正文溫度控制器的研發(fā)與運用

1、 健雄職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文）前言 溫度控制器是各種電子產(chǎn)品必不可少的重要控制部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個電子產(chǎn)品運行的安全性和可靠性。其主要作用是根據(jù)所需條件來控制電子產(chǎn)品的正常運行并檢測電子產(chǎn)品性能的好壞，現(xiàn)已成為具有發(fā)展前景和影響力的一項高新技術(shù)產(chǎn)品。溫度控制器以其操作簡單，電路簡潔，安全性強等顯著優(yōu)點而受到人們的青睞，并廣泛應用于冷庫，熱泵產(chǎn)業(yè)，蘑菇庫，水產(chǎn)品養(yǎng)殖場以及家用電器產(chǎn)品中。近年來，隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，人們對于溫度控制器的需求與日俱增，溫度控制器的開發(fā)，研制和生產(chǎn)已成為發(fā)展前景十分誘人的朝陽產(chǎn)業(yè)。目前，伴隨著電子產(chǎn)品的廣泛運用，溫度控制器顯示出了強大的生命力。

2、其操作簡單，安全性強等優(yōu)點，現(xiàn)已成為電子產(chǎn)品中不可缺少的一部分。據(jù)了解，很多廠家在使用溫度控制器的過程中，往往碰到慣性溫度誤差的問題，苦于無法解決，依靠手工調(diào)壓來控制溫度。創(chuàng)新，采用了PID模糊控制技術(shù)，較好地解決了慣性誤差的問題。傳統(tǒng)的溫度控制器，是利用熱電偶線在溫度化變化的情況下，產(chǎn)生變化的電流作為控制信號，對電器元件作定點的開關(guān)控制器。電腦控制溫度控制器：采用PID模糊控制技術(shù)，用先進的數(shù)碼技術(shù)通過PVAR、LVAR、DVAR三方面的結(jié)果調(diào)整形成一個模糊控制來解決慣性溫度誤差問題。傳統(tǒng)的溫度控制器的電熱元件一般以電熱棒、發(fā)熱圈為主，兩者里面都用發(fā)熱絲制成。發(fā)熱絲通過電流加熱時，通常達到1

3、000以上，所以發(fā)熱棒、發(fā)熱圈內(nèi)部溫度都很高。一般進行溫度控制的電氣機械，其控制溫度多在0-400之間，所以，傳統(tǒng)的溫度控制器進行溫度控制期間，當被加熱器件溫度升高至設(shè)定溫度時，溫度控制會發(fā)出信號停止加熱。但這時發(fā)熱棒或發(fā)熱圈的內(nèi)部溫度會高于400，發(fā)熱棒、發(fā)熱圈還將會對被加熱的器件進行加熱，即使溫度控制器又開始發(fā)出加熱的信號，開始加熱，但發(fā)熱絲要把溫度傳遞到被加熱器件需要一定的時間，這就要視乎發(fā)熱絲與被加熱器件之間介質(zhì)情況而定。通常開始重新加熱時，溫度繼續(xù)下降幾度。所以，傳統(tǒng)的定點開關(guān)控制溫度會有正負誤差幾度的現(xiàn)象，但這不是溫度控制器本身的問題，而是整個熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性問題，使溫度控制器產(chǎn)生一

4、種慣性溫度誤差。要解決溫度控制器這個問題，采用PID模糊控制技術(shù)，是明智的選擇。PID模糊控制，是針對以上的情況而制定的、新的溫度控制方案，用先進的數(shù)碼技術(shù)通過PVAR、LVAR、DVAR三方面的結(jié)合調(diào)整，形成一個模糊控制，來解決慣性溫度誤差問題。然而，在很對情況下，由于傳統(tǒng)的溫度控制器控制方式存在較大的慣性溫度誤差，往往在要求精確的溫度時，很多人會放棄自動控制而采用調(diào)壓器來代替溫度控制器。當然，在電壓穩(wěn)定工作的速度不變、外界氣溫不變和空氣流動速度不變的情況下，這樣做是完全可以的，但是要清楚的知道，以上的環(huán)境因素是不斷改變的，同時，用調(diào)壓器來代替溫度控制器時，必須在很大程度上靠人力調(diào)節(jié)，隨著工

