基于单片机的疲劳实验用温度模拟装置

1.本发明属于温度模拟技术领域，尤其涉及基于单片机的疲劳实验用温度模拟装置。


背景技术：

2.目前比较常见的试验方法为乌德霍姆热疲劳试验，试验设备的种类也很多，常见的采用高频感应加热的方式，该方式虽然加热快，但由于集肤效应的影响，试样表面温度快速升高，使得试样内、外部温差较大，升温不均匀、产生较大热应力，试验效果并不理想，且采用高频感应加热的方式加热温度不可控，不一致会使结果产生较大误差得试验结果产生较大误差。
3.针对上述问题，现有技术202211176727 .6的一种热疲劳试验机，采用电阻加热炉加热，具体通过推杆电机上下运动时带动滑块沿着导轨前后滑动，开启或闭合电阻加热炉下方孔洞，保证加热过程中炉内的温度稳定，但由于电阻加热炉单一、固定位置的设置，热量传播需要一定的时间，尤其是电阻加热空间大时，上下温度难以快速达到均匀，仍会使结果产生较大误差。


技术实现要素：

4.针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供基于单片机的疲劳实验用温度模拟装置，有效的解决了现有技术不能快速达到均匀，仍会使实验结果产生较大误差的问题。
5.其技术方案是，包括单片机、加热驱动电路、加热装置、温度传感器，所述单片机根据温度模拟所需温度、温度传感器检测实际温度，输出驱动信号到加热驱动电路，加热驱动电路驱动加热装置进行温度控制，所述温度传感器包括第一路、第二路温度传感器，加热驱动电路包括第一、第二加热驱动电路，加热装置包括第一、第二加热装置，第一路、第二路温度传感器检测的温度信号与单片机输出的驱动信号经预处理电路处理后，输出补偿后的驱动信号经第一、第二加热驱动电路，调节第一、第二加热装置的加热温度；所述预处理电路接收第一路、第二路温度传感器检测的温度信号，首先分别经第一、第二差值电路计算出与单片机输出的驱动信号对应的温度信号的温度偏差，两路均有温度偏差时，经第三差值电路计算出差值，由差值的大小判读温度的均匀度，差值大且为正时，继电器得电、触点动作，单片机驱动信号并与满驱动信号经比较电路比较，小于满驱动信号时，三极管q5导通，经转换为绝对值的差值与驱动信号叠加经触点k1-4驱动第二路加热驱动电路，以调高第二路加热装置的加热温度，接近或等于满驱动信号时，三极管q4导通，经转换为绝对值的差值与驱动信号相减经触点k1-2驱动第一路加热驱动电路，以调低第一路加热装置的加热温度，差值大且为负时，继电器不得电、触点不动作，单片机驱动信号并与满驱动信号经比较电路比较，小于满驱动信号时，三极管q5导通经转换为绝对值的差值与驱动信号叠加经触点k1-3驱动第一路加热驱动电路，以调节第一路加热装置的加热
温度，接近或等于满驱动信号时，三极管q4导通，经转换为绝对值的差值与驱动信号相减经触点k1-1驱动第二路加热驱动电路，以调低第二路加热装置的加热温度。本发明的有益效果：接收第一路、第二路温度传感器检测的温度信号，首先分别经第一、第二差值电路计算出与单片机输出的驱动信号对应的温度信号的温度偏差，两路均有温度偏差时，经第三差值电路计算出差值，由差值的大小判读温度的均匀度，差值小或任一路有温度偏差时，由单片机根据温度偏差进行加热补偿控制，并可驱动配置的高温风机对流循环，使得温度快速达到所需均匀温度，两路均有温度偏差、差值大且为正时，继电器得电、触点动作，单片机驱动信号并与满驱动信号经比较电路比较，小于满驱动信号时，三极管q5导通，经转换为绝对值的差值与驱动信号叠加经触点k1-4驱动第二路加热驱动电路，以调高第二路加热装置的加热温度，接近或等于满驱动信号时，三极管q4导通，经转换为绝对值的差值与驱动信号相减经触点k1-2驱动第一路加热驱动电路，以调低第一路加热装置的加热温度，差值大且为负时，继电器不得电、触点不动作，单片机驱动信号并与满驱动信号经比较电路比较，小于满驱动信号时，三极管q5导通经转换为绝对值的差值与驱动信号叠加经触点k1-3驱动第一路加热驱动电路，以调节第一路加热装置的加热温度，接近或等于满驱动信号时，三极管q4导通，经转换为绝对值的差值与驱动信号相减经触点k1-1驱动第二路加热驱动电路，以调低第二路加热装置的加热温度，以此进行加热控制，能快速达到均匀，提高实验结果的精度。
