非线性时间比例控制温度控制仪表的制作方法

本实用新型涉及以使用电装置为特征的温度的控制领域，具体为一种非线性时间比例控制温度控制仪表。

背景技术：

温度控制仪表作为一款量大面广的产品，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、纺织、化纤、塑胶、烘箱等各行各业。传统的温度控制器由运算放大器等模拟电路所构成，采用电位器分压作为温度的设定值，电位器容易磨损，经常调节时使用寿命短。但它由模拟电路实现的非线性时间比例控制模型，具有温度控制系统能快速收敛达到设定温度，且控制误差也不大，无需调整控制参数等优点。而目前广泛使用的，由单片机为核心制成的温度控制器，虽然具有自整定PID等智能化功能，控制精度也相对比较高。但也存在调试相对复杂，有时温度波动大等缺点。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，提供一种结构简单、使用方便、适应性强、安全可靠的温度控制设备，本实用新型公开了一种非线性时间比例控制温度控制仪表。

本实用新型通过如下技术方案达到发明目的：

一种非线性时间比例控制温度控制仪表，包括温度传感器和温度调节器，其特征是：还包括控制器、自校零放大器、旋转编码温度设定器、RC反馈时间比例运算器和控制面板，

控制器通过信号线分别连接自校零放大器、旋转编码温度设定器、RC反馈时间比例运算器和控制面板，

温度传感器的电信号输出端通过信号线连接自校零放大器的电信号输入端，RC反馈时间比例运算器的控制信号输出端通过信号线连接温度调节器的控制信号输入端。

所述的非线性时间比例控制温度控制仪表，其特征是：

自校零放大器包括第一自校零电阻、第二自校零电阻、第一自校零滤波电容、运算放大器、自校零场效应管、第三自校零电阻、第四自校零电阻、第二自校零滤波电容和第五自校零电阻，

第一自校零电阻的一端作为自校零放大器的电信号输入端连接温度传感器的电信号输出端，第一自校零电阻的另一端分别连接第二自校零电阻的一端和第一自校零滤波电容的一端，第二自校零电阻的另一端分别连接运算放大器的同相输入端和自校零场效应管的漏极，运算放大器的反相输入端分别连接第三自校零电阻的一端、第四自校零电阻的一端和第二自校零滤波电容的一端，第四自校零电阻的另一端、第二自校零滤波电容的另一端和运算放大器的信号输出端依次连接后作为自校零放大器的数字信号输出端连接控制器的A/D端，自校零场效应管的栅极连接第五自校零电阻的一端，第五自校零电阻的另一端作为控制信号输入端连接控制器的I/O端，第一自校零滤波电容的另一端、自校零场效应管的源极和第三自校零电阻的另一端依次连接；

旋转编码温度设定器包括旋转编码器、第一上拉电阻、第一消刺电容、第二上拉电阻和第二消刺电容，

旋转编码器每旋转一周，A相输出端和B相输出端输出两个相位差为°的正交脉冲信号，零位脉冲输出端输出零位脉冲信号，旋转编码器的A相输出端分别连接第一上拉电阻的一端和第一消刺电容的一端，并作为旋转编码温度设定器的脉冲信号输出端连接控制器的INT端，旋转编码器的B相输出端分别连接第二上拉电阻的一端和第二消刺电容的一端，并作为旋转编码温度设定器的相位判断端连接控制器的I/O端，第一上拉电阻的另一端和第二上拉电阻的另一端都作为电压输入端连接外接电源，旋转编码器的零位脉冲输出端、第一消刺电容的另一端和第二消刺电容的另一端依次连接；

RC反馈时间比例运算器包括RC反馈场效应管、RC反馈电阻、二极管、继电器和RC反馈电容，

RC反馈场效应管的栅极连接RC反馈电阻的一端并作为控制信号输入端连接控制器的I/O端，RC反馈场效应管的漏极连接二极管的正极，二极管的负极作为电压输入端连接外接电源，继电器线圈的两端分别连接二极管的正极和负极，继电器的动合触点和温度调节器串联，RC反馈电阻的另一端连接RC反馈电容的一端并作为RC反馈时间比例运算器的数字信号输出端连接控制器的A/D端，RC反馈场效应管的源极连接RC反馈电容的另一端。

所述的非线性时间比例控制温度控制仪表，其特征是：控制器选用单片机，温度调节器选用加热器、制冷机或空气调节机。

本实用新型使用时，

控制器和自校零放大器构成信号采集部分，控制器和旋转编码温度设定器构的温度设定部分，控制器实现非线性时间比例控制以及测量温度显示、设定温度显示、输出指示、继电器输出。