5、作環(huán)境的變化而用人手調(diào)好所需溫度的度數(shù)，然后靠相對穩(wěn)定的電壓來通電加熱。勉強運作，但這決不是自動控溫。當需要控制的關(guān)鍵很多時，就會手忙腳亂。這樣，調(diào)壓器就派不上用場，因為靠人手不能同時調(diào)節(jié)那么多需要溫控的關(guān)鍵，只有采用PID模糊控制技術(shù)，才能解決這個問題，使操作得心應收，運行暢順。例如燙金機，其溫度要求比較穩(wěn)定，通常在正負2以內(nèi)才能較好運作。高速燙金機燙制同一種產(chǎn)品圖案時，隨著速度加快，因為燙金之前必須要把燙金機的運轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)適當，用速度來遷就溫度控制器和調(diào)壓器的弱點。但是，如果采用PID模糊控制的溫度控制器，就能解決以上的問題，因為PID中的P，即PVAR功率變量控制，能隨著燙金機工作速度加

6、快而加大功率輸出的百分量。1. 概述本章重點在于對溫度控制器的作用以及運用進行概述，進一步了解溫度控制的原理。1.1溫度控制器的概述溫度控制器是對空調(diào)房間的溫度進行控制的電開關(guān)設(shè)備。溫度控制器所控制的空調(diào)房間內(nèi)的溫度范圍一般在18-28。窗式空調(diào)常用的溫度控制器是以壓力作用原理來推動觸點的通與斷。其結(jié)構(gòu)由波紋管、感溫包（測試管）、偏心輪、微動開關(guān)等組成一個密封的感應系統(tǒng)和一個轉(zhuǎn)送信號動力的系統(tǒng)PID控制溫控器(英：Thermostat 日：)是集成編程器與軟件并實現(xiàn)智能化控制溫度的開關(guān)，可以自由調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，并能按用戶要求設(shè)定各種時間段的開關(guān)和各種預設(shè)好的模式下自動運行調(diào)節(jié)室溫；使之達到舒適的

7、溫度。真正達到方便、節(jié)能、舒適溫暖的理想生活環(huán)境.適用于中央空調(diào)、單戶取暖、地暖及各種燃油、燃氣鍋爐（壁掛爐）等設(shè)備的使用,是理想的溫度控制產(chǎn)品及節(jié)能產(chǎn)品。2溫度控制器的分類本章重點在于對溫度控制器的不同分類方法對其進行分類，進一步研究溫度控制器的原理以及作用。2.1 按控制方法分控制方法一般分為兩種；一種是由被冷卻對象的溫度變化來進行控制，多采用蒸氣壓力式溫度控制器，另一種由被冷卻對象的溫差變化來進行控制，多采用電子式溫度控制器。溫控器分為： 機械式分為：蒸氣壓力式溫控器、液體膨脹式溫控器、氣體吸附式溫控器、金屬膨脹式溫控器。 其中蒸氣壓力式溫控器又分為：充氣型、液氣混合型和充液型。家用空調(diào)

8、機械式都以這類溫控器為主。電子式溫度控制器（電阻式）是采用電阻感溫的方法來測量的，一般采用白金絲、銅絲、鎢絲以及半導體（熱敏電阻等）為測溫電阻，這些電阻各有其優(yōu)確點。家用空調(diào)的傳感器大都是以熱敏電阻式。 熱敏電阻式溫控器是根據(jù)惠斯登電橋原理制成的，是惠斯登電橋。在BD兩端接上電源E，根據(jù)基爾霍夫定律，當電橋的電阻R1×R4=R2×R3時，A與C兩點的電位相等，輸出端A與C之間沒有電流流過，熱敏電阻的阻抗R1的大小隨周圍溫度的上升或下降而改變，使平衡受到破壞，AC之間有輸出電流。因此，在構(gòu)成溫控器時，可以很容易地通過選擇適當?shù)臒崦綦娮鑱砀淖儨囟日{(diào)節(jié)范圍和工作溫度。2.2以溫控

