专利名称：一种具有保护功能的脉宽调制式温度控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有保护功能的PWM温度控制器，用于微重力流体试验，也可以应用于航空航天领域内的需要具有保护功能的温度控制电路。
背景技术：
温度是各类工业控制生产中常见的、而又十分重要的控制参数。脉宽调制(以下简称PWM)技术的基础是正弦波PWM(SPWM)，其思想是用正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲代替正弦波，即调制波。脉宽调制(PWM)的应用研究一直受到关注，首要是PWM的数字化实现技术。随着微电子技术和电力电子技术的发展，控制系统的数字化已经得到广泛认同的必然趋势。
目前已经研制出各种针对不同控制对象的温度控制系统，但在硬件设计尤其是功率控制部分中存在着一些缺点硬件结构复杂、分离元件比较多、结构比较封闭、出现故障时往往需要人为参与等，在空间任务中的温度控制系统中，这些缺点更加突出。
在《光学与光电技术》2004年4月第二卷第二期“一种微型高精度PWM温度控制器”中做了介绍，其温度控制器由温度传感器驱动及信号变换电路、信号放大和PID调节回路、热电制冷器TEC驱动电路等组成，除采用了放大器OPA2340、由Burr-Brown公司(现已经被TI收购)生产的专门用于TEC温度控制的精密前端放大器INA330、和一个单声道BTL模式的D类音频功率放大器，另外还使用了大量的阻容器件，如图1所示。一方面，有的器件没有军级以上等级的器件，无法在空间任务中应用，另一方面，该控制器没有保护功能，无法满足空间任务的特殊需求。
微重力流体科学实验研究是载人空间活动的主要项目之一，意义重大。被控对象为进行微重力流体科学实验的液池，控制元件电阻膜安装在实验液池上端，液池为40mm×30mm×42mm的立方体，内部装有液体，用电阻膜加热器在实验液池两端建立温度梯度场。液池是微重力流体科学实验的关键部件，不仅是液滴迁移实验的场所，其本身就是一个干涉系统，为了保证系统的工作稳定性，要求控制电路必须是无人自动控制、自动应对故障，保证液池安全、可靠地工作。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中存在的缺陷，从而提供一种适用于微重力流体科学实验的温度控制器，该温度控制器特别适用于航空航天系统中体积小、费用低、可靠性高的、不需要人为参与的带有自动保护功能的温度控制器。
本发明的目的是这样实现的本发明提供的具有保护功能的脉宽调制式温度控制器，包括一中央控制单元1，该中央控制单元根据被控对象的设定温度和实际温度之差，根据控制算法计算出在一个脉宽调制周期T内电路需要输出电阻膜加热的高电平时间t；一脉宽调制信号发生器2，根据中央控制单元1输出的电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号，脉宽调制信号发生器2的上电初始状态为低电平，即为电阻膜不加热的安全态；保护电路3，设计输出脉冲的宽度TW，使其大于脉宽调制信号周期的n倍，即TW＞nT，用于保证发生故障时输出为低电平，停止电阻膜加热；驱动和出口保护电路4，使输出信号具有一定的驱动能力，并具有出口保护的作用；控制量输出电路5，将脉宽调制信号输出，以控制电阻膜加热电压的通断；温度测量模块6，采集被控对象电阻膜的温度，送入中央控制单元1；中央控制单元1输出给脉宽调制信号发生器2，根据中央控制单元1的输出电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号，并输出给保护电路3，经保护电路3后的输出则为具有保护功能的控制信号的输出量，该控制信号输入驱动和出口保护电路4，该信号具有一定的驱动能力，并具有出口保护的作用，并输出到控制量输出电路5，该控制量输出电路5输出的控制信号，控制电阻膜的加热电压的通断，温度测量元件检测到的信号再输入中央控制单元1，实现温度控制。
在上述的技术方案中，所述的脉宽调制信号发生器2，采用一片D触发器，一个电阻R1与一个电容C1并联后与D触发器电连接；其中电阻R1和电容C1的连接决定了将上电的初始状态设定为低电平，即为电阻膜不加热的安全态，根据中央控制单元1输出的电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号，如图3所示。