附图说明
6.图1是本发明电路原理总图。
具体实施方式
7.以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
8.以下结合说明书附图1对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
9.基于单片机的疲劳实验用温度模拟装置，包括单片机、加热驱动电路、加热装置、温度传感器，所述单片机根据温度模拟所需温度、温度传感器检测实际温度，输出驱动信号到加热驱动电路，加热驱动电路驱动加热装置进行温度控制，所述温度传感器包括第一路、第二路温度传感器，加热驱动电路包括第一、第二加热驱动电路，加热装置包括第一、第二加热装置，配置在第一、第二加热装置处的第一路、第二路温度传感器检测的温度信号与单片机输出的驱动信号经预处理电路处理后，输出补偿后的驱动信号经第一、第二加热驱动电路，调节第一、第二加热装置的加热温度；所述预处理电路接收第一路温度传感器检测的温度信号，经电感l2和电容c1滤波、运算放大器ar1跟随，进入三极管q6和q7组成的第一差值电路计算出与单片机输出的驱动信号对应的温度信号的温度偏差，其中单片机输出的驱动信号对应的温度信号由单片机输出的驱动信号加到带隙基准电压源上产生，具体的带隙基准电压源由三极管q1、q2、q3、电阻r1和r2、场效应管t1漏源间电阻、电感l1构成，单片机输出的驱动信号改变场效应管t1漏源间电阻的阻值，进而改变带隙基准电压源也即三极管q3集电极输出的基准电压的大小，接收第二路温度传感器检测的温度信号，经电感l3和电容c3滤波、运算放大器ar2跟随，
进入三极管q8和q9组成的第二差值电路计算出与单片机输出的驱动信号对应的温度信号的温度偏差， 两路均有温度偏差时，晶闸管vt1和vt2预先导通，基准电压为三极管q10和q11、电阻r6-电阻r8组成的第三差值电路提供电源，基准电压使得开关u1和u2动作，温度偏差不向单片机传输，而是加到三极管q10、q11的基极，由第三差值电路计算出差值，由差值的大小判读温度的均匀度，差值小或任一路有温度偏差时，晶闸管vt1或vt2不导通、晶闸管vt1和vt2导通而光电耦合器op1导通时，由单片机根据温度偏差进行加热补偿控制，并可驱动配置的高温风机对流循环，使得温度快速达到所需均匀温度，两路均有温度偏差、差值大且为正时，两路均有温度偏差、差值大且为正时，继电器k1得电、触点动作，单片机输出的驱动信号并与满驱动信号经运算放大器ar3比较电路比较，小于满驱动信号时，三极管q5导通，经转换为绝对值的差值（具体由运算放大器ar5、二极管d1和d2、电阻r4和r5组成绝对值电路将转换为绝对值，也即将正或负的差值转换为正差值）与驱动信号叠加经触点k1-4驱动第二路加热驱动电路，以调高第二路加热装置的加热温度，接近或等于满驱动信号时，三极管q4导通，经转换为绝对值的差值与驱动信号相减经触点k1-2驱动第一路加热驱动电路，以调低第一路加热装置的加热温度，差值大且为负时，继电器不得电、触点不动作，单片机驱动信号并与满驱动信号经比较电路比较，小于满驱动信号时，三极管q5导通经转换为绝对值的差值与驱动信号叠加经触点k1-3驱动第一路加热驱动电路，以调节第一路加热装置的加热温度，接近或等于满驱动信号时，三极管q4导通，经转换为绝对值的差值与驱动信号相减经触点k1-1驱动第二路加热驱动电路，以调低第二路加热装置的加热温度，以此进行加热控制，能快速达到均匀，提高实验结果的精度；所述预处理电路包括电感l2、电感l3，电感l2的一端连接第一路温度传感器检测的温度信号，电感l2的另一端分别连接接地电容c1的一端、运算放大器ar1的反相输入端，运算放大器ar1的同相输入端和输出端连接三极管q6的基极，三极管q6的集电极连接三极管q7的基极，三极管q7的发射极分别连接双向二极管sd2的一端、双向晶闸管vt1的控制极，双向二极管sd2的另一端连接开关u1的公共端，开关u1的常闭触点连接单片机，开关u1的常开触点连接三极管q10的基极，三极管q10的发射极分别连接三极管q11的发射极、电阻r8的一端，电阻r8