崔建國，寧永香

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000)

基于滯回電壓比較的家庭花卉作物自動保暖器

崔建國，寧永香

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000)

針對家庭花卉園藝作物過冬難的問題，設(shè)計一款專用于家庭使用的花卉作物自動保暖器，在保溫罩里采用精密溫度傳感器，將來自傳感器的電壓與兩個不同的基準(zhǔn)電壓作比較，實(shí)現(xiàn)將兩個加熱元件按溫度分別控制，前者霜凍保護(hù)點(diǎn)、后者低溫保護(hù)點(diǎn)；且在電壓比較器的同相輸入端加有20 mV左右的滯回電壓，避免了可控硅頻繁的轉(zhuǎn)換、使開關(guān)噪聲得以減?。粚⒈容^器轉(zhuǎn)換閥值提高，保溫罩還可用來繁殖花卉作物。

霜凍；溫度傳感器；電壓比較器；滯回電壓；加熱器

一般家庭預(yù)防花卉作物過冬的方法不可能像大型種植戶一樣采用現(xiàn)代化的溫室、暖房，由于其規(guī)模太小，甚至較簡易的大棚設(shè)備也不可能采用，因?yàn)榇笈飪?nèi)的溫度無法自動控制。這些家庭為了使花卉過冬，除了將多數(shù)盆栽花卉搬入室內(nèi)養(yǎng)護(hù)的辦法外，常采用的傳統(tǒng)方法是使用保溫罩(用透明塑料薄膜支起的罩子)。它制作簡單，占地不大，卻能放進(jìn)許多花盆和育種盤。但在冬季，罩內(nèi)溫度仍會大大低于霜凍點(diǎn)。春天氣溫雖然回升，但對育種和促進(jìn)幼苗生長來說，氣溫仍嫌偏低。而且，早春氣溫很不穩(wěn)定，若遇“倒春寒”，一些耐寒性差的花卉和幼苗就過不了關(guān)，最后落得個前功盡棄。

本文介紹的電子保暖器可以解決這個問題，其功能介于現(xiàn)代化暖房和蔬菜大棚之間，但規(guī)模很小，只需要很少量投資，非常簡潔，但是高效、實(shí)用，極為適合于家庭使用。該保暖器的總體思路是在保溫罩里放上一個溫度傳感器和兩個滯回性電壓比較器以及相應(yīng)的加熱元件，就可以組成一個簡單的自動控溫系統(tǒng)。在本設(shè)計中，兩個加熱元件是分開控制的，其中一個加熱器的溫度調(diào)的比另一個高。因此，只有在天氣最冷時才提供最大的熱量。到了春天，改變加熱電路的觸發(fā)點(diǎn)，可以使保溫罩里的溫度高出霜凍點(diǎn)10 ℃～15 ℃，這樣不但可以用保溫罩過冬還可以用來繁殖花卉作物。

1 電子保暖器電氣工作原理介紹

1.1 精密溫度傳感器LM335Z簡介

在論述電子保暖器以前，有必要先介紹一下本文將采用的精密溫度傳感器LM335Z的工作原理。

LM335系列是精密、容易校準(zhǔn)的集成溫度傳感器，作為一個兩端齊納管工作在+10 mV/，LM335具有一個與絕對溫度直接成正比的擊穿電壓，其動態(tài)阻抗低于1 Ω，工作在400 μA～5 mA的電流范圍上，其性能并無變化。當(dāng)在25 ℃下校準(zhǔn)時，在100 ℃的溫度LM335的應(yīng)用包括幾乎所有的在-55 ℃～+150 ℃上的溫度檢測，低阻抗和線性輸出使其與讀出或控制電路非常容易接口。

1.2 電子保暖器電氣原理圖詳解

電氣原理圖如圖1所示。該電路共分六個部分，分別是溫度采樣電路、電平比較電路、觸發(fā)電路、加熱電路、LED顯示電路、供電電路，下面詳細(xì)描述。

集成塊D1(LM335Z)為一個精確溫度傳感器電路，在這里作為檢測保溫罩內(nèi)溫度的二極管傳感器，其穩(wěn)定電壓隨溫度呈直線變化。選擇R1的阻值使流過D1的電流為1 mA左右，此時D1兩端的電壓變化率為10 mV/(是開氏溫度)。在冰點(diǎn)(0 ℃=273)溫度下，此電壓變化是2.73 V)，25 ℃時上升到2.98 V(2.73 V+0.25 V)，依此類推[1]。