在上述的技术方案中，所述的保护电路3包括采用一片可重触发的单稳触发器，一个或门、和一个电阻R2与一个电容C2串联，再与可重触发的单稳触发器电连接，电阻R2与可重触发的单稳触发器电连接；可重触发的单稳触发器的输出和脉宽调制信号发生器2中的D触发器的输出共同作为或门的输入端，或门的输出则为具有保护功能的控制信号的输出量，如图3所示。通过调整可重触发的单稳触发器的外接阻容器件，设计输出脉冲的宽度TW，使TW＞nT，保证发生故障时，诸如CPU死、失控等连续出现高电平加热时，防止无控制的持续加热电阻膜烧毁仪器。
在上述的技术方案中，所述的驱动和出口保护电路4，采用达林顿电路和在达林顿电路输出端连接一个上拉电阻，如图3所示。
在上述的技术方案中，所述的温度测量模块6，采集被控对象电阻膜的温度，送入中央控制单元1；本发明的优点在于本发明涉及一种具有保护功能的PWM温度控制器，该温度控制器采用脉宽调制方式实现控制，控制元件为电阻膜，电路输出的高电平控制信号为电阻膜加热，低电平控制信号为电阻膜不加热，通过调整脉宽调制信号的占空比改变加热程度，上电初始状态输出为电阻膜不加热的安全态。当发生故障时，诸如CPU死、失控等连续出现高电平时，无控制的持续加热电阻膜会烧毁仪器，为此，在硬件设计上采用了保护电路，保证发生故障时电路输出为低电平，停止电阻膜加热。该电路设计简单、体积小、安全可靠，尤其适合航空航天领域等人无法直接干预试验的控制系统。
本发明提供的具有保护功能的PWM温度控制器结构简单，体积小、功耗低、重量轻，适应空间实现。该温度控制器控制稳定度高，安全可靠，不需要人的参与，降低了系统复杂度，易于系统化尤其是空间系统的实现。
图1是已有温度控制器电路2是本发明的具有保护功能的PWM温度控制器组成框3是本发明的M温度控制器中的保护电路的组成框4是本发明的M温度控制器的脉宽调制信号时序面说明中央控制单元-1； 脉宽调制信号发生器-2；保护电路-3； 驱动和出口保护电路-4；控制量输出电路-5； 温度测量模块-6；具体实施方式
参考图2，制作一本发明的具有保护功能的PWM温度控制器。
中央控制单元1采用单片机，该单片机根据被控对象的设定温度和实际温度之差，和PID控制算法计算出在一个脉宽调制周期T内电路需要输出电阻膜加热的高电平时间t；即得到控制量u，在一个脉宽调制周期T内的前t时间内输出高电平给脉宽调制信号发生器2，在T-t时间内输出低电平给脉宽调制信号发生器2。中央控制单元1使用2个定时器定时，t时间到输出低电平给脉宽调制信号发生器2，T时间到输出高电平给脉宽调制信号发生器2。根据不同的温度差计算出不同的控制量，来改变被控对象电阻膜的接通时间。
如图3所示，脉宽调制信号发生器2硬件设计采用了一片D触发器和一个电阻R1(4.7k)、一个电容C1(0.1μ)；一个电阻R1与一个电容C1并联后与D触发器电连接；电阻R1和电容C1的阻值决定了将上电的初始状态设定为低电平，即为电阻膜不加热的安全态，根据中央控制单元1输出的电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号。
如图3所示，保护电路3采用了一片可重触发的单稳触发器、一个或门、外接一个电阻R2(510k)、和一个电容C2(0.33μ)；可重触发的单稳触发器的输出和脉宽调制信号发生器2中的D触发器的输出共同作为或门的输入端，或门的输出则为具有保护功能的控制信号的输出量。
如图4所示，通过调整可重触发的单稳触发器的外接阻容器件R2和C2，设计输出脉冲的宽度TW，输出脉冲的宽度TW＝0.7×C2×R2，使TW＞nT，保证发生故障时，诸如CPU死、失控等连续出现高电平加热时，防止无控制的持续加热电阻膜烧毁仪器。
如图3所示，驱动和出口保护电路4采用达林顿电路和一个上拉电阻R3，使控制量信号的驱动能力增大，并具有出口保护的功能。
如图3所示，控制量输出电路5，采用射极反应器，根据控制量信号控制电阻膜加热电压的通断。