的另一端连接电源-12v，电感l3的一端连接第二路温度传感器检测的温度信号，电感l3的另一端分别连接接地电容c3的一端、运算放大器ar2的反相输入端，运算放大器ar2的同相输入端和输出端连接三极管q8的基极，三极管q8的集电极连接三极管q9的基极，三极管q9的发射极分别连接双向二极管sd1的一端、双向晶闸管vt2的控制极，双向二极管sd1的另一端连接开关u2的公共端，开关u2的常闭触点连接单片机，开关u2的常开触点连接三极管q11的基极，三极管q10的集电极连接电阻r6的一端，电阻r6的另一端分别连接电阻r7的一端、双向晶闸管vt2的第一基极、光电耦合器op1的引脚4、开关u1的触发端、开关u2的触发端，光电耦合器op1的引脚3连接地，电阻r7的另一端分别连接双向二极管sd3的一端、光电耦合器op1的引脚2，光电耦合器op1的引脚1连接电源+1v，双向二极管sd3的另一端通过电阻r9分别连接二极管d1的负极、二极管d2的正极、二极管d7的正极、双向晶闸管vt3的控制极，二极管d7的负极连接三极管q12的基极，三极管q12的发射极连接地，三极管q12的集电极分别连接继电器k1线圈的一端、二极管d8的正极，继电器k1线圈的另一端、二极管d8的负极连接双向晶闸管vt3的第二基极，双向晶闸管vt3的第一基极连接电源+12v，双向晶闸管vt2的第二基极连接双向晶闸管vt1的第一基极，双向晶闸管vt1的第二基极分别连
接三极管q6的发射极、三极管q7的集电极、三极管q8的发射极、三极管q9的集电极、电阻r10的一端，电阻r10的另一端分别连接电阻r1的一端、场效应管t1的漏极、三极管q3的集电极、电感l1的一端，电感l1的另一端连接电源+12v，电阻r1的另一端分别连接三极管q1的集电极和基极、三极管q2的基极，三极管q1的发射极连接地，三极管q2的发射极通过电阻r2连接地，三极管q2的集电极分别连接场效应管t1的源极、三极管q3的基极，三极管q3的发射极连接地，场效应管t1的栅极、电感l4的一端连接单片机输出的驱动信号，电感l4的另一端分别连接运算放大器ar3的反相输入端、电阻r11的一端、运算放大器ar4的同相输入端、电阻r10的一端，运算放大器ar3的同相输入端和接地电容c2的一端连接单片机满驱动信号，运算放大器ar3的输出端分别连接电阻r11的另一端、电阻r12的一端，电阻r12的另一端分别连接三极管q4的基极、三极管q5的基极，三极管q4的发射极分别连接三极管q5的集电极、电阻r3的一端、电阻r4的一端、运算放大器ar5的输出端，运算放大器ar5的同相输入端分别连接二极管d1的正极、电阻r4的另一端，运算放大器ar5的反相输入端分别连接二极管d2的负极、接地电阻r5的一端，三极管q5的发射极分别连接电阻r3的另一端、电感l4的另一端、触点k1-4的一端、触点k1-3的一端，触点k1-4的另一端连接二极管d6的正极，二极管d6的负极输出信号作为第二路加热器驱动信号，触点k1-3的另一端连接二极管d5的正极，二极管d5的负极输出信号作为第一路加热器驱动信号，三极管q4的集电极连接运算放大器ar4的反相输入端，运算放大器ar4的输出端分别连接电阻r10的另一端、触点k1-1的一端、触点k1-2的一端，触点k1-1的另一端连接二极管d3的正极，二极管d3的负极输出信号作为第二路加热器驱动信号，触点k1-2的另一端连接二极管d4的正极，二极管d4的负极输出信号作为第一路加热器驱动信号。
10.本发明具体使用时，配置在第一、第二加热装置处的第一路、第二路温度传感器检测的温度信号与单片机输出的驱动信号经预处理电路处理后，输出补偿后的驱动信号经第一、第二加热驱动电路，调节第一、第二加热装置的加热温度；所述预处理电路接收第一路温度传感器检测的温度信号，经滤波、跟随，进入第一差值电路计算出与单片机输出的驱动信号对应的温度信号的温度偏差，接收第二路温度传感器检测的温度信号，经滤波、跟随，进入第二差值电路计算出与单片机输出的驱动信号对应的温度信号的温度偏差， 