圖1 電子保暖器的電氣原理圖

比較器IC1(LM319)將來自傳感器的電壓與兩個不同的基準(zhǔn)電壓作比較。為了使這兩個基準(zhǔn)電壓容易調(diào)準(zhǔn)，使用了多圈式電位器P1和P2來分別調(diào)整它們?？刂撇糠值碾娫唇?jīng)過穩(wěn)壓二極管D2穩(wěn)壓及C2、C3濾波，電流為20 mA左右。C1、C4和C5濾除IC1輸入端的噪聲。

當(dāng)溫度下降低于+7 ℃，使傳感器D1兩端的電壓低于IC1a基準(zhǔn)電壓時，IC1a輸出端即輸出高電平(IC1a輸出為霜凍保護(hù)點(diǎn)，霜凍保護(hù)點(diǎn)為+7 ℃；IC1b輸出為低溫保護(hù)點(diǎn)，低溫保護(hù)點(diǎn)為+3 ℃，以下類似不再提示)，并觸發(fā)其中一只可控硅TH2導(dǎo)通，使相應(yīng)的加熱元件R7開始加熱；當(dāng)溫度繼續(xù)下降低于+3 ℃時，使傳感器D1兩端的電壓低于IC1b基準(zhǔn)電壓時,IC1b輸出端即輸出高電平,并觸發(fā)另一只可控硅TH1導(dǎo)通，使相應(yīng)的加熱元件R5開始加熱(當(dāng)然可控硅TH2仍然導(dǎo)通，加熱元件R7仍然加熱)。

這里要注意，可控硅的電源電壓是沒有經(jīng)過平滑濾波的脈動直流電壓，其脈動頻率是交流電源頻率的兩倍(即100 Hz)，脈動周期為10 ms。這意味著每隔10 ms可控硅A-K兩端的電壓要下降到“0”一次(即“零交叉”)，其柵極(G)如果沒有IC1的觸發(fā)信號，就會由于失去維持電流而保持在截止?fàn)顟B(tài)。因此，只有在溫度低于用戶置定的觸發(fā)閥值時，加熱元件才能接通[2]。

電壓比較器LM319具有很高的增益，如果不采取措施，即使溫度變化很小(可能只有0.01 ℃)也會使控制器轉(zhuǎn)換。這樣就會使加熱元件始終處于頻繁的交替通斷狀態(tài)，從而產(chǎn)生大量的開關(guān)噪聲(通斷的頻率可能達(dá)到100 Hz)。為了避免出現(xiàn)這種情況，通過R2和R3給比較器的同相輸入端加有20 mV左右的滯回電壓。這樣，在溫度下降到低于觸發(fā)點(diǎn)并使加熱器接通之后，只有等溫度回升到高于原觸發(fā)點(diǎn)2 ℃(20 mV相當(dāng)于2 ℃)左右時才把加熱器斷開，從而避免了頻繁的轉(zhuǎn)換并使開關(guān)噪聲得以減小，這是該電路設(shè)計的巧妙之處。

若要用保溫罩來繁殖花卉作物，則罩內(nèi)需要更高的溫度。此時可以接通開關(guān)S2，使R12短路，IC1a的轉(zhuǎn)換閥值即在原來的基礎(chǔ)上增高0.10 V～0.15 V。于是罩內(nèi)溫度也相應(yīng)地比霜凍保護(hù)點(diǎn)高出10 ℃～15 ℃(本電路的霜凍保護(hù)點(diǎn)為+7 ℃，低溫保護(hù)點(diǎn)為+3 ℃，開關(guān)S2接通會使罩內(nèi)溫度在霜凍保護(hù)點(diǎn)的基礎(chǔ)上高出10 ℃～15 ℃，即罩內(nèi)溫度可達(dá)17 ℃～22 ℃，該溫度足夠繁殖花卉作物的氣溫需求)。

