热保护器自动检测系统的模拟电路设计
摘 要：热保护器自动检测系统的模拟电路主要包括精密测温电路、过零触发电路、超温保护报警电路、SSR驱动电路和电源电路。本文着重分析精密测温电路、过零触发电路和超温保护报警电路的设计及参数的选择。测温电路采用Pt1000传感器的三线制接法，利用精密运放进行信号处理。采用精密过零触发电路提供固态继电器同步信号，减小电网电流冲击。超温保护报警电路在电路或微机出现故障时，避免烘箱里的温度太高发生事故。
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.
引言随着家用电器的普及，分马力电机的需求量大大增加，为了防止电机过热引起故障或引发火灾，国家标准规定分马力电机必须安装热保护器防止过热，所以热保护器的需求量很大。热保护器的传统性能测量方法是采用手工测试，不同的人员技术的熟练程度和操作正确度不同，从而导致产品的测量结果也不同。为了能够更精确地测量热保护器，需要能自动测试热保护器的仪器。
热保护器是一种过温或者过流保护的一种装置，它的工作原理是当产生过大的电流或者过高的温度时，即工作状态不正常时，其常开的触点闭合，常闭的触点断开，从而起到保护的作用。所以动作温度是热保护器的重要参数，测温电路应该能够准确的反映动作温度，即测温电路要有较高的测温精度。
本文着重研究硬件电路中的精密测温、过零触发、超温保护电路、SSR驱动电路和电源电路。
第一章 设计要求设计主要包含模拟电路设计、单片机电路设计、软件设计等。本文主要介绍模拟部分电路设计。
§1.1 设计内容（1） 精密测温电路；
（2） 精密过零触发电路；
（3） 超温保护报警电路；
（4） SSR（固态继电器）驱动电路；
（5） 电源电路；
§1.2设计要求（1）测试系统需要测量四点温度值，减小测量误差；
（2）温度的最大测量误差≤0.5℃；
（3）测量的温度范围为0℃-200℃；
（4）长期稳定性要好；
（5）温度稳定性要好；
（6）超温保护范围在160-200℃之间可调；
（7）过零触发信号要准确。
第二章 电路的设计方案与选择
§2.1 精密测温电路1、测温传感器的选择
电路测温范围为0～200℃，可用的传感器只有铂（Pt）电阻、热电偶和热敏电阻。铂电阻化学性质稳定，测温范围较宽，精度高，功耗低，但价格较高。而热电偶的测温范围广，响应速度快，无自热，但其线性度差，灵敏度低，变化率小，输出的是相对于温差的电压信号，测量时需要对环境温度进行补偿，电路复杂；热敏电阻的阻值变化率大，可靠性差，线性极差，只适合要求低的场合使用。综合比较，选用铂电阻较好。
目前工业上比较常用的铂电阻为Pt100，但由于其灵敏度只有0.385Ω/℃左右，引线的阻值等无关量对电路的影响比较大，所以使用时会产生很大的误差。
另一种用量较大的铂电阻为Pt1000，其特性和Pt100相同，但其灵敏度是Pt100的10倍，达到3.85Ω/℃左右，其引线的电阻等因素对电路的影响比较小。故本设计采用Pt1000。
2、测温电路的选择
铂电阻根据测温精度的不同，常采用二线制、三线制或四线制测量电路。
二线制：传感器的引线电阻会影响测量值。
三线制：只要引线及长度相同，基本上就不会产生误差。
四线制：只要放大电路的输入电阻足够大（MΩ级以上），就能消除接触电阻和引线电阻（mΩ级）的影响，因而测量精度最高，但需要四根引线，还需要准确测量电流和电压，电路复杂，常用于高精密测量。
由于需要的测量精度较高，二线制电路达不到要求，四线制电路太复杂。综合考虑，本设计中采用三线制。Pt1000的应用电路有恒流源电路和桥式电路两种，电路如下：
图2.1恒流源电路图 2.2桥式电路
恒流源电路一般应用在四线制电路中，电路比较复杂，成本较高；
桥式电路电路简单，能有效克服引线电阻的影响，同时又能抵消零度电阻的影响。三线制桥式电路比较适合本设计要求。
3、线性化电路
经过查资料得知Pt1000在-50℃～+200℃的分度表如表2.1所示：
表2.1 Pt1000的输出特性
从上表可以看出：热电阻Pt1000随着温度的增加，其平均温度系数是下降的。所以为了得到温度与电压线性关系必须对信号进行线性化处理。
