一种基于D触发器的温控开关电路设计

侯盼卫

摘 要：介绍了一种新型的基于D触发器的温控开关电路，说明了该电路的系统组成、工作原理、详细设计和实验结果，该温控开关电路性能稳定可靠，可以应用于需要温度开关控制的场合。

关键词：温控开关；D触发器；PT100；信号调理

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.29.094

0 引言

随着人类需求的不断增长和电子技术的持续发展，温度控制技术被广泛的应用于日常生活、工业生产和科学试验中。温度控制技术根据温度控制方式的不同主要分为两类，一类是高精度温度控制系统，采用PID控制算法能够精确地控制环境温度的变化，应用于对温度精度要求高的场合；另一类是温控开关系统，根据环境温度的变化，能够自动控制开关的导通或者断开。温控开关工作在加热模式下的工作原理是，温度传感器对环境温度进行采样，当环境温度低于设定温度下限时，温控开关电路控制加热器工作，在加热过程中，当环境温度高于设定温度上限时，温控开关电路控制加热器停止工作，从而起到控制加热器开关的作用。温控开关模块主要应用于饮水机、加热器、空调等制热（或制冷）设备中。

目前电子式的温控开关模块大多采用“模数转换芯片+单片机”的方式实现温度开关的逻辑控制，需要进行嵌入式软件的设计开发，存在开发周期长的缺点。本文介绍一种电子式温控开关电路，采用铂电阻型温度传感器采集环境温度，可通过调整比较器输入端的阈值电压设置温度的上下限阈值，比较器和D触发器实现温控开关的逻辑控制，是一种成本低，可靠性高和实用性强的电子式的温控开关电路。

1 系统组成和工作原理

温控开关电路的系统组成框图如图1所示，系统主要有传感器前端信号调理部分、逻辑控制部分和执行电路部分组成。其中电压基准源产生稳定的电压基准，电桥电路将温度传感器的电阻变化转换成电压信号输出，信号放大电路将电桥输出的微弱电压信号进一步放大，比较电路对放大后的信号进行温度上下限阈值的比较，逻辑判断电路根据比较电路输出的数字信号进行逻辑判断，执行电路根据逻辑判断电路的输出控制加热器的工作。

2 电路详细设计

2.1 温度传感器

本方案温度传感器采用铂电阻型温度传感器PT100，具有精度高，稳定性好，寿命长等特点，可用于测量-200℃到600℃范围内的温度，PT100的电阻值会随着温度的上升而近似勻速的增长，PT100的温度系数为3850ppm/℃，PT100在0℃时的阻值为100Ω，流经PT100的电流不应太大，否则会出现自升温的现象。

2.2 传感器前端调理部分

传感器前端信号调理部分电路图如图2所示，为了保证电桥工作的稳定性，电桥的输入电压通过可控精密稳压源TL431稳压至2.5V，电桥电路由电阻R2、R3、R4和PT100组成，电阻R2=R3，R4用于确定电桥输出信号的零点，电桥电路将PT100微量的电阻变化转换成电压输出，电桥输出的差分信号通过一款高共模抑制比的仪表放大器芯片INA2128进行放大，其中电阻R5确定放大倍数。

2.3 逻辑控制部分

逻辑控制部分的电路图如图3所示，比较电路通过比较器芯片LM139实现调理后的温度信号与温度上下限阈值的比较，其中由R1和R2确定温度下限阈值，R3和R4确定温度上限阈值。逻辑判断电路采用集成数字电路SN74LS74实现，SN74LS74是一个上升沿触发的D触发器，带有独立的异步置位和异步复位端，数据输入口的信息在时钟脉冲的上升沿传输到输出口。当环境温度高于温度上限阈值时，比较器U1B输出低电平，D触发器U2A的产生复位输出低电平，一旦环境低于温度下限阈值，比较器U1A输出信号由低电平变高电平，D触发器U2A在脉冲上升沿的触发下输出高电平，其时序逻辑关系如图4所示。

2.4 执行部分

执行部分通过固态继电器来实现，当逻辑控制部分输出高电平时，继电器触点闭合，加热器开始工作，反之加热器停止工作。

3 实验与分析

根据上述电路设计制作了温控开关电路模块，信号放大电路的放大倍数配置为101倍，设定温度下限为-20℃，对应的比较器阈值电压为3.17V，温度上限为+30℃，对应的比较器阈值电压为5.03V，实验过程分为升温过程和降温的过程，利用数字万用表对信号调理后的电压和逻辑控制部分输出电平进行了测量，实验结果如表1所示。

实验数据表明，本文设计的温控开关电路设计原理合理，能够稳定可靠工作，满足温控开关模块的工程化应用需求。

4 结束语

本文研制了基于D触发器的温控开关电路系统，介绍了系统组成和工作原理，采用铂电阻PT100采集温度，比较器前端分压电阻设定温度的上下限阈值，D触发器实现逻辑控制，能够可靠实现温控开关逻辑控制，具有成本低，可靠性高和实用性强等特点，可以应用于需要温度开关控制的场合。

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