一种月震仪温度控制系统的制作方法

本发明涉及一种月震仪温度控制系统，属于月震仪温控技术领域。

背景技术：

由于月球表面温度通常在-180~160℃，而月震仪的工作温度在-40~65℃，所以当月震仪在月球着陆后，将会由于温度的原因无法进行正常工作甚至损坏，因此需要对月震仪进行温度控制。当月震仪所处的温度低于工作温度的下限值时，需要对月震仪进行加热处理，从而保证月震仪可以正常工作。当月震仪所处的环境温度低于下限值-100℃或超过上限值65℃时，月震仪需要回收到着陆舱进行休眠，因此月震仪的工作，时刻受到周围温度的影响，若能提高月震仪针对温度的响应，将大大提高月震仪的工作效率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种月震仪温度控制系统，能够高效准确实现月震仪温度的控制，极大地方便月震仪在月球进行正常的数据采集工作，提高月震仪的工作效率。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种月震仪温度控制系统，用于实现对月震仪内部的温度调节，包括电源模块、继电器温度控制模块、第一温度采集模块、第二温度采集模块、控制模块、加热模块；其中，第一温度采集模块置于月震仪内部，并用于实时采集月震仪内部的第一监测温度；第二温度采集模块设置在着陆舱的外部，并用于实时采集着陆舱外部的第二监测温度；第一温度采集模块、第二温度采集模块分别对接控制模块，用于分别针对实时所获得的第一监测温度、第二监测温度上传至控制模块；控制模块的控制端经继电器温度控制模块连接加热模块，加热模块置于月震仪内部，由控制模块根据实时接收到的第一监测温度、第二监测温度，经继电器温度控制模块针对加热模块进行控制，实现对月震仪内部的温度调节；电源模块分别对接控制模块、加热模块，实现分别针对控制模块、加热模块的供电。

作为本发明的一种优选技术方案：所述电源模块包括太阳能采集装置、储能装置、电压转换装置；太阳能采集装置分别对接储能装置、电压转换装置，由太阳能采集装置采集太阳能，分别向储能装置、电压转换装置输送电能；同时储能装置对接电压转换装置，由储能装置向电压转换装置输送电能，储能装置用于实现电能的存储；电压转换装置分别对接控制模块、加热模块，实现分别针对控制模块、加热模块的供电。

作为本发明的一种优选技术方案：所述电压转换装置包括电压控制器、升压电路、降压电路；其中，电压控制器的输出端分别对接升压电路的输入端、降压电路的输入端，电压控制器的输入端分别对接所述太阳能采集装置、储能装置获取电能，并由电压控制器将电能分别输送至升压电路、降压电路；降压电路的输出端对接所述控制模块，降压电路用于针对输出电压执行降压操作，实现降压后电压为控制模块的供电；升压电路的输出端对接所述加热模块，用于针对输出电压执行升压操作，实现升压后电压为加热模块的供电。

作为本发明的一种优选技术方案：所述降压电路包括第一极性电容、开关电压调节阀、续流二极管、电感、第二极性电容；其中，第一极性电容的正极与开关电压调节阀的输入端对接，且该对接端构成降压电路的输入端；第一极性电容的负极、开关电压调节阀的接地端、开关电压调节阀的on/off端、续流二极管的正极、第二极性电容的负极五者相连接，且该相连接端接地；开关电压调节阀的feedback端对接续流二极管的负极、电感的其中一端；开关电压调节阀的输出端、电感的另一端、第二极性电容的正极四者相连接，且该相连接端构成降压电路的输出端。

作为本发明的一种优选技术方案：所述升压电路为boost升压电路。

作为本发明的一种优选技术方案：所述储能装置包括超级电容、以及由各个镍氢电池相串联的电池组，所述太阳能采集装置分别对接超级电容和电池组，同时，超级电容和电池组分别对接电压转换装置。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第一温度采集模块、所述第二温度采集模块分别依次经放大电路、采样保持电路、模数转换器对接所述控制模块。

作为本发明的一种优选技术方案：所述放大电路包括第一npn型晶体管t1、第二npn型晶体管t2、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6；其中，第一npn型晶体管t1的基极、第一电阻r1的其中一端、第四电阻r4的其中一端三者相连构成放大电路的正极输入端；第一npn型晶体管t1的发射极对接第五电阻r5的其中一端；第四电阻r4的另一端构成放大电路的负极输入端；第一npn型晶体管t1的集电极对接第二npn型晶体管t2的基极、第二电阻r2的其中一端；第一电阻r1的另一端、第二电阻r2的另一端、第三电阻r3的其中一端三者相连接，且该相连接端外接电压；第二npn型晶体管t2的集电极与第三电阻r3的另一端相连接，且该相连接端构成放大电路的正极输出端；第二npn型晶体管t2的发射极对接第六电阻r6的其中一端；第六电阻r6的另一端构成放大电路的负极输出端；第四电阻r4的另一端、第五电阻r5的另一端、第六电阻r6的另一端三者相连接，且该相连接端接地。

