專利名稱：一種用于脈寬調(diào)制模式的溫度控制系統(tǒng)中的保護(hù)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種溫度控制器保護(hù)電路，特別是涉及一種用于微重力流體試驗(yàn)中，使用的脈寬調(diào)制模式的溫度控制系統(tǒng)中的保護(hù)器。
背景技術(shù)：
溫度是各類工業(yè)控制生產(chǎn)中常見的、而又十分重要的控制參數(shù)。脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的基礎(chǔ)是正弦波PWM(SPWM)，其思想是用正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖代替正弦波，即調(diào)制波。脈寬調(diào)制(PWM)的應(yīng)用研究一直受到關(guān)注，首要是PWM的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)技術(shù)。隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)的數(shù)字化已經(jīng)得到廣泛認(rèn)同的必然趨勢。
目前已經(jīng)研制出各種針對(duì)不同控制對(duì)象的溫度控制系統(tǒng)，但在硬件設(shè)計(jì)尤其是功率控制部分中存在著一些缺點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分離元件比較多、結(jié)構(gòu)比較封閉、出現(xiàn)故障時(shí)往往需要人為參與等，在空間任務(wù)中的溫度控制系統(tǒng)中，這些缺點(diǎn)更加突出。
在《光學(xué)與光電技術(shù)》2004年4月第二卷第二期“一種微型高精度PWM溫度控制器”中做了介紹，其溫度控制器由溫度傳感器驅(qū)動(dòng)及信號(hào)變換電路、信號(hào)放大和PID調(diào)節(jié)回路、熱電制冷器TEC驅(qū)動(dòng)電路等組成，除采用了放大器OPA2340、由Burr-Brown公司(現(xiàn)已經(jīng)被TI收購)生產(chǎn)的專門用于TEC溫度控制的精密前端放大器INA330、和一個(gè)單聲道BTL模式的D類音頻功率放大器，另外還使用了大量的阻容器件，如圖1所示。一方面，有的器件沒有軍級(jí)以上等級(jí)的器件，無法在空間任務(wù)中應(yīng)用，另一方面，該控制器沒有保護(hù)功能，無法滿足空間任務(wù)的特殊需求。
微重力流體科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究是載人空間活動(dòng)的主要項(xiàng)目之一，意義重大。被控對(duì)象為進(jìn)行微重力流體科學(xué)實(shí)驗(yàn)的液池，控制元件電阻膜安裝在實(shí)驗(yàn)液池上端，液池為40mm×30mm×42mm的立方體，內(nèi)部裝有液體，用電阻膜加熱器在實(shí)驗(yàn)液池兩端建立溫度梯度場。液池是微重力流體科學(xué)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部件，不僅是液滴遷移實(shí)驗(yàn)的場所，其本身就是一個(gè)干涉系統(tǒng)，為了保證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，要求控制電路必須是無人自動(dòng)控制、自動(dòng)應(yīng)對(duì)故障，保證液池安全、可靠地工作。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是克服上述現(xiàn)有溫度控制系統(tǒng)沒有保護(hù)功能的缺陷，從而提供一種適用于空間任務(wù)的特殊需求的、滿足微重力流體科學(xué)實(shí)驗(yàn)用的溫度控制系統(tǒng)的保護(hù)器，該保護(hù)器體積小、費(fèi)用低、可靠性高的、不需要人為參與的、具有自動(dòng)保護(hù)功能的。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型提供的用于脈寬調(diào)制模式的溫度控制系統(tǒng)中的保護(hù)器，包括一片可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器7、一個(gè)或門8、和一個(gè)電阻R2與一個(gè)電容C2串聯(lián)，再與可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器7電連接，電阻R2與可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器7電連接；可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器7的輸出和脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器2中的D觸發(fā)器9的輸出共同作為或門10的輸入端，或門8的輸出則為具有保護(hù)功能的控制信號(hào)的輸出量。通過調(diào)整可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器的外接阻容器件，設(shè)計(jì)輸出脈沖的寬度TW，使TW＞nT，保證發(fā)生故障時(shí)，諸如CPU死、失控等連續(xù)出現(xiàn)高電平加熱時(shí)，防止無控制的持續(xù)加熱電阻膜燒毀儀器。
