微型智能恒溫箱設(shè)計(jì)

揭宇達(dá)，陳良，馮讀金，蔣立君

（北京信息科技大學(xué)光電學(xué)院，北京 100192）

微型智能恒溫箱設(shè)計(jì)

揭宇達(dá)，陳良，馮讀金，蔣立君

（北京信息科技大學(xué)光電學(xué)院，北京 100192）

研究以單片機(jī)為核心的微型溫度器，來(lái)實(shí)現(xiàn)小型溫箱的溫度控制。微型溫控器的核心元件是單片機(jī)、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、TEC熱電制冷片和液晶顯示，其中數(shù)字溫度傳感器擁有非常好抗干擾能力，同時(shí)能把溫度信號(hào)檢測(cè)結(jié)果直接輸出成數(shù)字溫度信號(hào)，傳送給單片機(jī)，使測(cè)溫更方便。根據(jù)得到溫度的變化信號(hào)，單片機(jī)控制熱電制冷片工作與停止從而達(dá)到控溫的效果。電路設(shè)計(jì)完成后，為了對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)小型的溫箱，溫箱的設(shè)計(jì)效果也影響到溫控器的實(shí)際控溫效果。當(dāng)輸入控制溫度為15°時(shí)，溫控器能將溫度控制在14.9°到15.3°之間。

微型溫控器；單片機(jī)；熱電制冷；數(shù)字溫度傳感器；溫箱

0 引言

在各個(gè)領(lǐng)域，人們對(duì)環(huán)境控制的需要程度越來(lái)越高，溫控器在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實(shí)驗(yàn)室研發(fā)都發(fā)揮著重要的作用。隨著微型化的潮流，單片機(jī)技術(shù)也得到了更好的發(fā)展與應(yīng)用。本次微型溫控器的設(shè)計(jì)就是趕著微型化的潮流，利用單片機(jī)控制半導(dǎo)體熱電制冷技術(shù)從而對(duì)小型溫箱實(shí)現(xiàn)溫度控制[1]。

微型溫控器能夠?qū)囟刃盘?hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)，又由單片機(jī)通過(guò)液晶顯示屏輸出方便人們的觀測(cè)與調(diào)節(jié)。根據(jù)單片機(jī)內(nèi)部輸入的程序從而控制TEC熱電制冷片制冷來(lái)完成對(duì)小型溫箱的溫度控制。主要內(nèi)容包括恒溫箱體、半導(dǎo)體熱電制冷器、控溫電路、溫度檢測(cè)的設(shè)計(jì)。本次電路設(shè)計(jì)部分主要分為溫度檢測(cè)電路、單片機(jī)電路、按鍵電路、復(fù)位電路、顯示電路、TEC驅(qū)動(dòng)電路等。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件是恒溫箱最基礎(chǔ)的部分，主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示電路、制冷電路、按鍵電路、測(cè)溫電路等組成，如圖1為系統(tǒng)硬件原理圖。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)，顧名思義就是單片機(jī)正常工作所需要的最少所以器件所組成的系統(tǒng)，對(duì)于STC89C52單片機(jī)來(lái)說(shuō)這個(gè)系統(tǒng)一般包括三部分（電源除外）：?jiǎn)纹瑱C(jī)、晶振電路和復(fù)位電路。

其中復(fù)位電路由按鍵和電容與電源相接，當(dāng)按鍵按下時(shí)單片機(jī)的9引腳接收到高電平持續(xù)2uS就會(huì)執(zhí)行單片機(jī)復(fù)位，復(fù)位的目的是將系統(tǒng)還原，解決受環(huán)境干擾引起的程序跑飛問(wèn)題[2]。

晶振電路是晶體振蕩器與電路相結(jié)合，為單片機(jī)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率；并且晶振的頻率越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。

1.2 顯示電路

如圖2，是一個(gè)液晶顯示器。本次采用的是SMC1602A LCM液晶顯示，液晶的3腳接了2個(gè)電阻，這兩個(gè)電阻串聯(lián)分壓。使液晶3腳采集到電壓值，這電壓值的大小很重要，與液晶顯示的亮暗相關(guān)，如果電壓協(xié)調(diào)不好將導(dǎo)致液晶沒(méi)有顯示。其中R10一般選取在200歐姆到1.5k歐姆之間，最后采用滑動(dòng)變組器調(diào)試后只用2個(gè)電阻進(jìn)行焊接。其他管腳DB0-DB7經(jīng)過(guò)上拉電阻與單片機(jī)P00-p07口相連，6腳和4腳與單片機(jī)p26、p27連接，液晶的1、5腳接地，16腳接電源。經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部程序方可達(dá)到顯示的目的[3]。

圖2 液晶顯示圖

本設(shè)計(jì)液晶1602A是將液晶屏幕分為上下兩行，上邊一行用于顯示實(shí)時(shí)溫度，下面一行用于顯示溫度的上下溫度顯示與調(diào)節(jié)。