作为本发明的一种优选技术方案：所述采样保持电路包括高增益放大器a1、采样开关、保持电容、跟随器a2；其中，高增益放大器a1的正极输入端构成采样保持电路的输入端，高增益放大器a1的负极输入端、跟随器a2的输出端、跟随器a2的负极输入端三者相连接，且该相连接端构成采样保持电路的输出端；高增益放大器a1的输出端串联采样开关后，对接保持电容的其中一端、跟随器a2的正极输入端；保持电容的另一端接地。

作为本发明的一种优选技术方案：所述控制模块内置pid温度控制算法，控制模块根据实时接收到的第一监测温度、第二监测温度，结合pid温度控制算法，针对加热模块进行控制。

本发明所述一种月震仪温度控制系统，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所设计月震仪温度控制系统，采用全新系统架构设计，应用分别设于月震仪内部、着陆舱外部的第一温度采集模块、第二温度采集模块，实现不同环境位置温度的实时采集，并具体所设计的各电路上传至控制模块，并在pid温度控制算法应用下，针对加热模块进行控制，能够高效准确地实现月震仪温度的控制，能够使得月震仪工作在-100~65℃，从而保护月震仪，极大地方便月震仪在月球进行正常的数据采集工作，提高月震仪的工作效率，为未来分析月震波的传播方式以探测月球内部结构，进而回答月球内部的物质组成与月震的形成机制提供重要的参考价值。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的一种月震仪温度控制系统的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的一种月震仪温度控制系统中采样保持电路示意图；

图3是本发明具体实施方式提供的一种月震仪温度控制系统中放大电路结构示意图；

图4是本发明具体实施方式提供的一种月震仪温度控制系统中降压电路结构示意图；

图5是本发明具体实施方式提供的一种月震仪温度控制系统保温模块功能的结构示意图；

其中，1.电源模块，2.继电器温度控制模块，3-1.第一温度采集模块，3-2.第二温度采集模块，4.控制模块，5.加热模块，6.pid温度控制算法，7.太阳能采集装置，8.储能装置，9.电压转换装置，10.高增益放大器a1，11.采样开关，12.保持电容，13.跟随器a2，14.第一极性电容，15.开关电压调节器，16.续流二极管，17.电感，18.第二极性电容。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明设计了一种月震仪温度控制系统，用于实现对月震仪内部的温度调节，如图1所示，包括电源模块1、继电器温度控制模块2、第一温度采集模块3-1、第二温度采集模块3-2、控制模块4、加热模块5；其中，电源模块1分别对接控制模块4、加热模块5，实现分别针对控制模块4、加热模块5的供电；第一温度采集模块3-1置于月震仪内部，并用于实时采集月震仪内部的第一监测温度；第二温度采集模块3-2设置在着陆舱的外部，并用于实时采集着陆舱外部的第二监测温度；第一温度采集模块3-1、第二温度采集模块3-2分别对接控制模块4，用于分别针对实时所获得的第一监测温度、第二监测温度上传至控制模块4，实际应功当中，这里涉及使用的第一温度采集模块3-1、第二温度采集模块3-2，设计采用采用陶瓷铂热电阻，陶瓷铂热电阻可以测量的温度范围为-250~850℃。

控制模块4的控制端经继电器温度控制模块2连接加热模块5，实际应用当中，继电器温度控制模块2一边通过三极管与控制模块4相连，另一边与加热模块5相连，当温度不在允许的工作温度范围内，控制模块4将通过三极管驱动继电器温度控制模块2，从而对所述月震仪系统进行加热处理；应用中，加热模块5置于月震仪内部，由控制模块4根据实时接收到的第一监测温度、第二监测温度，经继电器温度控制模块2针对加热模块5进行控制，实现对月震仪内部的温度调节；实际应用当中，控制模块4内置pid温度控制算法6，控制模块4根据实时接收到的第一监测温度、第二监测温度，结合pid温度控制算法6，针对加热模块5进行控制，pid温度控制算法6的应用，可以提高响应速度，而且可以满足高精度的温度调节，在很大程度上可以降低制造成本。

实际应用当中，月震仪表面裹有一层隔热材料，当所设计月震仪温度控制系统内部控制加热模块5工作升温时，才可以将温度保留住。

上述所设计月震仪温度控制系统落实于实际当中时，控制模块4设计采用单片机，并具体选择stm32f103vet6单片机，开关电压调节器15选择lm2596开关电压调节器进行应用。