9、器制造原理來分 2.2.1.突跳式溫控器各種突跳式溫控器的型號統(tǒng)稱KSD，常見的如KSD301,KSD302等，該溫控器是雙金屬片溫控器的新型產(chǎn)品，主要作為各種電熱產(chǎn)品具過熱保護時，通常與熱熔斷器串接使用，突跳式溫控器作為一級保護。熱熔斷器則在突跳式溫控器失婁或失效導致電熱元件超溫時，作為二級保護自，有效地防止燒壞電熱元件以及由此而引起的火災事故。 2.2.2液漲式溫控器是當被控制對象的溫度發(fā)生變化時使溫控器感溫部內(nèi)的物質(zhì)（一般是液體）產(chǎn)生相應的熱脹冷縮的物理現(xiàn)象（體積變化），與感溫部連通一起的膜盒產(chǎn)生膨脹或收縮。以杠桿原理，帶動開關(guān)通斷動作，達到恒溫目的液脹式溫控器具有控溫準確，穩(wěn)定可靠，開

10、停溫差小，控制溫控調(diào)節(jié)范圍大，過載電流大等性能特點。液漲式溫控器主要用于家電行業(yè)，電熱設(shè)備，制冷行業(yè)等溫度控制場合用。 2.2.3壓力式溫控器該溫控器通過密閉的內(nèi)充感溫工質(zhì)的溫包和毛細管，把被控溫度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g壓力或容積的變化，達到溫度設(shè)定值時，通過彈性元件和快速瞬動機構(gòu)，自動關(guān)閉觸頭，以達到自動控制溫度的目的。它由感溫部、溫度設(shè)定主體部、執(zhí)行開閉的微動開關(guān)或自動風門等三部分組成。壓力式溫控器適用于制冷器具（如電冰箱冰柜等）和制熱器等場合。 以上幾種是常見的機械式溫控器。 2.2.4電子式溫控器電子式溫度控制器（電阻式）是采用電阻感溫的方法來測量的，一般采用白金絲、銅絲、鎢絲以及熱敏電阻等

11、作為測溫電阻，這些電阻各有其優(yōu)確點。一般家用空調(diào)大都使用熱敏電阻式。 電子式溫度控制器具有穩(wěn)定，體積小的優(yōu)點，現(xiàn)在在越來越多的領(lǐng)域中得到使用。2.2.5蒸氣壓力式波紋管的動作作用于彈簧，彈簧的彈力是由控制板上的旋鈕所控制的，毛細管放在空調(diào)機的室內(nèi)吸入空氣的風口處，對室內(nèi)循環(huán)回風的溫度起反應。當室溫上升至調(diào)定的溫度時，毛細管和波紋管中的感溫劑氣體膨脹，使波紋管伸長并克服彈簧的彈力把開關(guān)觸點接通，此時壓縮機運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)制冷，直到室溫又降至設(shè)定的溫度時，感溫包氣體收縮，波紋管收縮與彈簧一起動作，將開關(guān)置于斷開位置，使壓縮機的電動機電路切斷。以此反復動作，從而達到控制房間溫度的目的。2.3電子式分類電子

12、式分為：電阻式溫控器和熱電偶式溫控器。 2.4按控制方法分 1.手動 手動，標有防凍5攝氏度10攝氏度15攝氏度20攝氏度25攝氏度30攝氏度正像空調(diào)一樣你任意調(diào)節(jié)一個溫度，室內(nèi)就恒溫在這個溫度。 2.7天多時段編程溫控器7天多時段編程溫控器（多為地暖溫控器），按照你一周的生活規(guī)律，編制好程序，進行開機，關(guān)機，升溫，恒溫等運行，例如，早上你一上班，壁掛爐就自己關(guān)機，下午你六點到家，五點四十分壁掛爐就開始自己運行，當你走進家門，已是20攝氏度的室溫了。當你入睡時，室溫自動跳到16攝氏度，這一切變化都是你預先設(shè)定的。3制冷控制器的設(shè)計3.1控制器整體構(gòu)思的設(shè)計 根據(jù)傳感器測到的溫度（電路電路先輸入