1.3 制冷電路

如圖3，是一個(gè)繼電器內(nèi)部電路，其中PNP型三極管9012高電平導(dǎo)通起到開(kāi)關(guān)的作用，9012三極管經(jīng)過(guò)1k電阻接到單片機(jī)上，其中電阻的作用是限流電阻。圖中線(xiàn)圈與LED燈和2.2k電阻并聯(lián)，LED的工作電壓是3v，電阻在這里起到分壓的作用。當(dāng)線(xiàn)圈得電時(shí)線(xiàn)圈產(chǎn)生磁性將開(kāi)關(guān)k2吸合使得接線(xiàn)處12接的TEC熱電制冷片與電源接通，同時(shí)LED燈亮起表示K2開(kāi)關(guān)已閉合。TEC熱電制冷片與電源接通后一面制冷，一面發(fā)熱。制冷面由小風(fēng)扇將冷氣傳遞到箱體內(nèi)，熱面由散熱器模塊進(jìn)行散熱。從而達(dá)到給箱體內(nèi)制冷的目的[4-5]。

其中需注意的是，電流的正反會(huì)導(dǎo)致TEC熱電制冷片的制冷面有關(guān)，如果反向輸入電流，制冷面與制熱面將交換。而且如果頻繁交換的話(huà)會(huì)導(dǎo)致制冷片損壞。還有發(fā)熱面發(fā)熱溫度非常高，如果沒(méi)有良好的散熱制冷片也會(huì)將自己燒壞。

圖3 制冷電路圖

1.4 電源電路

本設(shè)計(jì)電源電路比較簡(jiǎn)單由一個(gè)DC電源接口和自鎖開(kāi)關(guān)組成。外部的電插入DC電源接口，然后經(jīng)過(guò)自鎖開(kāi)關(guān)來(lái)給整個(gè)設(shè)計(jì)供電。其中自鎖開(kāi)關(guān)行如其名，當(dāng)按下時(shí)按鍵不會(huì)自動(dòng)彈起，保證了電源的持續(xù)輸送。當(dāng)需要關(guān)閉電源時(shí)只需再按一下開(kāi)關(guān)就會(huì)彈起。

1.5 按鍵電路

按鍵電路由3個(gè)按鍵組成。每個(gè)按鍵都接了地，當(dāng)按下去的時(shí)候單片機(jī)的I/O口就會(huì)接受到低電平。然后程序檢測(cè)到的低電平，執(zhí)行相應(yīng)的控制。K2為溫控鍵，K3為減1鍵，K4為加1鍵。

常見(jiàn)對(duì)單片機(jī)按鍵設(shè)計(jì)有一個(gè)很需要注意的設(shè)計(jì)，就是給按鍵去抖。這個(gè)抖動(dòng)是按鍵的機(jī)械問(wèn)題，當(dāng)按鍵在未完全按下的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電平不穩(wěn)定的正常現(xiàn)象，這種現(xiàn)象并非人為可控的，其屬于機(jī)械誤差。它的抖動(dòng)持續(xù)時(shí)間為10到200毫秒之間，單片機(jī)時(shí)鐘是微秒控制的，所以可用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行按鍵去抖操作。本次設(shè)計(jì)選擇了軟件去抖動(dòng)，具體操作是查尋到按鍵接收低電平時(shí)執(zhí)行延時(shí)10到200毫秒這樣避開(kāi)抖動(dòng)，當(dāng)延時(shí)結(jié)束后再對(duì)I/O口進(jìn)行讀值，這時(shí)候的值如果為1表示低電平的時(shí)間不到10至200毫秒，可將其認(rèn)為干擾信號(hào)。當(dāng)讀到的值是0時(shí)就表明有按鍵按下，這時(shí)調(diào)用相應(yīng)的程序進(jìn)行處理[6]。

1.6 測(cè)溫電路

測(cè)溫電路采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它的2腳是數(shù)據(jù)輸出，1腳接地，3腳接電源。2腳接了一個(gè)10k的電阻接到電源上。電阻作為上拉電阻。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)是將電阻焊接在電路板上，而溫度傳感器用長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)接出至于箱體內(nèi)，用于溫度的采集[7]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)要求將溫度控制在15度左右，開(kāi)機(jī)的時(shí)候溫度高于目的溫度的，設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了溫度上限和溫度下限，并且可調(diào)節(jié)。開(kāi)機(jī)后，溫箱內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度顯示在液晶屏上，溫度高于溫度上限，程序中使單片機(jī)輸出高電通過(guò)繼電器打開(kāi)TEC熱電制冷片開(kāi)始制冷。當(dāng)溫度降到要求的范圍內(nèi)時(shí)，輸出低電平關(guān)閉制冷。溫箱內(nèi)溫度緩慢上升，當(dāng)溫度高于溫度上限時(shí)，單片機(jī)再次輸出高電平，開(kāi)始制冷使得溫箱內(nèi)溫度維持在15度左右，如此循環(huán)，總軟件流程圖如圖4，程序部分大致有按鍵部分、溫度傳感器部分、液晶顯示部分等。