两路均有温度偏差时，晶闸管vt1和vt2预先导通，基准电压为第三差值电路提供电源，基准电压使得开关u1和u2动作，温度偏差不向单片机传输，而是加到三极管q10、q11的基极，由第三差值电路计算出差值，由差值的大小判读温度的均匀度，差值小或任一路有温度偏差时，晶闸管vt1或vt2不导通、晶闸管vt1和vt2导通而光电耦合器op1导通时，由单片机根据温度偏差进行加热补偿控制，并可驱动配置的高温风机对流循环，使得温度快速达到所需均匀温度，两路均有温度偏差、差值大且为正时，两路均有温度偏差、差值大且为正时，继电器k1得电、触点动作，单片机输出的驱动信号并与满驱动信号经运算放大器ar3比较电路比较，小于满驱动信号时，三极管q5导通，经转换为绝对值的差值与驱动信号叠加经触点k1-4驱动第二路加热驱动电路，以调高第二路加热装置的加热温度，接近或等于满驱动信号时，三极管q4导通，经转换为绝对值的差值与驱动信号相减经触点k1-2驱动第一路加热驱动电路，以调低第一路加热装置的加热温度，差值大且为负时，继电器不得电、触点不动作，单片机驱动信号并与满驱动信号经比较电路比较，小于满驱动信号时，三极管q5导通经转换为绝对值的差值与驱动信号叠加经触点k1-3驱动第一路加热驱
动电路，以调节第一路加热装置的加热温度，接近或等于满驱动信号时，三极管q4导通，经转换为绝对值的差值与驱动信号相减经触点k1-1驱动第二路加热驱动电路，以调低第二路加热装置的加热温度，以此进行加热控制，能快速达到均匀，提高实验结果的精度。

技术特征：
1.基于单片机的疲劳实验用温度模拟装置，包括单片机、加热驱动电路、加热装置、温度传感器，所述单片机根据温度模拟所需温度、温度传感器检测实际温度，输出驱动信号到加热驱动电路，加热驱动电路驱动加热装置进行温度控制，其特征在于，所述温度传感器包括第一路、第二路温度传感器，加热驱动电路包括第一、第二加热驱动电路，加热装置包括第一、第二加热装置，第一路、第二路温度传感器检测的温度信号与单片机输出的驱动信号经预处理电路处理后，输出补偿后的驱动信号经第一、第二加热驱动电路，调节第一、第二加热装置的加热温度；所述预处理电路接收第一路、第二路温度传感器检测的温度信号，首先分别经第一、第二差值电路计算出与单片机输出的驱动信号对应的温度信号的温度偏差，两路均有温度偏差时，经第三差值电路计算出差值，由差值的大小判读温度的均匀度，差值大且为正时，继电器得电、触点动作，单片机驱动信号并与满驱动信号经比较电路比较，小于满驱动信号时，三极管q5导通，经转换为绝对值的差值与驱动信号叠加经触点k1-4驱动第二路加热驱动电路，以调高第二路加热装置的加热温度，接近或等于满驱动信号时，三极管q4导通，经转换为绝对值的差值与驱动信号相减经触点k1-2驱动第一路加热驱动电路，以调低第一路加热装置的加热温度，差值大且为负时，继电器不得电、触点不动作，单片机驱动信号并与满驱动信号经比较电路比较，小于满驱动信号时，三极管q5导通经转换为绝对值的差值与驱动信号叠加经触点k1-3驱动第一路加热驱动电路，以调节第一路加热装置的加热温度，接近或等于满驱动信号时，三极管q4导通，经转换为绝对值的差值与驱动信号相减经触点k1-1驱动第二路加热驱动电路，以调低第二路加热装置的加热温度。2.如权利要求1所述的基于单片机的疲劳实验用温度模拟装置，其特征在于，所述预处理电路包括电感l2、电感l3，电感l2的一端连接第一路温度传感器检测的温度信号，电感l2的另一端分别连接接地电容c1的一端、运算放大器ar1的反相输入端，运算放大器ar1的同相输入端和输出端连接三极管q6的基极，三极管q6的集电极连接三极管q7的基极，三极管q7的发射极分别连接双向二极管sd2的一端、双向晶闸管vt1的控制极，双向二极管sd2的另一端连接开关u1的公共端，开关u1的常闭触点连接单片机，开关u1的常开触点连接三极管q10的基极，三极管q10的发射极分别连接三极管q11的发射极、电阻r8的一端，电阻r8的另一端连接电源-12v，电感l3的一端连接第二路温度传感器检测的温度信号，电感l3的另一端分别连接接地电容c3的一端、运算放大器ar2的反相输入端，运算放大器ar2的同相输入端和输出端连接三极管q8的基极，三极管q8的集电极连接三极管q9的基极，三极管q9的发射极分别连接双向二极管sd1的一端、双向晶闸管vt2的控制极，双向二极管sd1的另一端