电容C构成的滤波电路接入数字微控电路2的温度检测信号输入端。
热敏电阻Rt作为温度传感器的一种被广泛的应用到温度检测电路中，在常规桥式接法中，由于传感器断路使得后级放大电路输入较大压差而导致的放大器输出饱和并超出测试控制电路的温度检测输入电压极限。
为解决这一问题，设计了本实施方式所述的温度检测电路3，诊断电路是否存在异常状况采用的是将电阻桥的热敏电阻Rt与电阻Rb3的连接点与数字微控电路2的故障检测输入端连接的方式来实现，也可以采用将电阻Rb1与热敏电阻Rt的连接点或是电阻Rb2与电阻Rb3的连接点，与数字微控电路2的故障检测输入端连接的方式实现，数字微控电路2通过比较热敏电阻Rt断开前后采样点电压的变化，可判断出热敏电阻Rt是否出现连接异常。
应用本实施方式所述的电路，能够实现对后进放大电路的保护同时也实现了对热敏电阻Rt连接状态的检测。
具体实施方式四：下面结合图3具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：所述的功率控制电路4有电阻R6、电阻R7、电阻R8、加热器H、双向可控硅Q和二号光电耦合器OC2组成，数字微控电路2的功率控制输出端与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与二号光电耦合器OC2中发光二极管的输入端连接，二号光电耦合器OC2中发光二极管的输出端接地，二号光电耦合器OC2中的双向可控硅的第一阳极与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与双向可控硅Q的第一阳极相连，二号光电耦合器OC2中的双向可控硅的第二阳极分别与电阻R7的一端及双向可控硅Q的控制极相连，电阻R7的另一端分别与双向可控硅Q的第二阳极及加热器H的一端相连，加热器H的另一端、电阻R6与双向可控硅Q的连接点分别与交流市电的两个输出端连接。
数字微控电路2通过温度控制程序算法处理检测到的温度数据，进而得到输出加热功率的调节量，功率控制电路4根据所述的加热功率调节量、利用交流市电为加热器H供电，通过控制过零触发双向可控硅Q控制加热功率，输出功率的最小调节步长为交流市电的半周期对应的输出功率。
二号光耦合器OC2的型号是MOC3041。
具体实施方式五：下面结合图4具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：数字式温度控制电路还包括辅助功能电路6，电源供电电路1电压输出端与辅助功能电路6的电压输入端相连，数字微控电路2的辅助功能控制输入输出端分别与辅助功能电路6的控制输入输出端相连，所述的辅助功能电路6由按键输入电路、数码管显示电路和报警电路组成。
所述的按键输入电路由机械式按键实现，机械式按键的一端与数字微控电路2的输入引脚相连，机械式按键的另一端接地。
所述的数码管显示电路由数码管、I2C接口的数码管控制芯片实现，数码管控制信号输入端与数码管控制芯片的控制信号输出端相连，数码管控制芯片I2C接口通过上拉电阻与数字微控电路2相连。
所述的报警电路由三极管、蜂鸣器实现，三极管基极通过电阻与数字微控电路2输出引脚相连，集电极与蜂鸣器及限流电阻一端相连，限流电阻另一端与直流供电电源相连。
当数字微控电路2检测到热敏电阻Rt未连接或出现测量温度超出设定值范围等异常情况时，数字微控电路2控制报警电路中的蜂鸣器发出报警音；数字微控电路2控制数码管显示电路，显示温度值及故障信息等数据。

Claims (5)

1.数字式温度控制电路，它包括电源供电电路(1)、数字微控电路(2)、温度检测电路(3)和功率控制电路(4)，其特征是：它还包括半周周波计数电路(5)，电源供电电路(1)的电压输出端分别与数字微控电路(2)和温度检测电路(3)的电压输入端相连，半周周波计数电路(5)由工频变压器(B)、全桥整流电路(D)、电阻R1、电阻R2和一号光电耦合器(OC1)组成，工频变压器(B)的两个输入端接交流市电的两个输出端，工频变压器(B)的一个输出端与全桥整流电路(D)的一个输入端连接，工频变压器(B)的另一个输出端与全桥整流电路(D)的另一个输入端连接，全桥整流电路(D)的一个输出端