熱保護(hù)器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的模擬電路設(shè)計(jì)
摘 要：熱保護(hù)器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的模擬電路主要包括精密測(cè)溫電路、過(guò)零觸發(fā)電路、超溫保護(hù)報(bào)警電路、SSR驅(qū)動(dòng)電路和電源電路。本文著重分析精密測(cè)溫電路、過(guò)零觸發(fā)電路和超溫保護(hù)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)的選擇。測(cè)溫電路采用Pt1000傳感器的三線(xiàn)制接法，利用精密運(yùn)放進(jìn)行信號(hào)處理。采用精密過(guò)零觸發(fā)電路提供固態(tài)繼電器同步信號(hào)，減小電網(wǎng)電流沖擊。超溫保護(hù)報(bào)警電路在電路或微機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，避免烘箱里的溫度太高發(fā)生事故。
Thermal Protector of Automatic Measurement of Analog Circuit Design
Abstract:This paper analysis precision temperature measurement circuit, zero trigger circuit and overtemperature protection circuit design and parameter selection, at the same time also introduced the power supply circuit, drive circuit SSR.
Temperature measurement circuit of the sensor using Pt1000 three wire by law, use of precision op-amp signal processing. The use of sophisticated zero trigger circuit provides solid state relays synchronous signal, reduce the current shock power grid. The thermal protection circuit in a circuit or computer failure,avoid oven temperature is too high in the accident.
引言隨著家用電器的普及，分馬力電機(jī)的需求量大大增加，為了防止電機(jī)過(guò)熱引起故障或引發(fā)火災(zāi)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分馬力電機(jī)必須安裝熱保護(hù)器防止過(guò)熱，所以熱保護(hù)器的需求量很大。熱保護(hù)器的傳統(tǒng)性能測(cè)量方法是采用手工測(cè)試，不同的人員技術(shù)的熟練程度和操作正確度不同，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的測(cè)量結(jié)果也不同。為了能夠更精確地測(cè)量熱保護(hù)器，需要能自動(dòng)測(cè)試熱保護(hù)器的儀器。
熱保護(hù)器是一種過(guò)溫或者過(guò)流保護(hù)的一種裝置，它的工作原理是當(dāng)產(chǎn)生過(guò)大的電流或者過(guò)高的溫度時(shí)，即工作狀態(tài)不正常時(shí)，其常開(kāi)的觸點(diǎn)閉合，常閉的觸點(diǎn)斷開(kāi)，從而起到保護(hù)的作用。所以動(dòng)作溫度是熱保護(hù)器的重要參數(shù)，測(cè)溫電路應(yīng)該能夠準(zhǔn)確的反映動(dòng)作溫度，即測(cè)溫電路要有較高的測(cè)溫精度。
本文著重研究硬件電路中的精密測(cè)溫、過(guò)零觸發(fā)、超溫保護(hù)電路、SSR驅(qū)動(dòng)電路和電源電路。
第一章 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)主要包含模擬電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等。本文主要介紹模擬部分電路設(shè)計(jì)。
§1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容（1） 精密測(cè)溫電路；
（2） 精密過(guò)零觸發(fā)電路；
（3） 超溫保護(hù)報(bào)警電路；
（4） SSR（固態(tài)繼電器）驅(qū)動(dòng)電路；
（5） 電源電路；
§1.2設(shè)計(jì)要求（1）測(cè)試系統(tǒng)需要測(cè)量四點(diǎn)溫度值，減小測(cè)量誤差；
（2）溫度的最大測(cè)量誤差≤0.5℃；
（3）測(cè)量的溫度范圍為0℃-200℃；
（4）長(zhǎng)期穩(wěn)定性要好；
（5）溫度穩(wěn)定性要好；
（6）超溫保護(hù)范圍在160-200℃之間可調(diào)；
（7）過(guò)零觸發(fā)信號(hào)要準(zhǔn)確。