常见的线性化电路有二极管折线法和正反馈法。折线法电路复杂，不适合于多路电路。正反馈法只要选择合适的反馈电阻和输入点，电路简单。因此，本设计选用正反馈线性化线路。图2.3中R4即为正反馈电阻。
图2.3 精密测温电路
§2.2 精密过零触发电路交流接触器以往都是采用机械上触点式的通断来判断电路的通断，动作时声音很响，并且多次使用易坏，使用寿命短；相对而言，SSR是具有隔离作用的电子开关，不是机械触点控制电路，因此SSR有灵敏度高、使用寿命长、动作速度快、电磁干扰小等优势。本设计为了控温准确，采用PWM控制电路，开关动作频繁，如使用机械式开关，寿命很短，而SSR就不存在这个弊端，因此选用固态继电器。
电路原理分析如下：变压器的输出信号A点电压从正转换成负时，B点电压就从负值变成了正值，导致C点的电压从正值变成了负值，此时由C1、D3、.R6构成的微分电路就产生一个正的尖脉冲，同时由于Q1由截止变成导通，其电位从高变低，C2通过D6很快放电，因为D4的单相导电性，C2的放电电流不经过R6,故R6仍是一个上升的尖脉冲。变压器的输出信号A点电压从负值转换成正值时，B点电压就从正变成了负，导致C点的电压从负值变成了正值，此时由于Q1由导通变成截止，其电位从低变高，由C2、D4、R6构成的微分电路也产生一个正的尖脉冲，同时C1通过D5很快放电，因为D3的单相导电性，C1的放电电流不经过R6,故R6仍是一个上升的尖脉冲。即R6（D点）在交流电过零时都会产生一个正的尖脉冲。尖脉冲太窄，通过比较器U1B使E点处输出矩形脉冲。又因为U1的电源和数字电路的电源不是同一电源，因而用光耦隔离。具体电路见图2.4。
图2.4 精密过零检测电路
§2.3 SSR驱动电路SSR驱动电路产生SSR需要的DC3～32V触发电压，考虑到SSR损坏可能造成的影响，用光耦进行隔离，加热的功率由控制加热周期（1S）的百分比实现。具体的驱动电路为图2.5。
图2.5 SSR驱动电路
该电路原理为：当测量温度不大于设定温度时，产生一个高电平的驱动信号，三极管Q1导通，光耦OP1进行工作，热保护器进行加热；当测量温度大于设定温度，驱动信号弱，不能使Q1导通，从而停止热保护器的加热。肖特基二极管D1是对Q1进行钳位，使其处于截止状态。
§2.4 超温保护报警电路在四路精密测量电路并联后加上一个由LM358构成的同相放大电路，当烘箱温度大于设定温度时，经U1A差分放大输出电压小于0V，U1B构成的过零比较器输出负电压，光耦截止输出低电平，三极管导通，蜂鸣器报警；同时，4081与门电路的12脚得到一个低电平，而机器工作时4081的13脚处于高电平状态，所以4081输出低电平，肖特基二极管D1导通对三极管Q2基极进行钳位，使三极管Q2截止，固态继电器停止加热。
电路如图2.6所示：
图2.6 超温保护报警电路
§2.5 电源电路接口卡满度电压为5V，因此运放的供电采用双9V即可，同时+9V经过电阻和基准稳压集成块分压得到5V的基准电压供给桥路等需要基准电压的电路，供给数字电压表使用的是双5V。
这部分电源采用固定稳压集成块的基本应用电路，电路如图2.7所示。
图2.7 电源电路
上图中的U1、U2组成的正负电源主要供给运放，U3和ZD供给数字电压表，U4提供一个基准稳压，为测温电路提供基准电压。
第三章 电路元器件的参数计算本章将上一章的硬件设计方案具体化，并确定元器件的具体参数和具体细节。本章电路图中的元器件标号已按实际电路中标注，对于相同的电路，只分析其中的一路。
§3.1 超温保护报警电路 这部分电路是保证固态继电器正常使用的关键之一。参数要求符合设计条件和实际的生产要求。基本电路如图3.1所示：
图3.1 超温保护报警电路图
当烘箱温度超过设定温度时，经U1A差分放大输出电压小于0V，U1B构成的过零比较器输出负电压，光耦截止输出低电平，三极管导通，蜂鸣器报警；同时，4081与门电路的电路输出为低电平，肖特基二极管D1导通对三极管Q2基极进行钳位，使三极管Q2截至，固态继电器加热停止。
根据叠加定理，当LM358第3脚输入信号不起作用时，为反相加法器，有：
当测量温度与设定温度相等时，差分放大器的输出为0，根据公式（3.4）得 R=6Rf，再查找E24知12与2、18与3存在6倍的关系。所以可选R=12kΩ时，Rf=2kΩ。
