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溫度控制系統被廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、醫療等行業(yè)的儀器設備中，目前應用最多的是單片機或微機系統設計的溫度控制系統。系統硬件部分由輸人輸出接口、中央處理單元、A/D轉換、定時(shí)計數等集成模塊組成，系統軟件部分需要用運算量大的PID算法編程實(shí)現，整套控制系統設計及實(shí)現較為復雜和繁瑣。由分立元件組成的模擬型電路信號輸入、放大、運算及控制輸出都由硬件電路完成，不需要軟件設計。與數字電路相比，其設計及實(shí)現過(guò)程更為簡(jiǎn)便，所以采用簡(jiǎn)易實(shí)用的模擬電路實(shí)現溫控電路的設計。 1 溫控總電路組成 溫控電路主要由電源部分、溫度檢測元件、信號放大、比例積分、電壓比較、移相觸發(fā)控制繼電器、超溫保護、加熱爐和LED顯示幾部分組成，其電路結構如圖1所示。 圖1 溫控系統電路組成圖 由溫度檢測元件可以檢測到溫度值信號，該信號經(jīng)過(guò)放大后輸送至比例積分電路并與溫度設定電壓比較，比較結果輸送至相觸發(fā)電路產(chǎn)生可變周期的脈沖以觸發(fā)固態(tài)繼電器中可控硅導通角，從而可控制加熱裝置的加熱功率，達到控制溫度的目的。溫度補償電路減少室溫對溫度測量準確度的影響；超溫保護電路可以保證在加熱溫度超過(guò)設定值時(shí)，裝置停止加熱，起到保護設備的作用。 2 各分電路設計 2．1 電源電路 溫控電路中需要直流電壓的器件為運算放大器及電子信息顯示模塊。該電壓由220V交流電壓經(jīng)整流濾波后加。至三端穩壓器輸出得到。其電路如圖2所示。 圖2 電源電路圖 2．2 輸入溫度信號放大及溫度補償電路 用感溫元件鎳硌一鎳鉻K型熱電偶作溫度傳感器來(lái)采集溫度信號，溫度信號為mV級，實(shí)際測量時(shí)需經(jīng)過(guò)放大處理。熱電偶測量溫度信號受工作端溫度 和自由端環(huán)境溫度影響，所以測量中需要加補償信號消除環(huán)境溫度變化對溫度測量的影響。具體電路如圖3所示。 圖3 信號放大及溫度補償電路 2．3 超溫保護電路 以將功率為60 w將加熱裝置加熱至750℃為例，圖3中溫度信號經(jīng)過(guò)放大100倍后加到比例積分電路并與溫度設定電壓比較，比較結果輸送相觸發(fā)電路產(chǎn)生可變周期脈沖以觸發(fā)固態(tài)繼電器。為避免加熱溫 度過(guò)高設置超溫保護電路，在溫度過(guò)高時(shí)切斷加熱電壓。具體電路如圖4所示。 圖4 比例積分、電壓比較、移相觸發(fā)及超溫保護電路 3 設計驗證 3．1 電源電路驗證 圖2設計220 V交流電壓經(jīng)變壓器變壓至整流橋T1、T2，整流為直流電壓，直流電壓經(jīng)電容濾波后輸入三端穩壓器及穩壓二極管，輸出±12 V、±6 V及5 V電壓�！�12 V電壓為運算放大器工作電壓；±6 V為偏置電壓；5 V電壓供LED顯示用。其測量值表1所示。 從測試結果來(lái)看，實(shí)測電壓與設計電壓絕對誤差在±0．1 V之間，完全滿(mǎn)足電路工作需要。 3．2 溫度信號放大及溫度補償電路驗證 圖3是一個(gè)差分放大電路，放大器采用ICL7650，反饋網(wǎng)絡(luò )電阻比R11/R8為100，即溫度毫伏電壓信號被放大100倍。輸入溫度電壓毫伏信號為T(mén)C+與TC一端電壓差，TC一端R：為一負溫度系數熱敏電阻，當工作端溫度變化，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢也將變化，而此時(shí)熱敏電阻阻值也將減少并使TC一端電壓的電壓也發(fā)生變化。這樣總的差分輸人信號隨溫度變化被抵消。如果參數選擇合適可消除自由端溫度變化對熱電偶溫度測量的影響。 