微小型智能溫控器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李坤 李孝慶 石志成

摘 要：本文介紹了一種微小型智能溫控器技術(shù)。該溫控器無需軟件干預(yù)，可自行實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控溫。具有目標(biāo)溫度可調(diào)，精度高，體積小，自成負(fù)反饋系統(tǒng)的特點(diǎn)。易于形成結(jié)構(gòu)多樣的分布式控溫網(wǎng)絡(luò)?？販卦囼?yàn)表明該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于小型衛(wèi)星、分布式高精度溫控系統(tǒng)、黑體控溫以及一些地面恒溫控制等。

【關(guān)鍵詞】微小型 溫控 自閉環(huán)

溫度是影響航天產(chǎn)品工作的重要物理量。國外的一些國防衛(wèi)星計(jì)劃、光學(xué)系統(tǒng)、電子頻率基準(zhǔn)等精確控溫場合已大量采用分布式控溫裝置。分布式控溫裝置將溫度控制傳感器、加熱片、控制器就近安裝于被控部件，不僅能獲得較高的控制精度，且各信號(hào)不必通過大量長電纜集中到控溫裝置，減少了長線傳輸造成的測量誤差和功率損耗，降低了衛(wèi)星質(zhì)量負(fù)荷和電纜鋪設(shè)的復(fù)雜程度，并且有利于熱設(shè)計(jì)拓?fù)洳季郑瑥浹a(bǔ)了集中控溫裝置的不足。

本文提出的微小型智能溫控器技術(shù)適應(yīng)于控溫路數(shù)要求較少、安裝靈活便捷的分布式控溫場合，如CMOS小相機(jī)系統(tǒng)。該控溫器精度高，性能可靠，體積小，質(zhì)量輕，自身結(jié)構(gòu)簡單易于安裝，易于形成靈活的控溫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)分布式控溫，試驗(yàn)表明該微小型智能控溫器控溫效果良好，能夠滿足空間相機(jī)的控溫需求。

1 溫控器電路設(shè)計(jì)

微小型智能溫控器（以下簡稱溫控器）包括以下幾部分：控溫預(yù)置電路，智能控溫電路及驅(qū)動(dòng)輸出電路和反饋檢測電路組成，如圖1所示?？販仡A(yù)置電路接受外部設(shè)備提供的溫度設(shè)置數(shù)字信號(hào)，主要由DA轉(zhuǎn)換芯片組成，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為后續(xù)電路使用的模擬信號(hào)。智能控溫電路及驅(qū)動(dòng)輸出電路是控制的核心部分，主要由PWM控制芯片和MOSFET組成。驅(qū)動(dòng)輸出電路直接連接被控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理和控制信號(hào)輸出功能。反饋檢測電路實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象實(shí)時(shí)溫度的采集，主要由熱敏電阻組成。下面將分別詳細(xì)介紹控溫預(yù)置電路，智能控溫及驅(qū)動(dòng)輸出電路及反饋檢測電路的設(shè)計(jì)。

1.1 控溫預(yù)置電路設(shè)計(jì)

控溫預(yù)置電路的主要器件是一個(gè)接收16位串行數(shù)字量的DA轉(zhuǎn)換器， 具有VCC， GND， 門控，時(shí)鐘，數(shù)字量輸入，基準(zhǔn)電壓參考REF，轉(zhuǎn)換電壓輸出Vout等引腳。DA轉(zhuǎn)換器的供電和基準(zhǔn)電壓由PWM控制芯片提供。DA轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘頻率最大為25MHz，輸入的時(shí)鐘信號(hào)一般選擇10MHz到15MHz之間。DA轉(zhuǎn)換器接收外部設(shè)備提供的門控使能信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)和16位串行數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)采用串行數(shù)據(jù)輸入，有利于減小溫控器的體積。

門控信號(hào)下降沿使能DA轉(zhuǎn)換器，在門控有效期內(nèi)，時(shí)鐘上升沿時(shí)刻，16位數(shù)字量DATA被依次讀入內(nèi)部緩沖區(qū)，當(dāng)16個(gè)時(shí)鐘信號(hào)結(jié)束，門控信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖剑?6位數(shù)字量進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，輸出電壓模擬量

其中REF的取值范圍在2V至5V之間，理論上細(xì)分精度可以達(dá)到0.1mV。Vout表示了溫控器的目標(biāo)溫度值。DA轉(zhuǎn)換器的使能信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)的時(shí)序圖如圖2所示。

1.2 智能控溫電路及驅(qū)動(dòng)輸出電路設(shè)計(jì)