13、9V的電壓然后通過濾波得出濾波后的9V在通過7805轉(zhuǎn)換出5V的電壓給于信號驅(qū)動），轉(zhuǎn)換成信號輸入到單片機中（將電路濾波后的9V電壓，在通過7805轉(zhuǎn)換出5V的電壓驅(qū)動單片機），單片機根據(jù)要求進行比較，然后單片機在根據(jù)要求讓繼電器吸合或斷開(電路給繼電器9V的驅(qū)動電壓)，同時數(shù)碼管顯示出相應的數(shù)據(jù)（電路給ULN2003提供續(xù)流電壓，ULN2003把數(shù)據(jù)傳給數(shù)碼管顯示以及繼電器吸合或斷開），我們可以在顯示部分用按鍵設(shè)定溫度值，以及查看溫度等操作，來更完善的給控制器控制溫度。如下圖3-1、圖3-2，圖3-3、圖3-4：圖3-1：面板顯示電路圖圖3-2：面板顯示硬件PCB圖 面板顯示部分分為數(shù)碼管、

14、按鍵、LED燈3部分，通過面板與底板的連接，底板把數(shù)碼管顯示信號以及LED顯示信號傳輸?shù)矫姘鍞?shù)碼管以及LED燈上，使數(shù)碼管以及LED顯示正確數(shù)值，通過兩個按鍵可以設(shè)定溫度范圍，回差溫度，以及檢測整個電路是否正確，還能查看當前溫度等。圖3-3：底板電路圖圖3-4：底板硬件PCB圖底板電路圖里主要有濾波部分，穩(wěn)壓部分，單片機部分，繼電器部分。通過9V電壓的輸入，首先通過四個二極管以及電容組成的濾波電路進行濾波，濾波后的電壓給繼電器公共端提供驅(qū)動電壓、給ULN2003的9腳使ULN2003達到續(xù)流作用，在1路給7805使7805輸出5V穩(wěn)壓，然后5V供給單片機驅(qū)動、兩個信號端，根據(jù)外部傳感器檢測的到

15、的溫度轉(zhuǎn)換成信號送到單片機，單片機處理數(shù)據(jù)，然后通過ULN2003分別給面板顯示部分以及繼電器信號，從而達到整個根據(jù)外部溫度來控制的功能。3.2控制部分的設(shè)計1.單片機的選用單片機是設(shè)計溫度控制器時軟件編寫的關(guān)鍵，直接影響其性能的優(yōu)劣，不僅對溫度控制有較大的影響，而且直接關(guān)系到溫度控制器的其他技術(shù)指標，為此選用一個合適的單片機非常重要，此處我選用ATMEGA8L-8PU的單片機。如圖3-5：圖3-5：ATMEGA8-8PU PCB圖 ATMEGA8-8PU單片機擦寫壽命: 10,000 次，具有獨立鎖定位的可選Boot 代碼區(qū)，通過片上Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時讀寫操作，512

16、字節(jié)的EEPROM，1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM，可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密。外設(shè)特點：兩個具有獨立預分頻器8 位定時器/ 計數(shù)器, 其中之一有比較功能、一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(shù)器、具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC。三通道PWM，TQFP與MLF 封裝的8 路ADC。8 路10 位ADC，PDIP封裝的6 路ADC，8 路10 位ADC，面向字節(jié)的兩線接口，兩個可編程的串行USART，可工作于主機/ 從機模式的SPI 串行接口，具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，片內(nèi)模擬比較器。特殊的處理器特點，上電復位以及可編程的掉電檢測，片內(nèi)經(jīng)過標定的RC、

17、振蕩器片內(nèi)/ 片外中斷源，5種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式及Standby 模式。I/O 和封裝：23個可編程的I/O 口，28引腳PDIP 封裝,32 引腳TQFP 封裝,32 引腳MLF 封裝。工作電壓：2.7 - 5.5V (ATmega8L)、 4.5 - 5.5V (ATmega8)。 速度等級：0 - 8 MHz (ATmega8L)，0 - 16 MHz (ATmega8)， 4 Mhz 時功耗, 3V, 25°C， 工作模式: 3.6 mA， 空閑模式: 1.0 mA， 掉電模式: 0.5 A。2.集成電路ULN2003ULN2003