圖4 系統(tǒng)流程框圖

在控溫的整體過(guò)程中需要先進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)，根據(jù)所檢測(cè)到的溫度是否超出目標(biāo)溫度范圍執(zhí)行相應(yīng)的程序。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定控溫器此刻應(yīng)運(yùn)行方式，如檢測(cè)出溫度高于溫度上限，溫控器直接轉(zhuǎn)入制冷過(guò)程持續(xù)制冷。當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)范圍內(nèi)停止制冷。其中讀取溫度程序、液晶顯示程序、按鍵程序都是在無(wú)線(xiàn)循環(huán)執(zhí)行的。

按鍵程序部分：硬件設(shè)計(jì)用3個(gè)按鍵進(jìn)行溫度操作，由按鍵掃描子程序KEYS子程序提供軟件支持。當(dāng)按下一次設(shè)置鍵K2時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)溫度上限設(shè)置，這時(shí)按下“加一”鍵K3，溫度上限值加一，按下“減一”鍵K4，溫度下線(xiàn)值減一。如果再按一次設(shè)置鍵K2時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)溫度下限設(shè)置，這時(shí)按下“加一”鍵K3，溫度下限加一，按下“減一”鍵K4，溫度下限減一。下限溫度值TL和上限溫度值TH的設(shè)置范圍為0-99攝氏度，可以滿(mǎn)足一般使用要求。再按一次設(shè)置鍵K2退出上下限溫度設(shè)置狀態(tài)，進(jìn)入循環(huán)控溫程序[8-9]。

DS18B20程序：先對(duì)DS18B20初始化，初始化部分與1820使用說(shuō)明上相同。然后預(yù)先設(shè)定度一個(gè)字節(jié)的程序和寫(xiě)一個(gè)字節(jié)的程序，然后調(diào)用之前的讀寫(xiě)字節(jié)程序開(kāi)始讀溫度，先取高8位，將高8位左移8位，再取低8位，將高低8位與低8位放在一起為16位2個(gè)字節(jié)的溫度值。然后將溫度值除去溫漂誤差。通過(guò)單片機(jī)送到顯示程序，進(jìn)行顯示操作[10]。

液晶顯示程序：首先寫(xiě)入液晶指令函數(shù)，寫(xiě)入液晶數(shù)據(jù)函數(shù)，然后液晶初始化。液晶屏幕顯示分為上下2行。將測(cè)溫程序輸送的溫度值分別放在相應(yīng)的位置上，填在預(yù)先設(shè)置好的顯示中："Now Tem:.C";"TH:C TL:C"。

3 恒溫箱體設(shè)計(jì)

只有性能良好、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的恒溫箱與控制電路緊密配合，才能獲得高的溫度穩(wěn)定度，從而保證頻率穩(wěn)定度。恒溫箱的結(jié)構(gòu)需符合：密封性能好；保溫層導(dǎo)熱系數(shù)?。桓鶕?jù)使用要求，選擇剛度大、保溫性能好的材料。殼體采用不銹鋼來(lái)制作，隔熱層采用聚氨酯泡沫塑料組成，聚氨酯泡沫塑料具有容重強(qiáng)度高、質(zhì)輕、使用壽命長(zhǎng)、導(dǎo)熱系數(shù)低、低溫或高溫尺寸穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，因此采用聚氨酯泡沫塑料做隔熱層是很好的選擇。

箱體內(nèi)包含恒溫控制所需的傳感器和執(zhí)行器，控制箱內(nèi)包括溫度探測(cè)信號(hào)放大電路、控制器及其外圍電路、電源電路、控制信號(hào)輸出放大電路、信號(hào)顯示電路等；且在控制箱內(nèi)完成恒溫控制算法，如圖5所示。

圖5 恒溫箱結(jié)構(gòu)概念圖

利用3D繪圖軟件ProE按實(shí)際所需對(duì)恒溫箱進(jìn)行3D建模，由于恒溫箱需用于光纖傳感器的實(shí)驗(yàn)，因此在箱門(mén)處有一出口供光纖傳感器尾纖出入；而箱體頂部、后側(cè)均有散熱孔供散熱片散熱；箱體內(nèi)部貼有聚氨酯泡沫，可大大提升恒溫箱的保溫效果；而各種硬件電路通過(guò)螺絲膠水等固定于控制箱內(nèi)，整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，安裝圖如圖7所示。