控溫電路由PWM控制芯片和MOSFET組成。PWM控制芯片的工作電壓為8V～35V，由外部輸入提供。PWM控制芯片能夠輸出脈寬調(diào)試信號(hào)（PWM），選用電壓型控制芯片。溫控器通過改變PWM信號(hào)的占空比，從而控制MOSFET的通斷時(shí)間，MOSFET導(dǎo)通時(shí)給被控對(duì)象加熱，斷開時(shí)停止加熱。加熱控制所需能量E=W×T，溫控器改變對(duì)被控對(duì)象加熱的時(shí)間T達(dá)到改變被控對(duì)象溫度的目的。從而達(dá)到控制溫度的目的?？販仉娐芳膀?qū)動(dòng)輸出電路的原理圖如圖4所示。

PWM控制芯片通過內(nèi)部的振蕩器產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波電壓作為載波信號(hào)，參考電壓和反饋電壓通過內(nèi)部誤差放大器比較并輸出誤差電壓，此誤差電壓作為調(diào)制信號(hào)，載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)疊加用于確定脈寬調(diào)制波的占空比。反饋電壓越高，輸出脈寬的占空比越小，反之越大。參考電壓是DA轉(zhuǎn)換器的輸出Vout，即溫度設(shè)定的電壓值。反饋電壓是溫度采樣信號(hào)，通過附著在被控對(duì)象表面的熱敏電阻阻值變換得到電壓值，經(jīng)過濾波后作為反饋電壓輸入。輸出的PWM控制脈沖頻率可由下式計(jì)算：

PWM控制芯片的晶振工作頻率范圍是100Hz到350KHz。其中CT的取值范圍是0.001uF至0.1uF，RT的取值范圍是2KΩ至150KΩ，RD的取值范圍是0Ω至500Ω。

PWM控制芯片的工作電壓輸入范圍是8V至35V，內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)5.1V的基準(zhǔn)源，通過引腳16輸出，作為AD5541的輸出參考電壓REF。

芯片的第9腳是補(bǔ)償引腳，對(duì)地外接電容C4，可以抑制開關(guān)頻率附近的增益，以消除脈寬周期的不對(duì)稱現(xiàn)象。第1腳和第9腳之間并連加入36K電阻和0.01uF的電容與第1腳對(duì)采樣信號(hào)之間的3.6K的電阻形成比例積分網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)比例積分網(wǎng)絡(luò)對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行10倍反向放大，為內(nèi)部的PWM比較器提供一個(gè)控制信號(hào)，同時(shí)積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，達(dá)到更好的控溫精度。

輸出驅(qū)動(dòng)電路主要由MOSFET和PWM控制芯片的脈沖輸出電路構(gòu)成，當(dāng)PWM控制芯片輸出調(diào)制脈寬高電平時(shí)，MOSFET導(dǎo)通，對(duì)被控對(duì)象加熱，輸出調(diào)制脈寬低電平時(shí)，MOSFET關(guān)斷，停止對(duì)被控對(duì)象加熱。PWM控制芯片可以輸出兩路相位差為180°的調(diào)制脈沖，通過二極管將兩路脈沖信號(hào)組成或邏輯后驅(qū)動(dòng)MOSFET，理論上占空比的調(diào)節(jié)范圍可以達(dá)到百分之百。

1.3 反饋檢測電路設(shè)計(jì)

影響控溫精度的關(guān)鍵指標(biāo)是測溫技術(shù)的精度。一般采用的AD轉(zhuǎn)換技術(shù)的精度為2n，其中n為AD的轉(zhuǎn)換位數(shù)，轉(zhuǎn)換位數(shù)n越大，精度越高。只有當(dāng)n趨近于無窮大時(shí)，精度趨近于0，無限接近模擬量。那么直接采用模擬量測溫可以避免因?yàn)锳D位數(shù)限制帶來的誤差。模擬量測溫的誤差因素受到以下幾方面的影響。

1.3.1 熱敏電阻的選取

熱敏電阻是測溫環(huán)節(jié)的關(guān)鍵器件，但是熱敏電阻的阻值隨溫度的變化呈現(xiàn)非線性態(tài)，增大了溫度信號(hào)測量和處理的復(fù)雜度。由于熱敏電阻阻值非線性變化不可避免，為了提高溫控器的控溫范圍，應(yīng)盡量選擇阻值變化范圍廣，變化率大的熱敏電阻，以某型號(hào)熱敏電阻阻值隨溫度變化為例。如表1所示。

1.3.2 測溫補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

為了彌補(bǔ)空間相機(jī)周圍熱環(huán)境對(duì)測溫信號(hào)的影響需要增加測溫補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)完成對(duì)測溫信號(hào)的非線性補(bǔ)償或者校正，對(duì)測溫信號(hào)的濾波，同時(shí)與控溫回路形成反饋網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到測溫控溫穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)。本文采用了π型濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，具有儲(chǔ)能濾波的作用?？梢韵捎跍囟染徸兒碗妷褐邓僮儙淼恼`差。如圖4所示。