采用单片机为中央控制单元1，中央控制单元1根据被控对象的设定温度和实际温度之差，和一定的控制算法计算出在一个脉宽调制周期T内电路需要输出电阻膜加热的高电平时间t，即控制量，在一个脉宽调制周期T内的前t时间内输出高电平给脉宽调制信号发生器2，在T-t时间内输出低电平给脉宽调制信号发生器2。使用2个定时器定时，t时间到输出低电平给脉宽调制信号发生器2，T时间到输出高电平给脉宽调制信号发生器2的D触发器，根据中央控制单元1的输出电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号，D触发器一路输出给保护电路3的或门，另一路输出给保护电路3的可重触发的单稳触发器，可重触发的单稳触发器输出到或门，经保护电路3或门输出则为具有保护功能的控制信号的输出量，该控制信号输入驱动和出口保护电路4的达林顿电路，达林顿电路的输出端外接一上拉电阻R3，达林顿电路与一开关控制模块做控制量输出电路5电连接，该控制量输出电路5输出信号具有一定的驱动能力，并具有出口保护的作用，该控制量输出电路5输出的控制信号，直接控制控制电阻膜的加热电压的通断，温度测量元件检测到的信号再输入中央控制单元1，实现温度控制。
权利要求
1.一种具有保护功能的脉宽调制式温度控制器，包括脉宽调制信号发生器2、温度测量元件6；其特征在于，还包括中央控制单元1，根据被控对象的设定温度和实际温度之差，和PID控制算法计算出在一个脉宽调制周期T内电路需要输出电阻膜加热的高电平时间t；保护电路3，设计输出脉冲的宽度TW，使其大于脉宽调制信号周期的n倍，即TW＞nT，用于保证发生故障时输出为低电平，停止电阻膜加热；驱动和出口保护电路4，使输出信号具有一定的驱动能力，并具有出口保护的作用；控制量输出模块5，将脉宽调制信号输出，以控制电阻膜加热电压的通断；所述的脉宽调制信号发生器2，根据中央控制单元1输出的电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号，脉宽调制信号发生器2的上电初始状态为低电平，为电阻膜不加热的安全态；所述的温度测量元件6，采集被控对象电阻膜的温度，送入中央控制单元1；其中中央控制单元1输出给脉宽调制信号发生器2，根据中央控制单元1的输出电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号，并输出给保护电路3，经保护电路3后的输出则为具有保护功能的控制信号的输出量，该控制信号输入驱动和出口保护电路4，并输出到控制量输出电路5，该控制量输出电路5输出的控制信号，控制电阻膜的加热电压的通断，温度测量元件6检测到的信号再输入中央控制单元1，实现温度控制。
2.按权利要求1所述的一种具有保护功能的PWM温度控制器，其特征在于所述的中央控制单元1为单片机。
3.按权利要求1所述的一种具有保护功能的PWM温度控制器，其特征在于所述的脉宽调制信号发生器2，采用一片D触发器，一个电阻R1与一个电容C1并联后与D触发器电连接；其中电阻R1和电容C1的连接将上电的初始状态设定为低电平，根据中央控制单元1输出的电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号。
4.按权利要求1所述的一种具有保护功能的PWM温度控制器，其特征在于所述的保护电路3包括采用一片可重触发的单稳触发器，一个或门、和一个电阻R2与一个电容C2串联，再与可重触发的单稳触发器电连接，电阻R2与可重触发的单稳触发器电连接；可重触发的单稳触发器的输出和脉宽调制信号发生器2中的D触发器的输出共同作为或门的输入端，或门的输出则为具有保护功能的控制信号的输出量。
5.按权利要求1所述的一种具有保护功能的PWM温度控制器，其特征在于所述的驱动和出口保护电路4，采用达林顿电路和在达林顿电路输出端连接一个上拉电阻。
全文摘要
本发明涉及一种具有保护功能的脉宽调制式温度控制器，包括中央控制单元输出给脉宽调制信号发生器，根据中央控制单元的输出电阻膜加热时间t，产生脉宽调制信号，并输出给保护电路，经保护电路后的输出信号输入驱动和出口保护电路，经驱动和出口保护电路输出信号输出到控制量输出电路，该控制量输出电路输出的控制信号，控制电阻膜的加热电压的通断，温度测量元件检测到的信号再输入中央控制单元，实现温度控制。该控制器电路采用脉宽调制方式实现控制，在硬件设计上采用了保护电路，保证发生故障时电路输出为低电平，停止电阻膜加热。该电路设计简单、体积小、安全可靠，尤其适合航空航天领域等人无法直接干预试验的控制系统。
文档编号G05B13/00GK1801026SQ200410104038
公开日2006年7月12日 申请日期2004年12月31日 优先权日2004年12月31日
发明者姜秀杰, 陈小敏 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心