圖中CT取自放大以后的溫度毫伏信號，通過(guò)改變R13與R14及W2比例可取適當電壓信號與溫度值對應，該電壓信號接至3位半LED顯示表可顯示測量溫度值。 表2為溫度采集模塊輸出測試數據，由國標K型熱電偶與電勢對應關(guān)系表可得到熱電偶理論輸出電勢，實(shí)驗測試在不同室溫及測量溫度時(shí)，溫度采集模塊輸出端實(shí)測電壓是否符合設計要求。由測試數據 來(lái)看，通過(guò)溫度采集模塊，被測溫度電勢信號經(jīng)過(guò)室溫補償后，被準確放大100倍。 3．3 超溫保護電路驗證 圖4中左上方A2差分放大器LM324與C4，R16,R15,R18。組成比例積分電路，該電路對放大后的溫度信號進(jìn)行積分。圖中一6 V電壓經(jīng)過(guò)W3、R20、R21。分壓在R21上產(chǎn)生壓降，通過(guò)電位器W3調節使R21上壓降為-3.12 V，該電壓通過(guò)圖中左下方跟隨器LM324輸出與溫度放大信號進(jìn)行比較，將比較結果送至后端移相觸發(fā)電路。 圖4中Q2，R22，R26及D1組成超溫保護電路，如果加熱爐溫度超過(guò)820℃，則圖3溫度信號經(jīng)過(guò)放大后ICL7650輸出電壓>3．29 V，此時(shí)穩壓二極管D1被反向擊穿，流經(jīng)R26的電流因Q2基極電位升高使Q2導通，Q2集電極電位降至O.3～O.5 V，移相觸發(fā)停止工作，繼電器不輸出加熱電壓，此時(shí)起到超溫保護作用。 Q1，C5，R24，繼電器和加熱裝置等其它器件組成移相觸發(fā)、交流輸出及升溫部分。移相觸發(fā)電路核心元件為Q1單結晶體管，其結構、等效電路如圖5所示，伏安特性如圖6所示。 圖5 單結晶體管結構及等效電路圖 圖6 單結晶體管伏安特性圖 e為發(fā)射極，b1、 b2分別為第一基極和第二基極。圖4中Q1與C5、R26、R24、R23利用晶體管Q1負阻特性構成震蕩電路。負阻特性就是當晶體管發(fā)射極電流增加時(shí)，發(fā)射極電壓VE反而減小。工作狀態(tài)通電時(shí) ，電容C5上的電壓為零，BT35管子截止，+12 V電源通過(guò)電阻R26對C5充電，隨時(shí)間增長(cháng)電容C5，上電壓逐漸增大；當增大至Ueb1峰點(diǎn)電壓Up后，管子進(jìn)入負阻區，輸入端等效電阻迅速減小，此時(shí)C5迅速放電，電流Ie隨之減小，當Ueb1減小到谷點(diǎn)電壓Uv后，管子截止；電容C5又開(kāi)始充電。上述過(guò)程循環(huán)產(chǎn)生振蕩。電容上電壓的測試波形如圖7所示。 圖7 電容C5輸出波形圖 圖7所示BT35輸出為周期性鋸齒波，該鋸齒波加至固態(tài)繼電器直流輸入端可控制交流輸出電壓大小。 實(shí)際應用中，可以通過(guò)改變電壓比較電路中比較電壓大小控制震蕩電路輸出波形導通角，圖8所示為測試波形示意圖。 圖8震蕩電路輸出波形圖 通過(guò)控制震蕩電路周期T內輸出導通角，可以達到控制電源輸出功率大小的目的，從而改變加熱裝置加熱功率。圖4電壓比較電路中，調節電位器W3可改變A2 LM324輸出比較電壓大小。 3．4 溫控效果實(shí)驗驗證 通過(guò)調節圖4溫度控制模塊比較電壓大小設定控制溫度分別為260℃、340℃、460℃、580℃、670℃、750℃。測試系統溫度控制精度。測試時(shí)間為7天，每隔24小時(shí)從系統顯示讀取。將實(shí)測溫度值與設定溫度進(jìn)行比較，從測試結果看，系統溫度控制精度為±3℃。 圖9溫控測試試驗結果圖 4 結束語(yǔ) 該設計實(shí)際應用效果良好，溫度控制在750℃下，控制精度可達±3℃。與單片機溫控系統相比，該溫控電路最大特點(diǎn)是設計簡(jiǎn)便，調試過(guò)程也易于實(shí)現，工作狀態(tài)穩定可靠，實(shí)用性強�？蓱糜诠I(yè)、農業(yè)生產(chǎn)及實(shí)驗室等需要進(jìn)行溫度控制的場(chǎng)所。 |