1.3.3 為熱敏電阻提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓

采集的溫度變化通過電阻值轉(zhuǎn)換為電壓值進(jìn)行采樣?；鶞?zhǔn)電壓是否穩(wěn)定直接影響測溫精度及準(zhǔn)確性。微小型溫控器中由PWM控制芯片提供基準(zhǔn)電壓5.1V，變化幅度小于1%，能夠?yàn)闊崦綦娮杼峁┓€(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。

2 控溫試驗(yàn)

2.1 微小型智能控制器功能試驗(yàn)

進(jìn)行溫控器功能試驗(yàn)驗(yàn)證的系統(tǒng)連接圖如圖5所示，包括參數(shù)設(shè)置輸出電路、調(diào)試電源、模擬源組成。其中電源用于提供溫控模塊的工作電壓28V，模擬源模擬采樣信號(hào)提供0-5V連續(xù)變化的電壓值。

參數(shù)設(shè)置輸出電路提供的門控，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)通過設(shè)置端口對(duì)溫控模塊進(jìn)行溫度設(shè)定。給AD5541寫入數(shù)字量0xAAAA，根據(jù)公式1可以算出設(shè)定電壓值為3.4V，根據(jù)電阻分壓關(guān)系和熱敏電阻阻值對(duì)應(yīng)溫度值可以反推出設(shè)定溫度值為20℃，用示波器觀察控溫電路輸出波形。當(dāng)采樣信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于3.4V時(shí)，控溫電路單路輸出占空比σ接近50%的脈沖。PWM控制芯片能夠同時(shí)輸出相位為180°互補(bǔ)的兩路脈沖，兩路同時(shí)工作可以得到占空比接近100%的脈沖。圖5中紅色曲線為設(shè)定溫度值，黃色曲線為采樣溫度值，藍(lán)色曲線為控溫電路輸出脈沖。

當(dāng)采樣信號(hào)大于3.3V，并且繼續(xù)增大時(shí)，控溫電路輸出脈沖占空比連續(xù)降低。當(dāng)采樣信號(hào)大于3.4V時(shí)，控溫電路停止輸出脈沖。

通過上述實(shí)驗(yàn)可以看出，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)脈沖寬度的功能，將微小型控溫器與被控設(shè)備連接即可實(shí)現(xiàn)控溫功能。

2.2 工程樣機(jī)及試驗(yàn)

工程樣機(jī)電路如圖7所示。盒體尺寸為34mm×30mm×13mm，內(nèi)嵌電路板，總重量為33g。引出的紅色導(dǎo)線連接電源正端；黑色導(dǎo)線連接電壓負(fù)端；綠色和粉色導(dǎo)線連接熱敏電阻兩端；藍(lán)色和黃色連接加熱片兩端。

對(duì)模擬負(fù)載在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行加熱。初始溫度為室溫26℃，設(shè)定溫度為30℃。根據(jù)熱敏電阻阻值隨時(shí)間的變化記錄實(shí)時(shí)溫度，大約15分鐘后，模擬負(fù)載溫度基本穩(wěn)定，熱敏電阻反饋模擬負(fù)載的溫度在29.91℃～29.93℃范圍內(nèi)變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模擬負(fù)載達(dá)到了目標(biāo)設(shè)定溫度，微小型智能溫控器實(shí)現(xiàn)了自主控溫功能，精度可達(dá)±0.1℃。

4 結(jié)論和展望

微小型智能溫控器實(shí)現(xiàn)了無需軟件干預(yù)，自行實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控溫的技術(shù)?？販匦Ч雀?，產(chǎn)品體積小。電路設(shè)計(jì)方面使用PWM脈寬控制芯片替代了傳統(tǒng)比較器控制電路，并且沒有軟件干預(yù)，系統(tǒng)更為智能簡便。產(chǎn)品經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證表明該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于分布式高精度溫控系統(tǒng)。

不過微小型智能溫控器存在以下不足。

（1）微小型溫控器適用于溫度較低，需要對(duì)被控對(duì)象加熱的環(huán)境。如果工作環(huán)境溫度較高，需要降溫時(shí)，只能依靠被控對(duì)象自身進(jìn)行冷卻。

（2）該產(chǎn)品尚未參加過飛行試驗(yàn)，在空間應(yīng)用的效果有待考驗(yàn)。

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作者簡介

李坤（1985-），女，山西省人。碩士研究生學(xué)歷。現(xiàn)為北京空間機(jī)電研究所工程師。主要研究方向?yàn)楹教爝b感器管理控制。

作者單位

北京空間機(jī)電研究所 北京市 100094