熱保護器自動檢測系統(tǒng)的模擬電路設(shè)計
摘 要：熱保護器自動檢測系統(tǒng)的模擬電路主要包括精密測溫電路、過零觸發(fā)電路、超溫保護報警電路、SSR驅(qū)動電路和電源電路。本文著重分析精密測溫電路、過零觸發(fā)電路和超溫保護報警電路的設(shè)計及參數(shù)的選擇。測溫電路采用Pt1000傳感器的三線制接法，利用精密運放進行信號處理。采用精密過零觸發(fā)電路提供固態(tài)繼電器同步信號，減小電網(wǎng)電流沖擊。超溫保護報警電路在電路或微機出現(xiàn)故障時，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，分馬力電機的需求量大大增加，為了防止電機過熱引起故障或引發(fā)火災(zāi)，國家標準規(guī)定分馬力電機必須安裝熱保護器防止過熱，所以熱保護器的需求量很大。熱保護器的傳統(tǒng)性能測量方法是采用手工測試，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)品的測量結(jié)果也不同。為了能夠更精確地測量熱保護器，需要能自動測試熱保護器的儀器。
熱保護器是一種過溫或者過流保護的一種裝置，它的工作原理是當產(chǎn)生過大的電流或者過高的溫度時，即工作狀態(tài)不正常時，其常開的觸點閉合，常閉的觸點斷開，從而起到保護的作用。所以動作溫度是熱保護器的重要參數(shù)，測溫電路應(yīng)該能夠準確的反映動作溫度，即測溫電路要有較高的測溫精度。
本文著重研究硬件電路中的精密測溫、過零觸發(fā)、超溫保護電路、SSR驅(qū)動電路和電源電路。
第一章 設(shè)計要求設(shè)計主要包含模擬電路設(shè)計、單片機電路設(shè)計、軟件設(shè)計等。本文主要介紹模擬部分電路設(shè)計。
§1.1 設(shè)計內(nèi)容（1） 精密測溫電路；
（2） 精密過零觸發(fā)電路；
（3） 超溫保護報警電路；
（4） SSR（固態(tài)繼電器）驅(qū)動電路；
（5） 電源電路；
§1.2設(shè)計要求（1）測試系統(tǒng)需要測量四點溫度值，減小測量誤差；
（2）溫度的最大測量誤差≤0.5℃；
（3）測量的溫度范圍為0℃-200℃；
（4）長期穩(wěn)定性要好；
（5）溫度穩(wěn)定性要好；
（6）超溫保護范圍在160-200℃之間可調(diào)；
（7）過零觸發(fā)信號要準確。
第二章 電路的設(shè)計方案與選擇
§2.1 精密測溫電路1、測溫傳感器的選擇
電路測溫范圍為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，測溫范圍較寬，精度高，功耗低，但價格較高。而熱電偶的測溫范圍廣，響應(yīng)速度快，無自熱，但其線性度差，靈敏度低，變化率小，輸出的是相對于溫差的電壓信號，測量時需要對環(huán)境溫度進行補償，電路復(fù)雜；熱敏電阻的阻值變化率大，可靠性差，線性極差，只適合要求低的場合使用。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，引線的阻值等無關(guān)量對電路的影響比較大，所以使用時會產(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，達到3.85Ω/℃左右，其引線的電阻等因素對電路的影響比較小。故本設(shè)計采用Pt1000。
2、測溫電路的選擇
鉑電阻根據(jù)測溫精度的不同，常采用二線制、三線制或四線制測量電路。
二線制：傳感器的引線電阻會影響測量值。
三線制：只要引線及長度相同，基本上就不會產(chǎn)生誤差。
四線制：只要放大電路的輸入電阻足夠大（MΩ級以上），就能消除接觸電阻和引線電阻（mΩ級）的影響，因而測量精度最高，但需要四根引線，還需要準確測量電流和電壓，電路復(fù)雜，常用于高精密測量。
由于需要的測量精度較高，二線制電路達不到要求，四線制電路太復(fù)雜。綜合考慮，本設(shè)計中采用三線制。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)用在四線制電路中，電路比較復(fù)雜，成本較高；
橋式電路電路簡單，能有效克服引線電阻的影響，同時又能抵消零度電阻的影響。三線制橋式電路比較適合本設(shè)計要求。
3、線性化電路
經(jīng)過查資料得知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性關(guān)系必須對信號進行線性化處理。
常見的線性化電路有二極管折線法和正反饋法。折線法電路復(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，電路簡單。因此，本設(shè)計選用正反饋線性化線路。圖2.3中R4即為正反饋電阻。
圖2.3 精密測溫電路