圖6 恒溫箱體骨架圖

圖7 箱體組裝實(shí)物圖

4 系統(tǒng)組裝調(diào)試

整個(gè)系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是相關(guān)的，調(diào)試工作可以分為四步：

首先是總體線(xiàn)路檢查，根據(jù)原理圖設(shè)計(jì)，仔細(xì)檢查PCB板子焊好后各個(gè)部位是否齊全，并對(duì)每個(gè)元器件進(jìn)行檢查其型號(hào)、規(guī)格是否正確。

然后是電源調(diào)試，如果之前總體線(xiàn)路檢查沒(méi)問(wèn)題了，就要進(jìn)行電源調(diào)試板子第一次通電測(cè)試時(shí)，如果電源部分存在故障，將會(huì)導(dǎo)致加電后元器件損壞等大的問(wèn)題。

再進(jìn)行通電檢查，在之前的調(diào)試沒(méi)有問(wèn)題的情況下，將整個(gè)板子與電源接通。檢查單片機(jī)是否出錯(cuò)：加電后檢查單片機(jī)插座上相關(guān)引腳的電位，仔細(xì)檢測(cè)相應(yīng)的輸入輸出電平是否正常與設(shè)計(jì)時(shí)是否相同。

將箱體與電路、模塊、電源組裝后，同樣設(shè)置目標(biāo)溫度為15攝氏度，進(jìn)行最后的調(diào)試階段，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 調(diào)試圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了微型溫控器的原理構(gòu)思、繪制原理圖、TEC熱電制冷模塊設(shè)計(jì)、溫箱箱體的設(shè)計(jì)與制作、總體微型溫控器PCB設(shè)計(jì)，單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程以及數(shù)據(jù)采集等工作。分析了核心單片機(jī)ST89C52的各種特性和核心制冷裝置TEC熱電制冷片的特性，以及其使用注意事項(xiàng)。箱體和微型溫控器，結(jié)合組裝在一起運(yùn)行。并達(dá)到了最初設(shè)計(jì)目的將箱體內(nèi)溫度控制在15攝氏度左右。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘林法，李桂秀，柴磊，陸毅軒，于波，徐海斌.小型高精度半導(dǎo)體制冷恒溫控制器研究[D].浙江：湖州師范學(xué)院理學(xué)院，2013.

[2]李玉峰．MCS-51系列單片機(jī)原理與接口技術(shù)．北京：人民郵電出版社，2006.

[3]汪文，陳琳.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].湖北:華中科技大學(xué)出版社，2007：36~68.

[4]李剛，汪岳峰等.基于熱電制冷的高性能溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì).中華測(cè)控網(wǎng)，2016，6.

[5]胡宴洳.模擬電子技術(shù)[M].北京:高等教育出版社，2008：60-104.

[6]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分[M].北京:高等教育出版社，2008：203-209.

[7]陳躍東.DS18B20集成溫度數(shù)字傳感器原理與應(yīng)用.安徽:安徽機(jī)電學(xué)院學(xué)報(bào),2012.

[8]徐江海.單片機(jī)實(shí)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006：128-156.

[9]鄒于豐.基于AT89C2051單片機(jī)的溫控器系列[J].電子世界，2011，5：39.

[10]趙延軍,張炎,張?jiān)?基于DS18B20溫度傳感器的數(shù)字溫控器，2011.

揭宇達(dá)（1995-），本科生，研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與儀器系

陳良（1995-），本科生，研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與儀器系

馮讀金（1993-），本科生，研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與儀器系

蔣立君（1993-），本科生，研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與儀器系

Design of Micro Intelligent Constant Temperature Box

JIE Yu-da，CHEN Liang，F(xiàn)ENG Du-jin，JIANG Li-jun

（School of Instrument Science&Optoelectronic Engineering,Beijing Information Science&Technology University,Beijing 100192）

Takes the single-chip microcomputer as the core of the micro temperature controller,to achieve the temperature control of small temperature box.Micro controller is the core of the microcontroller,digital temperature sensor DS18B20,TEC thermoelectric refrigeration chip and liquid crystal display,digital temperature sensor has very good anti-interference ability,at the same time,the result of the temperature signal detection output directly into digital temperature signal,transmitted directly to the microcontroller to make measurement more convenient.According to the change of the temperature signal,the single-chip microcomputer controls the working and stopping of the thermoelectric refrigeration piece to achieve the effect of controlling the temperature.After the circuit design is completed,in order to test its performance,also need to design a small temperature box,the design effect of the temperature box also affect the temperature control of the actual temperature control effect.When the input control temperature is 15 degrees,the temperature controller can control the temperature between 14.9 degrees to 15.3 degrees.

Miniature Thermostat;Microcontroller;Thermoelectric Cooling;Digital Temperature Sensor;Thermostat.

1007-1423（2017）04-0064-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.04.014

2016-12-01

2016-01-20

北京信息科技大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目