18、是連接單片機與顯示部分和繼電器部分主要的元器件，具有很強大的作用，以下介紹下ULN2003的特點以及作用。ULN2003硬件PCB圖為圖3-6：圖3-6：ULN2003硬件PCB圖一.特點ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。 ULN2003 采用DIP16 或SOP16 塑料封裝。 ULN2003內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)

19、動繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅(qū)動電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于TTL COMS,由達林頓管組成驅(qū)動電路。 ULN是集成達林頓管IC,內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管,它的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V。用戶輸出口的外接負載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。通常單片機驅(qū)動ULN2003時，上拉2K的電阻較為合適，同時，COM引腳應該懸空或接電源。 ULN2003是一個非門電路，包含7個單元，單獨每個單元驅(qū)動電流最大可

20、達350mA，9腳可以懸空。比如1腳輸入，16腳輸出，你的負載接在VCC與16腳之間，不用9腳。二.作用ULN2003是大電流驅(qū)動陣列,多用于單片機、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動繼電器等負載。輸入5VTTL電平，輸出可達500mA/50V。 ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列,由七個硅NPN達林頓管組成。 該電路的特點如下: ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路 直接相連,可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器。 ULN2003 是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范

21、圍寬、帶負載能力強等特點,適應于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。3.基本電路的設(shè)計電路的設(shè)計是溫度控制中最重要的部分，直接影響其性能的優(yōu)劣，不僅對溫度控制有較大的影響，而且直接關(guān)系到溫度控制的其他技術(shù)指標和抗干擾性等，為此一個好的控制器必須具備高質(zhì)量的性能，較強的抗干擾性等，下面介紹其設(shè)計要點：一.輸入電壓的選定由于考慮到電路的抗干擾性，繼電器的驅(qū)動電壓為9V，ULN2003的續(xù)流電壓等，所以把輸入電壓選定為9V，所以選用個塑封變壓器220V/9V，因單片機的驅(qū)動電壓為穩(wěn)壓5V，所以選用個7805來供給單片機驅(qū)動電壓。二.濾波穩(wěn)壓電路的設(shè)計 9V的電源輸入后先進行濾波，利用4個二級管以及電容組成

22、的濾波電路進行濾波，濾波出來的電壓給UNL2003起續(xù)流作用，繼電器驅(qū)動作用，在給7805輸入端，7805輸出5V電壓給單片機驅(qū)動，在給2路信號驅(qū)動電壓，信號驅(qū)動后信號輸入單片機，單片機按照要求輸出給繼電器，繼電器吸合或斷開。另外單片機輸出到ULN2003和繼電器，ULN2003在輸入給顯示電路，顯示到數(shù)碼管上，繼電器則按照要求閉合或斷開。如圖3-6為原理圖：圖3-6：濾波穩(wěn)壓原理圖 3.3顯示電路的設(shè)計 顯示部分的設(shè)計是控制器中重要的部分，此處顯示3位選用0.56”3位的數(shù)碼管，選用4個LED燈 和2個按鍵，從底板傳來的信號給數(shù)碼管和LED燈，數(shù)碼管顯示相應的數(shù)值，燈也相應著亮，此電路能用2

23、個按鍵來達到溫度控制的效果，用兩個按鍵來設(shè)置設(shè)定溫度的范圍，也可檢測整個電路是否正常，按鍵的信號給單片機，單片機根據(jù)要求來判斷并執(zhí)行相應的操作，從而達到控制以及檢測的效果。電路如圖3-6為原理圖：圖3-6：顯示部分原理圖 4.結(jié)論在設(shè)計過程中，硬件PCB板中的電源線應與其他電源線或信號線保持距離，如果靠太近可能導致線路不穩(wěn)定且抗干擾能力也有一定的影響。當傳感器沒連上主板時，數(shù)碼管應顯示告警并斷開繼電器，以保證能正常的運行。如果傳感器都沒連上，繼電器如果吸合了，那么沒有達到溫度控制的效果。測試時應不接任何外部設(shè)備，直接對其進行檢測，如果接了外部設(shè)備在測試繼電器是否按照要求吸合時外部設(shè)備會1會開1會關(guān)，導致外部設(shè)備損壞。本文根據(jù)制冷方面控制要把溫