§2.2 精密過零觸發(fā)電路交流接觸器以往都是采用機械上觸點式的通斷來判斷電路的通斷，動作時聲音很響，并且多次使用易壞，使用壽命短；相對而言，SSR是具有隔離作用的電子開關(guān)，不是機械觸點控制電路，因此SSR有靈敏度高、使用壽命長、動作速度快、電磁干擾小等優(yōu)勢。本設(shè)計為了控溫準確，采用PWM控制電路，開關(guān)動作頻繁，如使用機械式開關(guān)，壽命很短，而SSR就不存在這個弊端，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A點電壓從正轉(zhuǎn)換成負時，B點電壓就從負值變成了正值，導(dǎo)致C點的電壓從正值變成了負值，此時由C1、D3、.R6構(gòu)成的微分電路就產(chǎn)生一個正的尖脈沖，同時由于Q1由截止變成導(dǎo)通，其電位從高變低，C2通過D6很快放電，因為D4的單相導(dǎo)電性，C2的放電電流不經(jīng)過R6,故R6仍是一個上升的尖脈沖。變壓器的輸出信號A點電壓從負值轉(zhuǎn)換成正值時，B點電壓就從正變成了負，導(dǎo)致C點的電壓從負值變成了正值，此時由于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)生一個正的尖脈沖，同時C1通過D5很快放電，因為D3的單相導(dǎo)電性，C1的放電電流不經(jīng)過R6,故R6仍是一個上升的尖脈沖。即R6（D點）在交流電過零時都會產(chǎn)生一個正的尖脈沖。尖脈沖太窄，通過比較器U1B使E點處輸出矩形脈沖。又因為U1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。具體電路見圖2.4。
圖2.4 精密過零檢測電路
§2.3 SSR驅(qū)動電路SSR驅(qū)動電路產(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，用光耦進行隔離，加熱的功率由控制加熱周期（1S）的百分比實現(xiàn)。具體的驅(qū)動電路為圖2.5。
圖2.5 SSR驅(qū)動電路
該電路原理為：當測量溫度不大于設(shè)定溫度時，產(chǎn)生一個高電平的驅(qū)動信號，三極管Q1導(dǎo)通，光耦OP1進行工作，熱保護器進行加熱；當測量溫度大于設(shè)定溫度，驅(qū)動信號弱，不能使Q1導(dǎo)通，從而停止熱保護器的加熱。肖特基二極管D1是對Q1進行鉗位，使其處于截止狀態(tài)。
§2.4 超溫保護報警電路在四路精密測量電路并聯(lián)后加上一個由LM358構(gòu)成的同相放大電路，當烘箱溫度大于設(shè)定溫度時，經(jīng)U1A差分放大輸出電壓小于0V，U1B構(gòu)成的過零比較器輸出負電壓，光耦截止輸出低電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報警；同時，4081與門電路的12腳得到一個低電平，而機器工作時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)通對三極管Q2基極進行鉗位，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 超溫保護報警電路
§2.5 電源電路接口卡滿度電壓為5V，因此運放的供電采用雙9V即可，同時+9V經(jīng)過電阻和基準穩(wěn)壓集成塊分壓得到5V的基準電壓供給橋路等需要基準電壓的電路，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組成的正負電源主要供給運放，U3和ZD供給數(shù)字電壓表，U4提供一個基準穩(wěn)壓，為測溫電路提供基準電壓。
第三章 電路元器件的參數(shù)計算本章將上一章的硬件設(shè)計方案具體化，并確定元器件的具體參數(shù)和具體細節(jié)。本章電路圖中的元器件標號已按實際電路中標注，對于相同的電路，只分析其中的一路。
§3.1 超溫保護報警電路 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)計條件和實際的生產(chǎn)要求�；倦娐啡鐖D3.1所示：
圖3.1 超溫保護報警電路圖
當烘箱溫度超過設(shè)定溫度時，經(jīng)U1A差分放大輸出電壓小于0V，U1B構(gòu)成的過零比較器輸出負電壓，光耦截止輸出低電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報警；同時，4081與門電路的電路輸出為低電平，肖特基二極管D1導(dǎo)通對三極管Q2基極進行鉗位，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LM358第3腳輸入信號不起作用時，為反相加法器，有：
（3.1）
、
、
、
的值為5V，即ui=25tmV（t為測量溫度）；
（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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