实际应用当中，针对电源模块1，具体设计包括太阳能采集装置7、储能装置8、电压转换装置9；太阳能采集装置7分别对接储能装置8、电压转换装置9，由太阳能采集装置7采集太阳能，分别向储能装置8、电压转换装置9输送电能；同时储能装置8对接电压转换装置9，由储能装置8向电压转换装置9输送电能，储能装置8用于实现电能的存储；电压转换装置9分别对接控制模块4、加热模块5，实现分别针对控制模块4、加热模块5的供电。

系统在实际工作当中，太阳能采集装置7在月昼时，可以通过所述电压转换装置9给控制模块4和加热模块5进行供电，同时给储能装置8进行储能；月夜时，储能装置8通过电压转换装置9给控制模块4和加热模块5进行供电。

实际装置搭建中，储能装置8由蓄电池和超级电容组成，所述蓄电池采用镍氢电池，镍氢电池适合在-40~60℃环境下使用，耐长期浮冲能力优良。所述镍氢电池可输出1.2v的电压，具有550mah的容量，高43mm，直径为10mm；所述超级电容可输出3v的电压，直径为65mm，高140mm，使用环境温度范围为-40~70℃，单体容量可达4000mah，因此，设计储能装置8包括超级电容、以及由各个镍氢电池相串联的电池组，所述太阳能采集装置7分别对接超级电容和电池组，同时，超级电容和电池组分别对接电压转换装置9。

应用中，由于stm32f103vet6单片机的工作电压通常为3.3v，而太阳能采集装置7的输出电压通常为24v，因此在stm32f103vet6单片机进行工作之前，需要先对太阳能采集装置7输出的24v直流电压进行降压处理，因此，针对分别为控制模块4与加热模块5的供电，设计针对电压转换装置9具体包括电压控制器、升压电路、降压电路；其中，电压控制器的输出端分别对接升压电路的输入端、降压电路的输入端，电压控制器的输入端分别对接所述太阳能采集装置7、储能装置8获取电能，并由电压控制器将电能分别输送至升压电路、降压电路；降压电路的输出端对接所述控制模块4，降压电路用于针对输出电压执行降压操作，实现降压后电压为控制模块4的供电；升压电路的输出端对接所述加热模块5，用于针对输出电压执行升压操作，实现升压后电压为加热模块5的供电，实际应用中，升压电路设计采用boost升压电路，可以将所述太阳能采集装置7输出的电压进行升压后，为加热模块5进行供电，升压保证了流经加热模块5的电流较小，从而保证元器件的发热量较小。

并且在实际应用中，针对降压电路进行了具体设计，如图4所示，包括第一极性电容14、开关电压调节阀15、续流二极管16、电感17、第二极性电容18；其中，第一极性电容14的正极与开关电压调节阀15的输入端对接，且该对接端构成降压电路的输入端；第一极性电容14的负极、开关电压调节阀15的接地端、开关电压调节阀15的on/off端、续流二极管16的正极、第二极性电容18的负极五者相连接，且该相连接端接地；开关电压调节阀15的feedback端对接续流二极管16的负极、电感17的其中一端；开关电压调节阀15的输出端、电感17的另一端、第二极性电容18的正极四者相连接，且该相连接端构成降压电路的输出端。

上述针对电源模块1的具体设计中，进一步针对太阳能采集装置7，设计包括太阳能板和采集控制器。其中，所述太阳能板采用防月尘聚集太阳能板，以防止月尘聚集导致太阳能采集装置无法正常工作，并且所述太阳能板采用砷化镓材料，在月昼时太阳能板展开，使月震仪处在其阴影中，为月震仪遮阳；在月夜时，太阳能板收起，包裹在月震仪表面起保温作用。

实际应用中，由于温度采集模块采集得到的电压信号往往幅度较小，难以直接进行a/d转换，因此需要使用放大器对采集得到的模拟信号进行放大处理。而进行a/d转换时需要时间上离散的采样信号，因此在对信号进行放大处理后，还需要对信号进行采样处理。而因为a/d转换需要一个时间过程，所以还需要对采样信号保持一段时间后再进行a/d转换。因此当温度采集模块采集到温度信号时，首先将采集到的电压信号通过放大电路、采样/保持电路以后，才能通过模数转换器上传至控制模块4，即针对第一温度采集模块3-1、第二温度采集模块3-2分别与控制模块4的连接设计中，为了提高数据传输的稳定性与准确性，具体设计第一温度采集模块3-1、第二温度采集模块3-2分别依次经放大电路、采样保持电路、模数转换器对接所述控制模块4。

