微小型智能溫控器設計與試驗

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。該溫控器無需軟件干預，可自行實現閉環控溫。具有目標溫度可調，精度高，體積小，自成負反饋系統的特點。易于形成結構多樣的分布式控溫網絡。控溫試驗表明該技術可廣泛應用于小型衛星、分布式高精度溫控系統、黑體控溫以及一些地面恒溫控制等。

【關鍵詞】微小型 溫控 自閉環

溫度是影響航天產品工作的重要物理量。國外的一些國防衛星計劃、光學系統、電子頻率基準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，降低了衛星質量負荷和電纜鋪設的復雜程度，并且有利于熱設計拓撲布局，彌補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適應于控溫路數要求較少、安裝靈活便捷的分布式控溫場合，如CMOS小相機系統。該控溫器精度高，性能可靠，體積小，質量輕，自身結構簡單易于安裝，易于形成靈活的控溫網絡結構，實現分布式控溫，試驗表明該微小型智能控溫器控溫效果良好，能夠滿足空間相機的控溫需求。

1 溫控器電路設計

微小型智能溫控器（以下簡稱溫控器）包括以下幾部分：控溫預置電路，智能控溫電路及驅動輸出電路和反饋檢測電路組成，如圖1所示。控溫預置電路接受外部設備提供的溫度設置數字信號，主要由DA轉換芯片組成，將數字信號轉化為后續電路使用的模擬信號。智能控溫電路及驅動輸出電路是控制的核心部分，主要由PWM控制芯片和MOSFET組成。驅動輸出電路直接連接被控對象，實現閉環管理和控制信號輸出功能。反饋檢測電路實現對控制對象實時溫度的采集，主要由熱敏電阻組成。下面將分別詳細介紹控溫預置電路，智能控溫及驅動輸出電路及反饋檢測電路的設計。

1.1 控溫預置電路設計

控溫預置電路的主要器件是一個接收16位串行數字量的DA轉換器， 具有VCC， GND， 門控，時鐘，數字量輸入，基準電壓參考REF，轉換電壓輸出Vout等引腳。DA轉換器的供電和基準電壓由PWM控制芯片提供。DA轉換器的時鐘頻率最大為25MHz，輸入的時鐘信號一般選擇10MHz到15MHz之間。DA轉換器接收外部設備提供的門控使能信號，時鐘信號和16位串行數字信號。數字信號采用串行數據輸入，有利于減小溫控器的體積。

門控信號下降沿使能DA轉換器，在門控有效期內，時鐘上升沿時刻，16位數字量DATA被依次讀入內部緩沖區，當16個時鐘信號結束，門控信號由低電平變為高電平，16位數字量進行DA轉換，輸出電壓模擬量

其中REF的取值范圍在2V至5V之間，理論上細分精度可以達到0.1mV。Vout表示了溫控器的目標溫度值。DA轉換器的使能信號、時鐘信號和數據的時序圖如圖2所示。

1.2 智能控溫電路及驅動輸出電路設計

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試信號（PWM），選用電壓型控制芯片。溫控器通過改變PWM信號的占空比，從而控制MOSFET的通斷時間，MOSFET導通時給被控對象加熱，斷開時停止加熱。加熱控制所需能量E=W×T，溫控器改變對被控對象加熱的時間T達到改變被控對象溫度的目的。從而達到控制溫度的目的。控溫電路及驅動輸出電路的原理圖如圖4所示。

PWM控制芯片通過內部的振蕩器產生一個鋸齒波電壓作為載波信號，參考電壓和反饋電壓通過內部誤差放大器比較并輸出誤差電壓，此誤差電壓作為調制信號，載波信號和調制信號疊加用于確定脈寬調制波的占空比。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轉換器的輸出Vout，即溫度設定的電壓值。反饋電壓是溫度采樣信號，通過附著在被控對象表面的熱敏電阻阻值變換得到電壓值，經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，內部產生一個5.1V的基準源，通過引腳16輸出，作為AD5541的輸出參考電壓REF。

芯片的第9腳是補償引腳，對地外接電容C4，可以抑制開關頻率附近的增益，以消除脈寬周期的不對稱現象。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腳對采樣信號之間的3.6K的電阻形成比例積分網絡。這個比例積分網絡對反饋信號進行10倍反向放大，為內部的PWM比較器提供一個控制信號，同時積分作用可以消除穩態誤差，達到更好的控溫精度。