自校零放大器的工作原理是：输入信号IN经第一自校零电阻和第一自校零滤波电容滤波后再经第二自校零电阻输至运算放大器的同相输入端；运算放大器的放大倍数由第三自校零电阻和第四自校零电阻决定，第二自校零滤波电容用于消除杂波信号；

运算放大器的同相输入端对地连接自校零场效应管，自校零场效应管由控制器的I/O端经第五自校零电阻控制；

控制器通过控制程序控制自校零场效应管的开路或短路，当自校零场效应管开路时，控制器的A/D端读取测量信号，该测量信号包含了运算放大器OP的输入失调、温漂和时漂等误差信号，当自校零场效应管短路时，控制器的A/D端读取误差信号，该误差信号包含了运算放大器OP的输入失调、温漂和时漂等参数，随后由控制器将测量信号和误差信号做减法，实现了简易的自校零技术，也降低了温度控制对运算放大器要求。

旋转编码温度设定器的工作原理是：采用旋转编码器和控制器配合，通过旋转编码器脉冲数的方法改变设定值，旋转编码器A相输出端输出的脉冲信号输入控制器的INT端用于脉冲计数，第一上拉电阻和第二上拉电阻都用于将信号钳位在高电平，第一消刺电容和第二消刺电容都用于消除脉冲信号的毛刺以剔除误脉冲信号，旋转编码器B相输出端输出的脉冲信号输入控制器的I/O端，控制器通过相位判断旋转编码器的正反转。

RC反馈时间比例运算器的工作原理是：温度控制的控制算法采用非线性时间比例控制，并由控制器的编程来实现，编程直接模拟施密特触发器和阻容（即RC）充放电负反馈的时间比例控制模型，时间比例控制的非线性系数（非线性系数指平均比例度/输出占空比等于50%时的比例度）达到0.5，使温度控制系统具有良好的收敛性和较小的控制误差，通过二极管两端向继电器线圈输出脉冲控制信号，继电器的动合触点相应的发生断续的闭合，调节温度调节器的工作时间，从而实现温度控制的目的。

控制面板包括输入设备和显示设备，输入设备可以选择键盘和鼠标，显示设备可以选择显示屏幕，或者选用触摸屏作为控制面板，通过输入设备输入各项参数，通过显示设备各项参数，温度传感器用于探测环境温度，温度调节器用于调节温度，这样就构成了一个完整的、电压自适应的电加热温度控制装置。

本实用新型综合了传统的模拟电路温度控制仪表和单片机智能温度控制仪表的优缺点，针对传统模拟温度控制仪表电位器容易磨损的缺点，保留非线性时间比例控制模型的优点，用旋转编码器与单片机配合组成温度控制仪表的设定，并用单片机编程实现非线性时间比例控制模型，实现了保留传统温度控制操作习惯和优点新型温度控制仪表。

本实用新型的有益效果是：结构简单，使用方便，适应性强，安全可靠。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中自校零放大器的电路图；

图3是本实用新型中旋转编码温度设定器的电路图；

图4是本实用新型中RC反馈时间比例运算器的电路图。

具体实施方式

以下通过具体实施例进一步说明本实用新型。

实施例1

一种非线性时间比例控制温度控制仪表，包括温度传感器1、温度调节器2、控制器3、自校零放大器4、旋转编码温度设定器5、RC反馈时间比例运算器6和控制面板7，如图1所示，具体结构是：

控制器3通过信号线分别连接自校零放大器4、旋转编码温度设定器5、RC反馈时间比例运算器6和控制面板7，

温度传感器1的电信号输出端通过信号线连接自校零放大器4的电信号输入端，RC反馈时间比例运算器6的控制信号输出端通过信号线连接温度调节器2的控制信号输入端。

本实施例中，自校零放大器4如图2所示：自校零放大器4包括第一自校零电阻41、第二自校零电阻42、第一自校零滤波电容43、运算放大器44、自校零场效应管45、第三自校零电阻46、第四自校零电阻47、第二自校零滤波电容48和第五自校零电阻49，

第一自校零电阻41的一端作为自校零放大器4的电信号输入端连接温度传感器1的电信号输出端，第一自校零电阻41的另一端分别连接第二自校零电阻42的一端和第一自校零滤波电容43的一端，第二自校零电阻42的另一端分别连接运算放大器44的同相输入端和自校零场效应管45的漏极，运算放大器44的反相输入端分别连接第三自校零电阻46的一端、第四自校零电阻47的一端和第二自校零滤波电容48的一端，第四自校零电阻47的另一端、第二自校零滤波电容48的另一端和运算放大器44的信号输出端依次连接后作为自校零放大器4的数字信号输出端连接控制器3的A/D端，自校零场效应管45的栅极连接第五自校零电阻49的一端，第五自校零电阻49的另一端作为控制信号输入端连接控制器3的I/O端，第一自校零滤波电容43的另一端、自校零场效应管45的源极和第三自校零电阻46的另一端依次连接；