至于D4、D5、D6這三個發(fā)光二極管，其中D4為電源指示燈，紅色發(fā)光二極管，常亮；D6為霜凍保護(hù)點(diǎn)指示燈，黃色發(fā)光二極管，當(dāng)罩內(nèi)溫度低于霜凍保護(hù)點(diǎn)+7 ℃時，比較器IC1a輸出觸發(fā)信號，可控硅TH2導(dǎo)通，黃色指示燈亮，加熱元件R7通電工作；D5為低溫保護(hù)點(diǎn)指示燈，綠色發(fā)光二極管，當(dāng)罩內(nèi)溫度低于低溫保護(hù)點(diǎn)+3 ℃時，比較器IC1b輸出觸發(fā)信號，可控硅TH1導(dǎo)通，綠色發(fā)光二極管亮，加熱元件R5通電工作，從而達(dá)到自動控制罩內(nèi)溫度的作用[3]。

2 調(diào)試

保暖器應(yīng)在環(huán)境溫度高于閥值(加熱元件斷開)的情況下進(jìn)行調(diào)試。用數(shù)字式萬用表(不要用輸入阻抗太小的三用表)分別測量IC1a和IC1b同相輸入端的對地電壓，調(diào)節(jié)P1和P2，使這兩個閥值電壓分別為2.80 V和2.76 V即可。

3 注意事項

按照所示電氣原理圖繪出PCB版圖(常用電路繪圖軟件都可以很快繪出，繪圖較為簡單，在此省略)，將對應(yīng)電子元件裝入電路板，再把電路板和其它元件裝入合適的機(jī)殼。傳感器應(yīng)使用電阻率小的優(yōu)質(zhì)音頻電纜，以減小噪聲和外部干擾。

加熱元件R5和R7如果沒有合適的電阻絲來制作，可用相應(yīng)的電阻來代替。R7的功率較小，可用30只1 Ω的電阻串聯(lián)焊接起來再裝進(jìn)耐熱絕緣套管制成。R5功率較大，可用兩只像R7那樣的自制電阻并聯(lián)起來使用。電阻的阻值和數(shù)量可通過簡單計算，使每只電阻的功率不超過其額定功率，R5和R7的套管管口不要封死，以便于彎曲地裝在保溫罩里。以成品電阻代替電阻絲制作加熱器件，可大大提高保暖器的安全性以及穩(wěn)定性，這是該設(shè)計的第二巧妙之處[4]。

加熱元件和傳感器的工作環(huán)境比較潮濕，可在封口和連接處涂以環(huán)氧樹脂，以避免潮氣侵入。加熱元件應(yīng)放在保溫罩的底部周圍，傳感器也要裝在底部附近并與加熱元件保持適當(dāng)距離。要注意保溫罩的隔熱情況，盡可能在地面與加熱元件及花盆之間鋪上一層隔熱層，以免熱量被地面吸收。在保溫罩的頂部裝上隔熱層也有助于保溫。最適合用作隔熱層的材料是包裝易損產(chǎn)品的充有氣泡的透明塑料片。

4 結(jié)束語

該保暖器電路結(jié)構(gòu)簡單、思路巧妙，制作成本十分低廉，比使用電腦控制的相關(guān)產(chǎn)品穩(wěn)定性更佳，而且經(jīng)過仿真電路仿真測試，電路結(jié)構(gòu)完美、元件參數(shù)準(zhǔn)確，十分適合于家庭使用。

[1] 李中年.控制電器及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2] 李仁.電器控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3] 韓廣興.電子元器件與實(shí)用電路基礎(chǔ)[M](修訂版).北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4] 劉暢生.傳感器簡明手冊及應(yīng)用電路[M].陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

Automatic Heat Preservation Device for Household Flower Crops Based on Hysteresis Voltage Comparison

Cui Jianguo, Ning Yongxiang

(ShanxiEngineeringandTechnologyCollege,YangquanShanxi045000,China)

Aiming at the passing problem of family flowers horticultural crop in winter, a kind of automatic heater design for flower crops dedicated to family use is made. A precision temperature sensor is used in the heat shield, the voltage from the sensor is compared with two different reference voltages, and the two heating elements are respectively controlled by temperature, the former is frost protection point and the latter low temperature protection; and about 20 mV of the hysteresis voltage in the in-phase input terminal of the voltage comparator is added that avoids the frequent conversion of SCR and reduces the switching noise. When increasing the comparator threshold, the insulation cover can also be used for breeding flower crops.

frost; temperature sensor; voltage comparator; hysteresis voltage; heater

2016-12-08

崔建國(1969- )，男，山西陽泉人，講師，畢業(yè)于桂林電子科技大學(xué)，主要從事工業(yè)控制計算機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用。

1674- 4578(2017)03- 0003- 03

TP271

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