在上述的技術(shù)方案中，所述的脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器2，采用一片D觸發(fā)器，一個(gè)電阻R1與一個(gè)電容C1并聯(lián)后與D觸發(fā)器電連接；其中電阻R1和電容C1的連接決定了將上電的初始狀態(tài)設(shè)定為低電平，即為電阻膜不加熱的安全態(tài)，根據(jù)中央控制單元1輸出的電阻膜加熱時(shí)間t，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，如圖2所示。
在上述的技術(shù)方案中，所述的溫度測量元件6為熱電偶。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于本實(shí)用新型的用于脈寬調(diào)制模式的溫度控制系統(tǒng)中的保護(hù)器，使用在溫度控制器采用脈寬調(diào)制方式，控制元件為電阻膜，電路輸出的高電平控制信號(hào)為電阻膜加熱，低電平控制信號(hào)為電阻膜不加熱，通過調(diào)整脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比改變加熱程度，上電初始狀態(tài)輸出為電阻膜不加熱的安全態(tài)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，諸如CPU死、失控等連續(xù)出現(xiàn)高電平時(shí)，無控制的持續(xù)加熱電阻膜會(huì)燒毀儀器，當(dāng)在該P(yáng)WM溫度控制器中安裝了本實(shí)用新型的保護(hù)電路，就能保證發(fā)生故障時(shí)電路輸出為低電平，停止電阻膜加熱。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，體積小、功耗低、重量輕，安全可靠，尤其適合航空航天領(lǐng)域等人無法直接干預(yù)試驗(yàn)的控制系統(tǒng)。


圖1是已有溫度控制器電路圖圖2是具有本實(shí)用新型的保護(hù)器的PWM溫度控制器組成圖圖3是本實(shí)用新型的保護(hù)器電路組成框圖圖4是本實(shí)用新型的脈寬調(diào)制信號(hào)與保護(hù)信號(hào)關(guān)系的時(shí)序圖圖面說明中央控制單元-1；脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器-2；保護(hù)電路-3；驅(qū)動(dòng)和出口保護(hù)電路-4；控制量輸出電路-5； 溫度測量元件-6；可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器-7；輸出端或門-8；D觸發(fā)器-9； 輸入端或門-10；具體實(shí)施方式
參考圖2和3，制作一本實(shí)用新型的用于脈寬調(diào)制模式的溫度控制系統(tǒng)中的保護(hù)器。該保護(hù)器采用了一片型號(hào)為54HC123的可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器1、一個(gè)54HC32或門、外接一個(gè)電阻R2(510kΩ)、和一個(gè)電容C2(0.33μ)?？芍赜|發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器1的輸出和脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器2中的D觸發(fā)器4的輸出共同作為或門5的輸入端，或門3的輸出則為具有保護(hù)功能的控制信號(hào)的輸出量。
脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器2硬件設(shè)計(jì)采用了一片D觸發(fā)器54HC273、一個(gè)或門54HC32和一個(gè)電阻R1(4.7kΩ)、一個(gè)電容C1(0.1μ)；一個(gè)電阻R1與一個(gè)電容C1并聯(lián)后與D觸發(fā)器電連接；電阻R1和電容C1的阻值決定了將上電的初始狀態(tài)設(shè)定為低電平，即為電阻膜不加熱的安全態(tài)，根據(jù)中央控制單元1輸出的電阻膜加熱時(shí)間t，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)。
通過調(diào)整可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器的外接阻容器件R2和C2，設(shè)計(jì)輸出脈沖的寬度TW，輸出脈沖的寬度TW＝0.7×C2×R2，使TW＞nT，保證發(fā)生故障時(shí)，諸如CPU死、失控等連續(xù)出現(xiàn)高電平加熱時(shí)，防止無控制的持續(xù)加熱電阻膜燒毀儀器。