輸出驅動電路主要由MOSFET和PWM控制芯片的脈沖輸出電路構成，當PWM控制芯片輸出調制脈寬高電平時，MOSFET導通，對被控對象加熱，輸出調制脈寬低電平時，MOSFET關斷，停止對被控對象加熱。PWM控制芯片可以輸出兩路相位差為180°的調制脈沖，通過二極管將兩路脈沖信號組成或邏輯后驅動MOSFET，理論上占空比的調節范圍可以達到百分之百。

1.3 反饋檢測電路設計

影響控溫精度的關鍵指標是測溫技術的精度。一般采用的AD轉換技術的精度為2n，其中n為AD的轉換位數，轉換位數n越大，精度越高。只有當n趨近于無窮大時，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為AD位數限制帶來的誤差。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

熱敏電阻是測溫環節的關鍵器件，但是熱敏電阻的阻值隨溫度的變化呈現非線性態，增大了溫度信號測量和處理的復雜度。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，應盡量選擇阻值變化范圍廣，變化率大的熱敏電阻，以某型號熱敏電阻阻值隨溫度變化為例。如表1所示。

1.3.2 測溫補償網絡的設計

為了彌補空間相機周圍熱環境對測溫信號的影響需要增加測溫補償網絡。該網絡應完成對測溫信號的非線性補償或者校正，對測溫信號的濾波，同時與控溫回路形成反饋網絡，達到測溫控溫穩定的閉環系統。本文采用了π型濾波網絡設計，具有儲能濾波的作用。可以消除由于溫度緩變和電壓值速變帶來的誤差。如圖4所示。

1.3.3 為熱敏電阻提供穩定的基準電壓

采集的溫度變化通過電阻值轉換為電壓值進行采樣。基準電壓是否穩定直接影響測溫精度及準確性。微小型溫控器中由PWM控制芯片提供基準電壓5.1V，變化幅度小于1%，能夠為熱敏電阻提供穩定的基準電壓。

2 控溫試驗

2.1 微小型智能控制器功能試驗

進行溫控器功能試驗驗證的系統連接圖如圖5所示，包括參數設置輸出電路、調試電源、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提供0-5V連續變化的電壓值。

參數設置輸出電路提供的門控，時鐘和數據信號通過設置端口對溫控模塊進行溫度設定。給AD5541寫入數字量0xAAAA，根據公式1可以算出設定電壓值為3.4V，根據電阻分壓關系和熱敏電阻阻值對應溫度值可以反推出設定溫度值為20℃，用示波器觀察控溫電路輸出波形。當采樣信號遠遠小于3.4V時，控溫電路單路輸出占空比σ接近50%的脈沖。PWM控制芯片能夠同時輸出相位為180°互補的兩路脈沖，兩路同時工作可以得到占空比接近100%的脈沖。圖5中紅色曲線為設定溫度值，黃色曲線為采樣溫度值，藍色曲線為控溫電路輸出脈沖。

當采樣信號大于3.3V，并且繼續增大時，控溫電路輸出脈沖占空比連續降低。當采樣信號大于3.4V時，控溫電路停止輸出脈沖。

通過上述實驗可以看出，已經實現了調節脈沖寬度的功能，將微小型控溫器與被控設備連接即可實現控溫功能。

2.2 工程樣機及試驗

工程樣機電路如圖7所示。盒體尺寸為34mm×30mm×13mm，內嵌電路板，總重量為33g。引出的紅色導線連接電源正端；黑色導線連接電壓負端；綠色和粉色導線連接熱敏電阻兩端；藍色和黃色連接加熱片兩端。

對模擬負載在實驗室中進行加熱。初始溫度為室溫26℃，設定溫度為30℃。根據熱敏電阻阻值隨時間的變化記錄實時溫度，大約15分鐘后，模擬負載溫度基本穩定，熱敏電阻反饋模擬負載的溫度在29.91℃～29.93℃范圍內變化，實驗結果表明模擬負載達到了目標設定溫度，微小型智能溫控器實現了自主控溫功能，精度可達±0.1℃。

4 結論和展望

微小型智能溫控器實現了無需軟件干預，自行實現閉環控溫的技術。控溫效果精度高，產品體積小。電路設計方面使用PWM脈寬控制芯片替代了傳統比較器控制電路，并且沒有軟件干預，系統更為智能簡便。產品經過試驗驗證表明該技術可廣泛應用于分布式高精度溫控系統。

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，需要對被控對象加熱的環境。如果工作環境溫度較高，需要降溫時，只能依靠被控對象自身進行冷卻。

（2）該產品尚未參加過飛行試驗，在空間應用的效果有待考驗。

參考文獻

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作者簡介

李坤（1985-），女，山西省人。碩士研究生學歷。現為北京空間機電研究所工程師。主要研究方向為航天遙感器管理控制。

作者單位

北京空間機電研究所 北京市 100094