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1、新型数字式温度控制器的设计与开发*摘 要:设计了以微处理器为核心,具有智能、可编程、环保和节能等特点的温度控制器。其硬件设计包括电源电路、温湿度测量电路和背光电路等。软件设计包括温度测量和校正算法。对电源电路进行了PSpice仿真分析,进一步验证了设计的合理性和正确性。关键词:数字式;温度控制器;硬件;软件;仿真;节能0 引 言目前市场上的温度控制器有机械式和数字式两种。机械式温度控制器因其调温精度差、耗能大等缺点逐渐淡出市场。数字式温度控制器[1]因其测温精确、调温准确、界面友好、操作方便、外形美观等特点而日益占据家庭、商业和工业领域的市场。本文设计
2、的数字式温度控制器专门用于电阻性负载的加热系统,采用PWM间接调制负载功率,以微处理器为核心,运用新颖的温度测量和补偿算法,采用蓝色背光设计和动态LCD屏幕显示,具有可编程、测温和调温精确的特点,是一种绿色、节能的电子产品,在我国北方寒冷地区具有良好的发展前景。1 数字式温度控制器的设计该新型数字式温度控制器是基于家庭电阻性供热或者工业温度控制箱的应用而开发的。该控制器以微处理器为核心部件,辅以外部接口电路和软件算法,能够实现温度的准确测量和调控。设计开发的温度控制器可数字式调控温度,从而使加热设备运行在最佳节能状态,大大减小了能量消耗,加之使用无铅化
3、的电子元件,因此,可以称之为节能产品或绿色产品。1.1 硬件设计硬件设计主要有电源电路、温湿度测量电路和蓝色背光灯电路等。温度控制器采用电阻性加热负载,最小负荷电流为2A,最大负荷电流为17A,最大电阻功率可达4kW,220VAC电源输入,采用双向晶闸管控制可使温度控制器运行在15s的加热周期,也就是说温度控制器每15s读取温度值并作出调整,从而确保温度控制器具有良好的精度,不会出现温度振荡。另外,基于双向晶闸管的温度控制器[2]可以增加环境温度的舒适感,而且能节省10%的电费。安装在卧室内,不会有继电器动作的声响。1.1.1 电源电路设计电源电路主要
4、由电流变压器、双向晶闸管、整流桥、单向晶闸管以及平波电容构成。电源电路的工作原理为:设计阻性负载功率为千瓦级,采用无触点的双向晶闸管在触发信号的触发下双向导通,为负载供电。一般供电情况下,120VAC或者240VAC电源加入温度控制器,通过第一个整流桥和稳压电路为微处理器和外围接口电路供电,微处理器自动执行初始化,LCD开始显示预设温度和时间,控制器处于待机状态。用户进行按键操作,输入设置点温度和时间,当设置点温度大于环境温度点时,微处理器产生触发高电平,将整流侧的单向晶闸管导通,第一个整流桥整流侧短路,自然触发双向晶闸管的导通,电流变压器原边接入电源
5、和负载,副边经过第二个整流桥整流稳压以后,可连续为控制电路供电,实现电流变压器和双向晶闸管相互配合的输电供电模式。当触发脉冲为PWM脉冲调制信号时,施加在负载的交流电源也被间接调制,实现负载运行的动态调整,并通过比较环境温度和设定点温度进行PID调节,将温度波动范围控制在±0.1°C。1.1.2 温度测量电路设计采用的微处理器是TI公司的MSP430[3]芯片,温度测量电路使用两个I/O端口和一个比较器端口。温度测量采用斜率A/D转换技术,对已知电容值的电容进行充放电,计算电容的放电周期数。放电时间越长,充电电压越大。充电电压可以通过电容放电的电路方程
6、获得解析解。电容电压测量的方法主要是在电阻为常数的情况下,反映电压和时间的关系,即U-t是指数关系,微处理器的计算将复杂而耗时。测温电阻测量方法是在初始电压保持不变的情况下,反映电阻和时间的关系,即R-t是线性关系,微处理器的计算将比较容易,从而降低计算成本。斜率A/D转换温度测量的硬件配置图如图1所示。 斜率ADC转换的温度测量电路的工作原理为:首先将P1.x或P1.y输出为高电平,对Cm充电到UOH=Ucm=UCC。在计时器配置完之后,将P1.x置为低电平,电容Cm通过测温电阻放电。在电容开始放电时,寄存器TAR被清零,启动计时器。当电容电压放电
7、到比较器参考电压UCAREF=0.25UCC时,比较器输出CAOUT在负跳边沿使寄存器TAR值被比较/捕获寄存器CCR1捕获,捕获值为放电时间间隔Tsens,接着对参考电阻进行重复充/放电过程,其捕获值为Tref。根据已知参考电阻值和捕获值来计算测温电阻值Rsens。Cm的充电时间是给定的,即tc=5τ~7τ,τ=RsensCm。这种测量方法具有很高的精度,而且不需要独立的A/D转换模块。然而,由于有相对较长的充放电时间,采样速率受到一定的限制,在进行测量和计算时需要增加额外的代码开销和执行周期时间。斜率A/D转换温度测量的原理图如图2所示。 首先电
8、容Cm通过测温电阻Rsens放电,则有UCAREF=UCCetsensRsensCm(1)