第二章 電路的設(shè)計(jì)方案與選擇
§2.1 精密測(cè)溫電路1、測(cè)溫傳感器的選擇
電路測(cè)溫范圍為0～200℃，可用的傳感器只有鉑（Pt）電阻、熱電偶和熱敏電阻。鉑電阻化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，測(cè)溫范圍較寬，精度高，功耗低，但價(jià)格較高。而熱電偶的測(cè)溫范圍廣，響應(yīng)速度快，無(wú)自熱，但其線(xiàn)性度差，靈敏度低，變化率小，輸出的是相對(duì)于溫差的電壓信號(hào)，測(cè)量時(shí)需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償，電路復(fù)雜；熱敏電阻的阻值變化率大，可靠性差，線(xiàn)性極差，只適合要求低的場(chǎng)合使用。綜合比較，選用鉑電阻較好。
目前工業(yè)上比較常用的鉑電阻為Pt100，但由于其靈敏度只有0.385Ω/℃左右，引線(xiàn)的阻值等無(wú)關(guān)量對(duì)電路的影響比較大，所以使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。
另一種用量較大的鉑電阻為Pt1000，其特性和Pt100相同，但其靈敏度是Pt100的10倍，達(dá)到3.85Ω/℃左右，其引線(xiàn)的電阻等因素對(duì)電路的影響比較小。故本設(shè)計(jì)采用Pt1000。
2、測(cè)溫電路的選擇
鉑電阻根據(jù)測(cè)溫精度的不同，常采用二線(xiàn)制、三線(xiàn)制或四線(xiàn)制測(cè)量電路。
二線(xiàn)制：傳感器的引線(xiàn)電阻會(huì)影響測(cè)量值。
三線(xiàn)制：只要引線(xiàn)及長(zhǎng)度相同，基本上就不會(huì)產(chǎn)生誤差。
四線(xiàn)制：只要放大電路的輸入電阻足夠大（MΩ級(jí)以上），就能消除接觸電阻和引線(xiàn)電阻（mΩ級(jí)）的影響，因而測(cè)量精度最高，但需要四根引線(xiàn)，還需要準(zhǔn)確測(cè)量電流和電壓，電路復(fù)雜，常用于高精密測(cè)量。
由于需要的測(cè)量精度較高，二線(xiàn)制電路達(dá)不到要求，四線(xiàn)制電路太復(fù)雜。綜合考慮，本設(shè)計(jì)中采用三線(xiàn)制。Pt1000的應(yīng)用電路有恒流源電路和橋式電路兩種，電路如下：
圖2.1恒流源電路圖 2.2橋式電路
恒流源電路一般應(yīng)用在四線(xiàn)制電路中，電路比較復(fù)雜，成本較高；
橋式電路電路簡(jiǎn)單，能有效克服引線(xiàn)電阻的影響，同時(shí)又能抵消零度電阻的影響。三線(xiàn)制橋式電路比較適合本設(shè)計(jì)要求。
3、線(xiàn)性化電路
經(jīng)過(guò)查資料得知Pt1000在-50℃～+200℃的分度表如表2.1所示：
表2.1 Pt1000的輸出特性
從上表可以看出：熱電阻Pt1000隨著溫度的增加，其平均溫度系數(shù)是下降的。所以為了得到溫度與電壓線(xiàn)性關(guān)系必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性化處理。
常見(jiàn)的線(xiàn)性化電路有二極管折線(xiàn)法和正反饋法。折線(xiàn)法電路復(fù)雜，不適合于多路電路。正反饋法只要選擇合適的反饋電阻和輸入點(diǎn)，電路簡(jiǎn)單。因此，本設(shè)計(jì)選用正反饋線(xiàn)性化線(xiàn)路。圖2.3中R4即為正反饋電阻。
圖2.3 精密測(cè)溫電路
§2.2 精密過(guò)零觸發(fā)電路交流接觸器以往都是采用機(jī)械上觸點(diǎn)式的通斷來(lái)判斷電路的通斷，動(dòng)作時(shí)聲音很響，并且多次使用易壞，使用壽命短；相對(duì)而言，SSR是具有隔離作用的電子開(kāi)關(guān)，不是機(jī)械觸點(diǎn)控制電路，因此SSR有靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)、動(dòng)作速度快、電磁干擾小等優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)為了控溫準(zhǔn)確，采用PWM控制電路，開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻繁，如使用機(jī)械式開(kāi)關(guān)，壽命很短，而SSR就不存在這個(gè)弊端，因此選用固態(tài)繼電器。