连接开关u2的公共端，开关u2的常闭触点连接单片机，开关u2的常开触点连接三极管q11的基极，三极管q10的集电极连接电阻r6的一端，电阻r6的另一端分别连接电阻r7的一端、双向晶闸管vt2的第一基极、光电耦合器op1的引脚4、开关u1的触发端、开关u2的触发端，光电耦合器op1的引脚3连接地，电阻r7的另一端分别连接双向二极管sd3的一端、光电耦合器op1的引脚2，光电耦合器op1的引脚1连接电源+1v，双向二极管sd3的另一端通过电阻r9分别连接二极管d1的负极、二极管d2的正极、二极管d7的正极、双向晶闸管vt3的控制极，二极管d7的负极连接三极管q12的基极，三极管q12的发射极连接地，三极管q12的集电极分别连接继电器k1线圈的一端、二极管d8的正极，继电器k1线圈的另一端、二极管d8的负极连接双向晶闸管vt3的第二基极，双向晶闸管vt3的第一基极连接电源+12v，双向晶闸管vt2的第二基极
连接双向晶闸管vt1的第一基极，双向晶闸管vt1的第二基极分别连接三极管q6的发射极、三极管q7的集电极、三极管q8的发射极、三极管q9的集电极、电阻r10的一端，电阻r10的另一端分别连接电阻r1的一端、场效应管t1的漏极、三极管q3的集电极、电感l1的一端，电感l1的另一端连接电源+12v，电阻r1的另一端分别连接三极管q1的集电极和基极、三极管q2的基极，三极管q1的发射极连接地，三极管q2的发射极通过电阻r2连接地，三极管q2的集电极分别连接场效应管t1的源极、三极管q3的基极，三极管q3的发射极连接地，场效应管t1的栅极、电感l4的一端连接单片机输出的驱动信号，电感l4的另一端分别连接运算放大器ar3的反相输入端、电阻r11的一端、运算放大器ar4的同相输入端、电阻r10的一端，运算放大器ar3的同相输入端和接地电容c2的一端连接单片机满驱动信号，运算放大器ar3的输出端分别连接电阻r11的另一端、电阻r12的一端，电阻r12的另一端分别连接三极管q4的基极、三极管q5的基极，三极管q4的发射极分别连接三极管q5的集电极、电阻r3的一端、电阻r4的一端、运算放大器ar5的输出端，运算放大器ar5的同相输入端分别连接二极管d1的正极、电阻r4的另一端，运算放大器ar5的反相输入端分别连接二极管d2的负极、接地电阻r5的一端，三极管q5的发射极分别连接电阻r3的另一端、电感l4的另一端、触点k1-4的一端、触点k1-3的一端，触点k1-4的另一端连接二极管d6的正极，二极管d6的负极输出信号作为第二路加热器驱动信号，触点k1-3的另一端连接二极管d5的正极，二极管d5的负极输出信号作为第一路加热器驱动信号，三极管q4的集电极连接运算放大器ar4的反相输入端，运算放大器ar4的输出端分别连接电阻r10的另一端、触点k1-1的一端、触点k1-2的一端，触点k1-1的另一端连接二极管d3的正极，二极管d3的负极输出信号作为第二路加热器驱动信号，触点k1-2的另一端连接二极管d4的正极，二极管d4的负极输出信号作为第一路加热器驱动信号。3.如权利要求1所述的基于单片机的疲劳实验用温度模拟装置，其特征在于，所述第一、第二加热装置为加热炉内上、下设置的电阻丝。

技术总结
本发明基于单片机的疲劳实验用温度模拟装置，接收第一路、第二路温度传感器检测的温度信号，经第一、第二差值电路计算出与单片机输出的驱动信号对应的温度信号的温度偏差，两路均有温度偏差时，经第三差值电路计算出差值，由差值的大小判读温度的均匀度，差值小或任一路有温度偏差时，由单片机根据温度偏差进行加热补偿控制，两路均有温度偏差、差值大且为正时，继电器得电、触点动作，单片机驱动信号并与满驱动信号经比较电路比较，小于/接近或等于满驱动信号时，经转换为绝对值的差值与驱动信号叠加/相减经触点K1-4/K1-2驱动第二/一路加热驱动电路，否则经叠加/相减经触点K1-3/K1-1驱动第一/二路加热驱动电路，以此进行加热控制。热控制。热控制。


技术研发人员：程艺苑 苏明阳 赵庆怀 王爱华 刘伟
受保护的技术使用者：南阳师范学院
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/10/11