本实施例中：旋转编码温度设定器5如图3所示：旋转编码温度设定器5包括旋转编码器51、第一上拉电阻52、第一消刺电容53、第二上拉电阻54和第二消刺电容55，

旋转编码器51每旋转一周，A相输出端和B相输出端输出两个相位差为90°的正交脉冲信号，零位脉冲输出端输出零位脉冲信号，旋转编码器51的A相输出端分别连接第一上拉电阻52的一端和第一消刺电容53的一端，并作为旋转编码温度设定器5的脉冲信号输出端连接控制器3的INT端，旋转编码器51的B相输出端分别连接第二上拉电阻54的一端和第二消刺电容55的一端，并作为旋转编码温度设定器5的相位判断端连接控制器3的I/O端，第一上拉电阻52的另一端和第二上拉电阻54的另一端都作为电压输入端连接外接电源，旋转编码器51的零位脉冲输出端、第一消刺电容53的另一端和第二消刺电容55的另一端依次连接；

本实施例中：RC反馈时间比例运算器6如图4所示：RC反馈时间比例运算器6包括RC反馈场效应管61、RC反馈电阻62、二极管63、继电器64和RC反馈电容65，

RC反馈场效应管61的栅极连接RC反馈电阻62的一端并作为控制信号输入端连接控制器3的I/O端，RC反馈场效应管61的漏极连接二极管63的正极，二极管63的负极作为电压输入端连接外接电源，继电器64线圈的两端分别连接二极管63的正极和负极，继电器64的动合触点和温度调节器2串联，RC反馈电阻62的另一端连接RC反馈电容65的一端并作为RC反馈时间比例运算器6的数字信号输出端连接控制器3的A/D端，RC反馈场效应管61的源极连接RC反馈电容65的另一端。

所述的非线性时间比例控制温度控制仪表，其特征是：控制器3选用单片机，温度调节器2选用加热器、制冷机或空气调节机。

本实用新型使用时，

控制器3和自校零放大器4构成信号采集部分，控制器3和旋转编码温度设定器5构的温度设定部分，控制器3实现非线性时间比例控制以及测量温度显示、设定温度显示、输出指示、继电器输出。

自校零放大器4的工作原理是：输入信号IN经第一自校零电阻41和第一自校零滤波电容43滤波后再经第二自校零电阻42输至运算放大器44的同相输入端；运算放大器44的放大倍数由第三自校零电阻46和第四自校零电阻47决定，第二自校零滤波电容48用于消除杂波信号；

运算放大器44的同相输入端对地连接自校零场效应管45，自校零场效应管45由控制器3的I/O端经第五自校零电阻49控制；

控制器3通过控制程序控制自校零场效应管45的开路或短路，当自校零场效应管45开路时，控制器3的A/D端读取测量信号，该测量信号包含了运算放大器OP的输入失调、温漂和时漂等误差信号，当自校零场效应管45短路时，控制器3的A/D端读取误差信号，该误差信号包含了运算放大器OP的输入失调、温漂和时漂等参数，随后由控制器3将测量信号和误差信号做减法，实现了简易的自校零技术，也降低了温度控制对运算放大器要求。

旋转编码温度设定器5的工作原理是：采用旋转编码器51和控制器3配合，通过旋转编码器51脉冲数的方法改变设定值，旋转编码器51A相输出端输出的脉冲信号输入控制器3的INT端用于脉冲计数，第一上拉电阻52和第二上拉电阻54都用于将信号钳位在高电平，第一消刺电容53和第二消刺电容55都用于消除脉冲信号的毛刺以剔除误脉冲信号，旋转编码器51B相输出端输出的脉冲信号输入控制器3的I/O端，控制器3通过相位判断旋转编码器51的正反转。

RC反馈时间比例运算器6的工作原理是：温度控制的控制算法采用非线性时间比例控制，并由控制器3的编程来实现，编程直接模拟施密特触发器和阻容（即RC）充放电负反馈的时间比例控制模型，时间比例控制的非线性系数（非线性系数指平均比例度/输出占空比等于50%时的比例度）达到0.5，使温度控制系统具有良好的收敛性和较小的控制误差，通过二极管63两端向继电器61线圈输出脉冲控制信号，继电器61的动合触点相应的发生断续的闭合，调节温度调节器2的工作时间，从而实现温度控制的目的。

控制面板7包括输入设备和显示设备，输入设备可以选择键盘和鼠标，显示设备可以选择显示屏幕，或者选用触摸屏作为控制面板7，通过输入设备输入各项参数，通过显示设备各项参数，温度传感器1用于探测环境温度，温度调节器2用于调节温度，这样就构成了一个完整的、电压自适应的电加热温度控制装置。