本實(shí)用新型應(yīng)用在PWM溫度控制器中，作成一具有保護(hù)功能的PWM溫度控制器，如圖2所示。該P(yáng)WM溫度控制器采用單片機(jī)為中央控制單元1，中央控制單元1根據(jù)被控對(duì)象的設(shè)定溫度和實(shí)際溫度之差，和一定的控制算法計(jì)算出在一個(gè)脈寬調(diào)制周期T內(nèi)電路需要輸出電阻膜加熱的高電平時(shí)間t，即控制量，在一個(gè)脈寬調(diào)制周期T內(nèi)的前t時(shí)間內(nèi)輸出高電平給脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器2，在T-t時(shí)間內(nèi)輸出低電平給脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器2。使用2個(gè)定時(shí)器定時(shí)，t時(shí)間到輸出低電平給脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器2，T時(shí)間到輸出高電平給脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器2的D觸發(fā)器，根據(jù)中央控制單元1的輸出電阻膜加熱時(shí)間t，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，D觸發(fā)器一路輸出給本實(shí)用新型的保護(hù)器的或門，另一路輸出給本實(shí)用新型的保護(hù)器的可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器，可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器輸出到或門，經(jīng)本實(shí)用新型的保護(hù)器或門輸出則為具有保護(hù)功能的控制信號(hào)的輸出量，該控制信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)和出口保護(hù)電路4的達(dá)林頓電路的輸出端外接一電阻R3，達(dá)林頓電路與一開關(guān)控制模塊做控制量輸出電路5電連接，該控制量輸出電路5輸出的控制信號(hào)，直接控制控制電阻膜的加熱電壓的通斷，溫度測量元件6檢測到的信號(hào)再輸入中央控制單元1，實(shí)現(xiàn)溫度控制。
權(quán)利要求1.一種用于脈寬調(diào)制模式的溫度控制系統(tǒng)中的保護(hù)器，包括一片可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器(7)、一個(gè)或門(8)、和一個(gè)電阻(R2)與一個(gè)電容(C2)串聯(lián)，再與可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器(7)電連接，電阻(R2)與可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器(7)電連接；可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器(7)的輸出和脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器(2)中的D觸發(fā)器(9)的輸出共同作為或門(10)的輸入端，或門(8)的輸出則為具有保護(hù)功能的控制信號(hào)的輸出量。
2.按權(quán)利要求1所述的用于脈寬調(diào)制模式的溫度控制系統(tǒng)中的保護(hù)器，其特征在于所述的脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器(2)，采用一片D觸發(fā)器，一個(gè)電阻(R1)與一個(gè)電容(C1)并聯(lián)后與D觸發(fā)器電連接；其中電阻(R1)和電容(C1)的連接將上電的初始狀態(tài)設(shè)定為低電平，根據(jù)中央控制單元(1)輸出的電阻膜加熱時(shí)間t，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于脈寬調(diào)制模式的溫度控制系統(tǒng)中的保護(hù)器，包括采用一片可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器，一個(gè)或門、和一個(gè)電阻R2與一個(gè)電容C2串聯(lián)，再與可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器電連接，電阻R2與可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器電連接；可重觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)器的輸出和脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器中的D觸發(fā)器的輸出共同作為或門的輸入端，或門的輸出則為具有保護(hù)功能的控制信號(hào)的輸出量。該保護(hù)電器保證發(fā)生故障時(shí)電路輸出為低電平，停止電阻膜加熱。該電路設(shè)計(jì)簡單、體積小、安全可靠，尤其適合航空航天領(lǐng)域等人無法直接干預(yù)試驗(yàn)的控制系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G05D23/22GK2775721SQ20042012252
公開日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2004年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月31日
發(fā)明者姜秀杰, 陳小敏 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心