TA9-IRR型智能温控表整机电路.doc

TA9-IRR型智能温控表整机电路2000年至今，智能型控制仪表，占据了市场的主流该类仪表的优点体现在强大的软件功能上，主控电路以MCU单片机为核心，通常具有PID自整定/模块控制功能，较好的人机界面，多功能可设置I/O口，有些仪表可输入/输出任意的检测信号和控制信号，又被称为“通用型仪表”或万能仪表TA9-IRR智能温控表的特点：1）热电偶/热电阻通用输入；2）PID自整定/模块控制；3）继电器接点信号、电流信号等多种输出控制信号选择；4）内置2路PID，可同时用于加热或冷却控制；具有数显、报警、调节功能；5）可针对控制对象，利用修改参数值，以实现更细节化的控制；6）可与PLC、变频器等相关设备构成稳定的温度调节系统 1、TA9-IRR智能温控表的电源/信号输出板电路TA9-IRR智能温控表，整机电路由电源/信号输出板、操作显示面板、MCU主板等3块电路板组成，供电电源与信号传输通过信号电缆和接线端子排JP1、J1进行图1-2为电源/信号输出板电路，由电源电路、加热（冷却）接点控制信号输出电路和4~20mA电流信号输出电路构成〔电源电路〕电源模块TOP221的采用，使开关电源电路变得精简和高效。

外围元件极少，故障率降低，设计、制作与故障检修都变得容易TOP221为三端脉宽调制PWM开关，内含功率MOS电源开关管，PMW脉宽调制器、高压启动电路、环路补偿和故障自动保护（电流检测）电路等允许输入交流电压为85~265V，输出功率为12W其内部原理方框图如下：图1-1 电源模块TOP221的功能原理框图电源模块的2、3脚内接MOS功率管的漏、源极，并引入高压启动电源，内设电流检测等电路；1脚为反馈电压信号引入端或反馈电流信号引入端，控制内部PMW脉冲信号的占空比，完成对输出电压的稳压控制有时也用作自动重启补偿电容的连接端图1-2 TA9-IRR智能温控表的电源/信号输出板电路整流二极管D2-2、电容E2等元件将电压反馈绕组的电压整流滤波后，引入电源模块的1脚，用以控制内部电压误差放大器，使输出电压保持稳定开关变压器的二次3个绕组输出电压，经整流滤波和稳压处理，得到5V工作电源供后级控制电路（MCU主板）和操作显示面板电路；24V工作电源供控制继电器的线圈供电；从稳压集成电路78L15取出的15V电源又经后级稳压电路“裂变”为+7.5V和-7.5V正负电源，提供MCU主板运放电路的工作电源。

〔接点控制信号输出电路〕由温度传感器及温度检测电路输入的温度信号，经微控制器MCU内部程序（如PID）运算，由U6（见下图1-6）的11脚、17脚（开关量信号输出脚）直接输出，经JP1端子输入接点控制信号输出电路经光耦合器隔离和晶体三极管放大后，驱动KA1、KA2继电器，输出接点控制信号，控制外部加热（或冷却设备）的电源，达到恒温控制目的MCU输出控制信号的内容，可由参数进行设置，如KA1输出的接点信号，可设置为加热控制或故障报警1，KA2输出的接点信号，可设置为冷却控制或故障报警2，这完全取决于用户的控制需求控制端子③、④、⑤内接继电器KA1、KA2的动作触点〔4~20mA电流控制信号输出电路〕控制继电器输出的为开关量信号，用于控制加热设备或冷却设备的电源通断，达到恒温控制的目的，但存在较大的温度波动和控制精度不高的缺点而利用4~20mA的模拟量输出控制信号，对外部晶闸管调压设备或变频器拖动的加热或制冷设备进行闭环温度控制，则能提高控温精度和提高自动化控制水平由U6的12脚（见图1-6）输出PWM脉冲（由温度设定信号和温度检测信号经PID运算后得出）信号，经光耦合器P181隔离传输，2级RC滤波网络处理为可变直流电压，输入由N1运放电路和晶体管T8、T9构成的恒流源电路，输出电流为3脚输入信号电压Vi/R72的值，N1的输出电流信号在负载电阻R88上转化为电压信号V1，送入由运算电路N2、晶体管T6、T7构成的恒流源电路。