在该电路中设定温度值的范围为160℃～200℃，其对应的电压值为1.6～2.0V。即RP1调节范围为0.4V，取RP1=2kΩ，电流为0.2mA。则R6=3V/0.2mA=15kΩ，R7=8 kΩ，选8.2 kΩ电阻。其余参数根据经验R8、R9为1K，R10为2K，R11为10K，光耦选用TLP521，三极管选用8550。
§3.2 精密测温电路由于保护器的主要技术参数是温度值（动作温度和复位温度），因此，测温电路的测量误差必须比较小，用户的要求是所有测温误差相互间最大不能大于0.5℃，对于传感器的灵敏度、一致性、稳定性，电路参数的温度稳定性、长期稳定性、运算放大器的运算精度、基准电压的稳定性等都有较高的要求。
传感器选用Pt1000，由于其绝对灵敏度较高（3.851Ω/℃），初始值较大，接触电阻和引线电阻引起的测量误差相应就较小
电阻RM1是基准电阻，其精度和稳定度对测量精度影响较大，因而采用0.1%、20ppm的精密电阻，其余电阻选用低温度系数（50ppm），参数近似对称，能相互抵消，降低温度的影响。基准采用10ppm的基准电源。运放采用精密运放。具体电路见图3.2。
图中为四路测温电路中的其中一路，其余三路的电路结构和参数完全相同。
传感器Rpt1、R3、R2和RM1、R1及RP1构成桥式电路，RM1和RPt1上的差值经运放U1放大后由R10送到U2进行二次放大。由于放在烘箱内的传感器通过引线连到电路，可能会存在一定的干扰电压，采用C1、C2、R4、RPt1等组成二级低通滤波电路，滤除干扰信号。传感器的线性度不是很好，在低温时灵敏度较高，高温时相对较低（见表2.1），为了使输出电压与被测温度成线性关系，加入线性化电路，采用简单的正反馈补偿法，图中R6即是。当温度低时，U1的输出电压也较低，反馈回来的电压也低，当温度高时，反馈回来的电压也高，对传感器的补偿作用也明显。
图3.2 精密测温电路
电流流经电阻，电阻就会发热，为了使Pt1000发热低，不能流过较大的电流，否则会使测量误差增大；电流太小，灵敏度又太低，对运放的失调电压的要求也高，因此，应选择一合适的电流，兼顾两方面的要求。本电路中，R1选110kΩ，则电流约为40μA，小于Pt1000参数推荐的0.5mA，所以可以忽略自热的影响。
通过实际测试，正反馈电阻R6取470kΩ效果比较理想。
由经验得知，当R2和R1取值相同时，由于正反馈的影响，0℃时输出值将大于零，故R2取值应稍大于R1，经实测，差值约为5.1kΩ（考虑到电阻的易购性，R2选用110k与5.1k的R3串联）。由于参数的误差，实际电路会存在零误差，为了使用方便，加入1kΩ的3296型微调进行调零。
1%精度的电阻，110k的标称值，相互间的最大误差会达到2k左右，超出了1kΩ的微调范围，选用阻值较大的微调，调节范围又太大；选用精密的电阻，成本较高。因此，R1和R2选用1%的电阻，同一电路的值通过配对匹配。
R7和R8选择一般的电阻，只要是同种电阻，温度系数就相同，对测量就没影响。
R4、R5取10kΩ，与R7相同，可以减小输入偏置电流的影响。
为了电路的输出不至于太滞后于传感器的响应，C1、C2的取值不能太大，但也不能太小，否则滤波效果不明显，容易出现跳字现象。经比较，选10μF左右的电解电容较合适。又由于Pt1000的电流小，要求电解电容的漏电流也要很小，最好选用无极性电容或钽电容，10μF的无极性电容价格高，体积大，铝电解的漏电流大，钽电解的漏电流小，本电路选钽电解。耐压5V以上即可。
运放要求精度高，选用精密运放，专用的仪表放大器或性能指标高的运放，价格很高，处于成本考虑，选用失调电压只有60μV左右，开环放大倍数在400V/mV的OP07。
根据上图的参数，U1的满度输出在0.8V左右，而A/D卡的电压要求为5V，增大放大倍数会使一级运放的放大倍数太大而使测量精度降低，因此还需一级放大。第一级的输出为正，A/D卡的输入也为正极性电压，第二级应选用同相比例放大。放大倍数Au为
(3.5)
U2的放大倍数为
(3.6)
R9取常用的10kΩ，则R11+0.5RP2约为50kΩ，故R11取47kΩ，RP2取10kΩ。C3为消振电容，通常取0.1μF。
基准电源选LM336-Z5，α约为20ppm。4路测温电路所需的基准电流
。
图3.3 精密过零触发电路
过零触发电路各点的波形见图3.4。
