基于滞回电压比较的家庭花卉作物自动保暖器

崔建国，宁永香

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

基于滞回电压比较的家庭花卉作物自动保暖器

崔建国，宁永香

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

针对家庭花卉园艺作物过冬难的问题，设计一款专用于家庭使用的花卉作物自动保暖器，在保温罩里采用精密温度传感器，将来自传感器的电压与两个不同的基准电压作比较，实现将两个加热元件按温度分别控制，前者霜冻保护点、后者低温保护点；且在电压比较器的同相输入端加有20 mV左右的滞回电压，避免了可控硅频繁的转换、使开关噪声得以减小；将比较器转换阀值提高，保温罩还可用来繁殖花卉作物。

霜冻；温度传感器；电压比较器；滞回电压；加热器

一般家庭预防花卉作物过冬的方法不可能像大型种植户一样采用现代化的温室、暖房，由于其规模太小，甚至较简易的大棚设备也不可能采用，因为大棚内的温度无法自动控制。这些家庭为了使花卉过冬，除了将多数盆栽花卉搬入室内养护的办法外，常采用的传统方法是使用保温罩(用透明塑料薄膜支起的罩子)。它制作简单，占地不大，却能放进许多花盆和育种盘。但在冬季，罩内温度仍会大大低于霜冻点。春天气温虽然回升，但对育种和促进幼苗生长来说，气温仍嫌偏低。而且，早春气温很不稳定，若遇“倒春寒”，一些耐寒性差的花卉和幼苗就过不了关，最后落得个前功尽弃。

本文介绍的电子保暖器可以解决这个问题，其功能介于现代化暖房和蔬菜大棚之间，但规模很小，只需要很少量投资，非常简洁，但是高效、实用，极为适合于家庭使用。该保暖器的总体思路是在保温罩里放上一个温度传感器和两个滞回性电压比较器以及相应的加热元件，就可以组成一个简单的自动控温系统。在本设计中，两个加热元件是分开控制的，其中一个加热器的温度调的比另一个高。因此，只有在天气最冷时才提供最大的热量。到了春天，改变加热电路的触发点，可以使保温罩里的温度高出霜冻点10 ℃～15 ℃，这样不但可以用保温罩过冬还可以用来繁殖花卉作物。

1 电子保暖器电气工作原理介绍

1.1 精密温度传感器LM335Z简介

在论述电子保暖器以前，有必要先介绍一下本文将采用的精密温度传感器LM335Z的工作原理。

LM335系列是精密、容易校准的集成温度传感器，作为一个两端齐纳管工作在+10 mV/，LM335具有一个与绝对温度直接成正比的击穿电压，其动态阻抗低于1 Ω，工作在400 μA～5 mA的电流范围上，其性能并无变化。当在25 ℃下校准时，在100 ℃的温度LM335的应用包括几乎所有的在-55 ℃～+150 ℃上的温度检测，低阻抗和线性输出使其与读出或控制电路非常容易接口。

1.2 电子保暖器电气原理图详解

电气原理图如图1所示。该电路共分六个部分，分别是温度采样电路、电平比较电路、触发电路、加热电路、LED显示电路、供电电路，下面详细描述。

集成块D1(LM335Z)为一个精确温度传感器电路，在这里作为检测保温罩内温度的二极管传感器，其稳定电压随温度呈直线变化。选择R1的阻值使流过D1的电流为1 mA左右，此时D1两端的电压变化率为10 mV/(是开氏温度)。在冰点(0 ℃=273)温度下，此电压变化是2.73 V)，25 ℃时上升到2.98 V(2.73 V+0.25 V)，依此类推[1]。

图1 电子保暖器的电气原理图

比较器IC1(LM319)将来自传感器的电压与两个不同的基准电压作比较。为了使这两个基准电压容易调准，使用了多圈式电位器P1和P2来分别调整它们。控制部分的电源经过稳压二极管D2稳压及C2、C3滤波，电流为20 mA左右。C1、C4和C5滤除IC1输入端的噪声。

当温度下降低于+7 ℃，使传感器D1两端的电压低于IC1a基准电压时，IC1a输出端即输出高电平(IC1a输出为霜冻保护点，霜冻保护点为+7 ℃；IC1b输出为低温保护点，低温保护点为+3 ℃，以下类似不再提示)，并触发其中一只可控硅TH2导通，使相应的加热元件R7开始加热；当温度继续下降低于+3 ℃时，使传感器D1两端的电压低于IC1b基准电压时,IC1b输出端即输出高电平,并触发另一只可控硅TH1导通，使相应的加热元件R5开始加热(当然可控硅TH2仍然导通，加热元件R7仍然加热)。