将4~20mA电流信号输出电路重绘成下图1-3，易于分析V/I转换的工作过程由电路参数可知，当R88（R76）两端的电压降为1~5V时，输出流经R76（和负载电阻RL）的4~20mA电流信号图1-3 4~20mA电路——V/I转换电路图中的RL为输出端子外接负载电路的内部等效电阻，这是一个不确定电阻电路的任务是将MCU输入的Vi信号转化为稳定的输出电流，且输出电流的大小不受负载电路内阻RL大小的影响，电路须具有恒流源电路特性，N2运算放大器与外围元件实际构成了一个电流负反馈电路，起到稳定输出电流的作用在输入Vi为固定电压值的情况下，V1也是个稳定值，经R76输入N2的两个输入端，由运放的“虚短”特性可知，流过R76的电流值=V1/250可进一步将V1分解为V2和V3的串联电压（电路的稳态是使V3=0），当RL或24V电源变化引起流过R76的电流上升时引起V2↑→，因V1为稳定值，N2输入差分电压值V3↓→N2的输出端电压往正方向变化，晶体体T6、T7的Ic↓→流过R76的电流↓，从而使输出电流维持恒定输出3、TA9-IRR智能温控表的操作显示面板电路（见图1-4）显示器由两组4位数码管（发光二极管器件）组成。

在正常运行状态，显示温度设定值SV和温度检测值PV；进行工作参数设置时，显示相关参数代码和设定值；异常状态，显示故障代码，起到故障警示作用本例电路采用两组4位的共阴极数码显示器，由MCU来的显示驱动信号经J1端子排的A~H（8线）信号，进入数码显示器，直接引入每位数码显示管的7个显示段，和小数点段这是“段”驱动信号；位驱动信号也由J1端子进入，标注为RA0~RA3的由MCU输出的4位2进制数字信号（按8421格式进行编码），经LS145（BCD-十进制译码器/驱动器）对数码显示器进行“位”驱动，与“段”驱动信号相配合，使每位数码管显示相应的数值或符号LS145是4线——十线8421BCD码十进制译码器，输出级为集电极开路的电路方式，具有80mA的电流吸入能力本例电路中，数码显示器为共阴极接法，LS145接当于每位数码管从阴极到电源地的控制开关图1-4 TA9-IRR智能温控表的操作显示面板电路图1-5 LS145内部逻辑电路图 LS145芯片由8个反相器和10个4输入与非门组成反相器成对连接，以接受4位BCD输入数据，经与非门译码后输出对有效BCD输入逻辑进行全译码后，可以保证在所有无效二进制状态（当大9的二进制代码）下输出端全部截止。

四位键输入信号从J1的E、F、G、H端子进入MCU引脚，操作按键，可进行参数修改和设定，如对控制方式进行设定，设定P、I、D值等，按下某只按键后，所对应原该位数信号变为0（未按键信号为1），MCU依此判断是哪个按钮按下，执行相应的操作（运行程序），并驱动显示器显示相应的代码或数值4、TA9-IRR智能温控表的MCU主板电路MCU主板电路包括MCU基本电路、温度检测信号输入电路和温度补偿电路、基准电压形成电路等PIC16J73系列MCU器件，为带10位A/D的40引脚8位CMOS闪存单片机，运算速度、内部功能指令应用比一般单片机优越，内含比较器模块、捕捉输入、脉宽调制PWM等电路，2000年前后，在工业控制领域，得到广泛的应用MCU功能强大，大部分引脚有复用功能，如部分引脚有多达5种复用功能，可由软件方法灵活选择和设置其功能其中标注为RAx/RBx/RCx/REx的I/O口，为数字I/O引脚（或设置为该功能）；标注为ANx的模拟信号输入引脚（或设置为该功能）；标注为VREF+、VREF-的为A/D参考电压的高、低电平输入引脚，A/D参考电平也可由软件方法对VDD、VSS输入电源电压分压取得；电源引脚、时钟引脚、各种系统运行的控制信号，RST、INT、ALE等信号输入；SCK、SDA、RX、TX等串行时钟及数据信号的输入/输出；比较器输出位CxOUT等输出信号；CCPx等比较器输出、PMW脉冲输出引脚等。