图3.4 过零触发脉冲波形
§3.4 SSR驱动电路根据设计要求，采用图3.5所示电路。
图3.5 SSR驱动电路
根据经验，OP1选TLP521，Q1选9013或8050等NPN型的三极管，β大于100以上。
光耦的输入电流为10mA左右，输入压降为1V左右，则电阻R4的阻值为（5-1）V/10mA=400Ω，选标称值为470Ω的普通电阻。R3的作用是使Q1可靠的工作在开关状态，降低干扰影响，取值可较大，选68kΩ。R8选常用参数10kΩ。R9是保护OP1，取值不能太大，否则SSR的驱动电压不够大。选流过20mA电流时压降小于4V来计算，电阻约为1KΩ。
§3.5 电源电路在本设计中电源电路包括三部分，精密测量电路中运放需要的双9V、数字电压表需要的双5V和桥路需要的5V的基准电源。
模拟部分的电源见图3.6。
变压器通过CN1将输出加到桥堆BD1上，进行整流后得到正负电压，正电压经C1滤波后加到U1的输入端，经过稳压后输出+9V的电压。同时，从CN1输出的负电压经C2滤波后加到稳压管LM7909上，得到-9V的电压。这样，形成的双9V电压供给运放工作；为了得到更稳定的电压，从U1稳压后的输出端加上U3产生+5V电压和从U2的输出端加上稳压管WD1得到-5V电压，形成双5V供给数字电压表工作；为了使得到的基准电压更稳定，将U4的输入端通过R2接到U1的输出端，得到的Vr（5V）基准为测量桥路等提供基准电压。
图3.6 电源电路
图中元器件的参数选择如下，BD1选1A的桥堆，C1选1000μF/35V的电解电容（市场上销售的大多是套壳的电解电容，击穿电压与所标的工作电压接近），C2选470μF/16V，C3、C4选334的独石电容，C5、C6选104的独石电容，C7～C10的容量要求较低，选100μF/16V的电解电容。电感L1和L2选33μH，防止瞬间电流过大。U1选L7809，ST公司的79系列稳压集成块在输入电压较高时不能正常稳压，其他公司的都正常，因此U2不选ST公司的L7909，选LM7909，U3选L7805。U4选LM336-Z5的基准稳压。WD1用1N4733A稳压管。取流过R2的电流为8mA，则可取680Ω，流过R1的电流定为7mA,则R1可取390Ω。
第四章 参数测试参数测试主要测量系统能否准确测量参数值。
§4.1 长期的稳定性将做好的板子接上烘箱在同一温度下连续运行一个星期，同时测量相关参数，观察其变化趋势，得出稳定性是否良好。测量得到的表4.1如下：
表4.1 长期稳定性的测量表
由上表可知，该板子的长期稳定性达到了设计要求。
§4.2 温度的稳定性将做好的板子与标准电阻箱连接，并将其调到100℃时1385.1Ω这一状态，并将板子放置于烘箱中，调节烘箱的温度，得出板子的温度值。根据所得结果衡量温度的稳定性，得到表4.2的结果：
表4.2 温度稳定性的测量表
由此可见，板子的温度稳定性较好。
§4.3 温度测量精度检测先通电半小时，电路稳定后，将精密直流电阻箱ZX74D代替Pt1000，在0℃和150℃校准对电路进行校准，根据ITS-90中Pt1000的分度表，输出下列阻值，测温电路得到表4.3的结果。
表4.3 温度测量数据记录表
从上表可得知，本电路的测温精度达到了技术要求。
结 论从上述试验中得到的表格可以看出该设计电路调试简单、成本低、传感器的感温速度与热保护器一致，并且电路的温度稳定性和长期稳定性较好、测温精度较高。所以，本设计是符合所提出的要求的。通过本次写作论文，我了解到论文写作是一个长期的过程，需要不断的修改，不断的去查找相关文献，认真的找出自己的错误之处，针对错误去寻找相应的解决方法，对论文进行不断的完善。
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附 录附录：总原理图(见本帖附件)
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（3.1）
、
、
、
的值为5V，即ui=25tmV（t为测量温度）；
（3.2）
（3.3）
= 
（3.4）
为10tmV（t为需要设定的温度）；
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