電路原理分析如下：變壓器的輸出信號(hào)A點(diǎn)電壓從正轉(zhuǎn)換成負(fù)時(shí)，B點(diǎn)電壓就從負(fù)值變成了正值，導(dǎo)致C點(diǎn)的電壓從正值變成了負(fù)值，此時(shí)由C1、D3、.R6構(gòu)成的微分電路就產(chǎn)生一個(gè)正的尖脈沖，同時(shí)由于Q1由截止變成導(dǎo)通，其電位從高變低，C2通過(guò)D6很快放電，因?yàn)镈4的單相導(dǎo)電性，C2的放電電流不經(jīng)過(guò)R6,故R6仍是一個(gè)上升的尖脈沖。變壓器的輸出信號(hào)A點(diǎn)電壓從負(fù)值轉(zhuǎn)換成正值時(shí)，B點(diǎn)電壓就從正變成了負(fù)，導(dǎo)致C點(diǎn)的電壓從負(fù)值變成了正值，此時(shí)由于Q1由導(dǎo)通變成截止，其電位從低變高，由C2、D4、R6構(gòu)成的微分電路也產(chǎn)生一個(gè)正的尖脈沖，同時(shí)C1通過(guò)D5很快放電，因?yàn)镈3的單相導(dǎo)電性，C1的放電電流不經(jīng)過(guò)R6,故R6仍是一個(gè)上升的尖脈沖。即R6（D點(diǎn)）在交流電過(guò)零時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正的尖脈沖。尖脈沖太窄，通過(guò)比較器U1B使E點(diǎn)處輸出矩形脈沖。又因?yàn)閁1的電源和數(shù)字電路的電源不是同一電源，因而用光耦隔離。具體電路見(jiàn)圖2.4。
圖2.4 精密過(guò)零檢測(cè)電路
§2.3 SSR驅(qū)動(dòng)電路SSR驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生SSR需要的DC3～32V觸發(fā)電壓，考慮到SSR損壞可能造成的影響，用光耦進(jìn)行隔離，加熱的功率由控制加熱周期（1S）的百分比實(shí)現(xiàn)。具體的驅(qū)動(dòng)電路為圖2.5。
圖2.5 SSR驅(qū)動(dòng)電路
該電路原理為：當(dāng)測(cè)量溫度不大于設(shè)定溫度時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)高電平的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，三極管Q1導(dǎo)通，光耦OP1進(jìn)行工作，熱保護(hù)器進(jìn)行加熱；當(dāng)測(cè)量溫度大于設(shè)定溫度，驅(qū)動(dòng)信號(hào)弱，不能使Q1導(dǎo)通，從而停止熱保護(hù)器的加熱。肖特基二極管D1是對(duì)Q1進(jìn)行鉗位，使其處于截止?fàn)顟B(tài)。
§2.4 超溫保護(hù)報(bào)警電路在四路精密測(cè)量電路并聯(lián)后加上一個(gè)由LM358構(gòu)成的同相放大電路，當(dāng)烘箱溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，經(jīng)U1A差分放大輸出電壓小于0V，U1B構(gòu)成的過(guò)零比較器輸出負(fù)電壓，光耦截止輸出低電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警；同時(shí)，4081與門(mén)電路的12腳得到一個(gè)低電平，而機(jī)器工作時(shí)4081的13腳處于高電平狀態(tài)，所以4081輸出低電平，肖特基二極管D1導(dǎo)通對(duì)三極管Q2基極進(jìn)行鉗位，使三極管Q2截止，固態(tài)繼電器停止加熱。
電路如圖2.6所示：
圖2.6 超溫保護(hù)報(bào)警電路
§2.5 電源電路接口卡滿(mǎn)度電壓為5V，因此運(yùn)放的供電采用雙9V即可，同時(shí)+9V經(jīng)過(guò)電阻和基準(zhǔn)穩(wěn)壓集成塊分壓得到5V的基準(zhǔn)電壓供給橋路等需要基準(zhǔn)電壓的電路，供給數(shù)字電壓表使用的是雙5V。
這部分電源采用固定穩(wěn)壓集成塊的基本應(yīng)用電路，電路如圖2.7所示。
圖2.7 電源電路
上圖中的U1、U2組成的正負(fù)電源主要供給運(yùn)放，U3和ZD供給數(shù)字電壓表，U4提供一個(gè)基準(zhǔn)穩(wěn)壓，為測(cè)溫電路提供基準(zhǔn)電壓。
第三章 電路元器件的參數(shù)計(jì)算本章將上一章的硬件設(shè)計(jì)方案具體化，并確定元器件的具體參數(shù)和具體細(xì)節(jié)。本章電路圖中的元器件標(biāo)號(hào)已按實(shí)際電路中標(biāo)注，對(duì)于相同的電路，只分析其中的一路。
§3.1 超溫保護(hù)報(bào)警電路 這部分電路是保證固態(tài)繼電器正常使用的關(guān)鍵之一。參數(shù)要求符合設(shè)計(jì)條件和實(shí)際的生產(chǎn)要求。基本電路如圖3.1所示：
圖3.1 超溫保護(hù)報(bào)警電路圖
當(dāng)烘箱溫度超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)，經(jīng)U1A差分放大輸出電壓小于0V，U1B構(gòu)成的過(guò)零比較器輸出負(fù)電壓，光耦截止輸出低電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警；同時(shí)，4081與門(mén)電路的電路輸出為低電平，肖特基二極管D1導(dǎo)通對(duì)三極管Q2基極進(jìn)行鉗位，使三極管Q2截至，固態(tài)繼電器加熱停止。
根據(jù)疊加定理，當(dāng)LM358第3腳輸入信號(hào)不起作用時(shí)，為反相加法器，有：
（3.1）
、
、
、
的值為5V，即ui=25tmV（t為測(cè)量溫度）；
（3.2）
（3.3）
= 
（3.4）
為10tmV（t為需要設(shè)定的溫度）；
(3.5)
(3.6)
。
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