并且在实际应用当中，如图3所示，针对放大电路，具体设计包括第一npn型晶体管t1、第二npn型晶体管t2、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6；其中，第一npn型晶体管t1的基极、第一电阻r1的其中一端、第四电阻r4的其中一端三者相连构成放大电路的正极输入端；第一npn型晶体管t1的发射极对接第五电阻r5的其中一端；第四电阻r4的另一端构成放大电路的负极输入端；第一npn型晶体管t1的集电极对接第二npn型晶体管t2的基极、第二电阻r2的其中一端；第一电阻r1的另一端、第二电阻r2的另一端、第三电阻r3的其中一端三者相连接，且该相连接端外接电压；第二npn型晶体管t2的集电极与第三电阻r3的另一端相连接，且该相连接端构成放大电路的正极输出端；第二npn型晶体管t2的发射极对接第六电阻r6的其中一端；第六电阻r6的另一端构成放大电路的负极输出端；第四电阻r4的另一端、第五电阻r5的另一端、第六电阻r6的另一端三者相连接，且该相连接端接地。

如图2所示，并且针对采样保持电路，具体设计包括高增益放大器a110、采样开关11、保持电容12、跟随器a213；其中，高增益放大器a110的正极输入端构成采样保持电路的输入端，高增益放大器a110的负极输入端、跟随器a213的输出端、跟随器a213的负极输入端三者相连接，且该相连接端构成采样保持电路的输出端；高增益放大器a110的输出端串联采样开关11后，对接保持电容12的其中一端、跟随器a213的正极输入端；保持电容12的另一端接地。

应用中，采样保持电路接收来自放大电路放大处理后的信号，并输送至高增益放大器a110，经采样开关11给保持电容12充电，充电完成后经跟随器a213放电后输出

关于上述模数转换器的实际应用，设计采用12位精度的模数转换器，上述设计设计第一温度采集模块3-1、第二温度采集模块3-2分别依次经放大电路、采样保持电路、模数转换器对接所述控制模块4基础上，还可以进一步加入滤波器，诸如采用数字滤波，数字滤波可以通过程序消除或抑制干扰信号，且数字滤波不需要硬件设备，操作简单，应用中将滤波器串联与温度残疾模块与放大电路之间，实现对采集温度的过滤处理。

将本发明所设计月震仪温度控制系统，如图5所示，应用于实际当中时，月震仪所处温度在-40℃以上时才可以正常工作，而由于保温系统的存在，因此月震仪可以在月球表面温度处于-100~65℃的情况下正常工作。当月震仪所处的温度不在这个范围内时，月震仪将无法正常工作，这将导致采集数据质量的下降。为了防止月震仪因无法正常工作而导致采集数据质量的下降，即本发明设计所应用的第一温度采集模块3-1、第二温度采集模块3-2，分别置于月震仪内部和着陆舱的外部；设定着陆舱和月震仪的环境温度下限值为-100℃、环境温度上限值为65℃；考虑到温度采集与加热模块5加热会有延迟，当月震仪系统所处温度达到-40℃时不能立即驱动加热模块进行加热，低温会导致元器件的损坏，因此设定月震仪温控系统内部的温度下限值为-30℃。

当着陆舱着陆月球表面后，如果着陆舱采集到的环境温度低于-100℃或高于65℃，月震仪将回到着陆舱内进行休眠，如果着陆舱采集到的环境温度处于-100~65℃时，月震仪将从着陆舱释放到月球表面进行工作。

当控制模块4接收到月震仪温控系统内部的温度值后，将会与-30℃进行比较，当采集到的第一监测温度值低于月震仪的最低工作温度-30℃时，控制模块4通过三极管驱动继电器温度控制模块2，进而驱动加热模块5对月震仪系统进行加热处理，当采集到的月震仪工作温度值高于月震仪允许的最低工作温度-30℃时，继电器断开，继电器温度控制模块2不进行任何操作。然而，当着陆舱外的第二温度采集模块3-2采集到的第二监测温度低于-100℃或高于65℃时，月震仪温控系统的保温效果将会变差，此时，月震仪将会被回收到着陆舱内进行休眠，直到着陆舱外的温度传感器采集到的温度高于-100℃或低于65℃时，月震仪才会重新被释放到月球表面进行勘探工作。并且当着陆舱外部第二温度采集模块3-2采集到的第二监测温度低于-100℃时，着陆舱内部的电加热器开始工作，对着陆舱内部进行升温处理。月震仪系统还需裹上一层隔热材料，这样电加热器在对系统进行加热时，才可以对系统进行保温。

上述技术方案所设计月震仪温度控制系统，采用全新系统架构设计，应用分别设于月震仪内部、着陆舱外部的第一温度采集模块3-1、第二温度采集模块3-2，实现不同环境位置温度的实时采集，并具体所设计的各电路上传至控制模块4，并在pid温度控制算法6应用下，针对加热模块5进行控制，能够高效准确地实现月震仪温度的控制，能够使得月震仪工作在-100~65℃，从而保护月震仪，极大地方便月震仪在月球进行正常的数据采集工作，提高月震仪的工作效率，为未来分析月震波的传播方式以探测月球内部结构，进而回答月球内部的物质组成与月震的形成机制提供重要的参考价值。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。