其中数字I/O口，用于对输入/输出开关量信号的处理，如作为数码显示器的驱动信号、控制继电器的驱动信号等；模拟量输入端，用于输入温度检测信号、参考温度信号、A/D转换基准电压等信号MCU芯片U6的8、19、20为电源电压输入端；9、10脚外接晶振元件XT1和补偿电容C14、C15（起图1-6 TA9-IRR智能温控表的MCU主板电路频率微调作用，影响振荡的稳定度和起振速度）；本例电路MCU芯片的复位控制脚1脚未接入外部复位电路，采用的是芯片上电复位功能（又称内部复位），芯片内部集成有POR上电复位电路，芯片上电后会自动实施复位动作，有时该引脚经电阻或直接与供电电源正端短接，起到上电自动复位的目的也可在该脚引入强制复位信号，本例电路的输入信号是空置（RST Nc）的由于芯片内部的存储器容量有限，所以外挂U8可读写存储器，用于存储用户设置的控制参数等上述供电、复位、晶振、存储器等电路，构成MCU正常工作的基本条件U6的21~28脚输出的数字信号，为数码显示器的“段开关”信号，控制每位显示器显示段的亮灭；RA0~RA3输出信号，为数码显示器的“位开关”信号，二者共同作用，使显示器显示正确的温度检测值及设定值，在输入按键操作信号时，显示参数代码及参数值。

控制继电器的驱动信号由11、17脚输出；12脚输出PMW脉冲信号，经后续电路处理为4~20mA电流信号输出温度检测信号由13脚输入，U6内部程序即重点对13脚输入的温度检测信号与温度设置信号进行比较处理，经PID运算后，其执行结果由11、17脚输出开关量控制信号；同时改变13脚输出PWM脉冲的宽度，使输出4~20mA电流信号产生相应变化，最后达到使显示的PV、SV两值相等或最大限度的接近MCU的外围电路，U1、IC1、U4等数字、运放电路，用于处理温度传感器——热电阻RTD采集到的现场温度信号，这个处理过程是在MCU的控制下进行的，与软件控制程序密切相关，信号的处理过程，有软、硬件结合的特点MCU输出的数字控制（二进制）信号，输入至三组二选一（相当于3组单刀双掷开关）开关电路U4（CD4053）的9、10、11脚，对内部3组二选一开关的合、断进行控制，以改变温度检测电路的信号处理和传输方式将U4内部模块开关电路进一步分解，形成如下图1-7所示的温度信号处理电路（下文详述其工作原理），对其工作过程便有了更为直观的认识 供电电源的-7.5V电压，经R1、Z1稳压电路，处理为-2.5V的基准电压，用于温度检测电路的参考基准。

U1电路又构成恒流源输出电路：U1信号输入、输出端之间串入了电阻R53，U1输出电流=输入端两信号之差/R53+RTD，在输入基准电压为稳定值时，电路具有恒流源特性，能为RTD提供一个稳定的电流源在使用RTD时，RTD流过测量电流而产生“自热”，如流过的测量电流不稳定，则会产生随机性误差温度变化引起了RTD的电阻变化，测量端的输出电压信号也在同步变化，但流经RTD的电流值却能保持恒定，一定程度上提高了测量精度本例电路参数，R53两端的恒定电压约为1.38V，流经传感器RTD的恒定电流为0.2mA换一种角度看，U1接成差动放大器的电路（减法电路）形式，RTD将温度变化引起的电阻值变化，转化为mV线性电压信号输入至U1的同相输入端5脚，与反相端输入的基准电压相比较，两信号的差值被输出，温度上升时，输出信号往正的方向变化R4、R45、C2组成温度补偿电路，消除RTD引线电阻随温度变化带来的测量误差U1输出端1脚的输出电压信号，经C5、R18、C6、R19、E3组成的低通滤波器，滤除可能存在的高频干扰信号后，将温度检测信号送往后级电路U4内部3组切换开关接受MCU的信号控制，而处于不同的连接组态（参见图1-7）。