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与一号光电耦合器(OC1)中发光二极管的输入端相连，全桥整流电路(D)的另一个输出端与一号光电耦合器(OC1)中发光二极管的输出端相连，一号光电耦合器(OC1)中光敏三极管的集电极分别与数字微控电路(2)的计数控制输入端、电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与电源供电电路(1)的电压输出端相连，一号光电耦合器(OC1)中光敏三极管的发射极接地，光敏三极管的基极悬空，温度检测电路(3)的温度控制输出端与数字微控电路(2)的温度检测输入端相连，温度检测电路(3)的故障控制输出端与数字微控电路(2)的故障检测输入端相连，数字微控电路(2)的功率控制输出端与功率控制电路(4)的功率控制输入端相连。
2.根据权利要求1所述的数字式温度控制电路，其特征是：所述的数字微控电路(2)的微控制器的核心芯片采用型号为PIC16F系列单片机芯片。
3.根据权利要求1所述的数字式温度控制电路，其特征是：所述的温度检测电路(3)由电压接入电路、电阻桥电路和信号放大电路组成，
所述的电压接入电路由电阻R3、电位器R4和运算放大器(U1A)组成，电阻R3的一端接电源供电电路(1)的电压输出端，电阻R3的另一端、电位器R4的一个固定端分别与运算放大器(U1A)的正向输入端连接，电位器R4的滑动端接地，运算放大器(U1A)的反向输入端与运算放大器(U1A)的输出端连接，
所述的电阻桥电路由电阻Rb1、电阻Rb2、电阻Rb3和热敏电阻Rt组成，电阻Rb1的一端、电阻Rb2的一端分别与运算放大器(U1A)的输出端连接，电阻Rb1的另一端与热敏电阻Rt的一端连接，电阻Rb2的另一端与电阻Rb3的一端连接，热敏电阻Rt的另一端与电阻Rb3的另一端连接并接地，热敏电阻Rt与电阻Rb3的连接点与数字微控电路(2)的故障检测输入端连接，
所述的信号放大电路由电位器RG、电阻R5、电容C和仪表放大器(U2A)组成，电阻Rb1与热敏电阻Rt的连接点与仪表放大器(U2A)的正向输入端连接，电阻Rb3与电阻Rb2的连接点与仪表放大器(U2A)的反向输入端连接，电位器RG的一个固定端与仪表放大器(U2A)的正增益调制端连接，电位器RG的滑动端与仪表放大器(U2A)的负增益调制端连接，仪表放大器(U2A)输出端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端分别与数字微控电路(2)的温度检测输入端、电容C的一端连接，电容C的另一端与仪表放大器(U2A)的参考端连接并接地。
4.根据权利要求1所述的数字式温度控制电路，其特征是：所述的功率控制电路(4)由电阻R6、电阻R7、电阻R8、加热器(H)、双向可控硅(Q)和二号光电耦合器(OC2)组成，数字微控电路(2)的功率控制输出端与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与二号光电耦合器(OC2)中发光二极管的输入端连接，二号光电耦合器(OC2)中发光二极管的输出端接地，二号光电耦合器(OC2)中的双向可控硅的第一阳极与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与双向可控硅(Q)的第一阳极相连，二号光电耦合器(OC2)中的双向可控硅的第二阳极分别与电阻R7的一端及双向可控硅(Q)的控制极相连，电阻R7的另一端分别与双向可控硅(Q)的第二阳极及加热器(H)的一端相连，加热器(H)的另一端、电阻R6与双向可控硅(Q)的连接点分别与交流市电的两个输出端连接。
5.根据权利要求1所述的数字式温度控制电路，其特征是：它还包括辅助功能电路(6)，电源供电电路(1)电压输出端与辅助功能电路(6)的电压输入端相连，数字微控电路(2)的辅助功能控制输入输出端分别与辅助功能电路(6)的控制输入输出端相连，所述的辅助功能电路(6)由按键输入电路、数码管显示电路和报警电路组成。
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