这里要注意，可控硅的电源电压是没有经过平滑滤波的脉动直流电压，其脉动频率是交流电源频率的两倍(即100 Hz)，脉动周期为10 ms。这意味着每隔10 ms可控硅A-K两端的电压要下降到“0”一次(即“零交叉”)，其栅极(G)如果没有IC1的触发信号，就会由于失去维持电流而保持在截止状态。因此，只有在温度低于用户置定的触发阀值时，加热元件才能接通[2]。

电压比较器LM319具有很高的增益，如果不采取措施，即使温度变化很小(可能只有0.01 ℃)也会使控制器转换。这样就会使加热元件始终处于频繁的交替通断状态，从而产生大量的开关噪声(通断的频率可能达到100 Hz)。为了避免出现这种情况，通过R2和R3给比较器的同相输入端加有20 mV左右的滞回电压。这样，在温度下降到低于触发点并使加热器接通之后，只有等温度回升到高于原触发点2 ℃(20 mV相当于2 ℃)左右时才把加热器断开，从而避免了频繁的转换并使开关噪声得以减小，这是该电路设计的巧妙之处。

若要用保温罩来繁殖花卉作物，则罩内需要更高的温度。此时可以接通开关S2，使R12短路，IC1a的转换阀值即在原来的基础上增高0.10 V～0.15 V。于是罩内温度也相应地比霜冻保护点高出10 ℃～15 ℃(本电路的霜冻保护点为+7 ℃，低温保护点为+3 ℃，开关S2接通会使罩内温度在霜冻保护点的基础上高出10 ℃～15 ℃，即罩内温度可达17 ℃～22 ℃，该温度足够繁殖花卉作物的气温需求)。

至于D4、D5、D6这三个发光二极管，其中D4为电源指示灯，红色发光二极管，常亮；D6为霜冻保护点指示灯，黄色发光二极管，当罩内温度低于霜冻保护点+7 ℃时，比较器IC1a输出触发信号，可控硅TH2导通，黄色指示灯亮，加热元件R7通电工作；D5为低温保护点指示灯，绿色发光二极管，当罩内温度低于低温保护点+3 ℃时，比较器IC1b输出触发信号，可控硅TH1导通，绿色发光二极管亮，加热元件R5通电工作，从而达到自动控制罩内温度的作用[3]。

2 调试

保暖器应在环境温度高于阀值(加热元件断开)的情况下进行调试。用数字式万用表(不要用输入阻抗太小的三用表)分别测量IC1a和IC1b同相输入端的对地电压，调节P1和P2，使这两个阀值电压分别为2.80 V和2.76 V即可。

3 注意事项

按照所示电气原理图绘出PCB版图(常用电路绘图软件都可以很快绘出，绘图较为简单，在此省略)，将对应电子元件装入电路板，再把电路板和其它元件装入合适的机壳。传感器应使用电阻率小的优质音频电缆，以减小噪声和外部干扰。

加热元件R5和R7如果没有合适的电阻丝来制作，可用相应的电阻来代替。R7的功率较小，可用30只1 Ω的电阻串联焊接起来再装进耐热绝缘套管制成。R5功率较大，可用两只像R7那样的自制电阻并联起来使用。电阻的阻值和数量可通过简单计算，使每只电阻的功率不超过其额定功率，R5和R7的套管管口不要封死，以便于弯曲地装在保温罩里。以成品电阻代替电阻丝制作加热器件，可大大提高保暖器的安全性以及稳定性，这是该设计的第二巧妙之处[4]。

加热元件和传感器的工作环境比较潮湿，可在封口和连接处涂以环氧树脂，以避免潮气侵入。加热元件应放在保温罩的底部周围，传感器也要装在底部附近并与加热元件保持适当距离。要注意保温罩的隔热情况，尽可能在地面与加热元件及花盆之间铺上一层隔热层，以免热量被地面吸收。在保温罩的顶部装上隔热层也有助于保温。最适合用作隔热层的材料是包装易损产品的充有气泡的透明塑料片。

4 结束语

该保暖器电路结构简单、思路巧妙，制作成本十分低廉，比使用电脑控制的相关产品稳定性更佳，而且经过仿真电路仿真测试，电路结构完美、元件参数准确，十分适合于家庭使用。

[1] 李中年.控制电器及应用[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2] 李仁.电器控制[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3] 韩广兴.电子元器件与实用电路基础[M](修订版).北京：电子工业出版社，2005.

[4] 刘畅生.传感器简明手册及应用电路[M].陕西：西安电子科技大学出版社，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

崔建国(1969- )，男，山西阳泉人，讲师，毕业于桂林电子科技大学，主要从事工业控制计算机在工农业生产实践中的应用。

1674- 4578(2017)03- 0003- 03

TP271

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