基于STC89C51單片機的自制保溫箱

林至成

【摘 要】保溫箱在如今生活中已經(jīng)得到廣泛應用，其便攜性與新穎性也越來越受到大眾的重視，論文設計了一種基于STC89C51單片機的保溫箱設計，旨在解決民用保溫箱價格偏高，不易攜帶的問題。該保溫箱通過繼電器作為溫度的主要控制元件，使用按鍵設置調節(jié)保溫箱上下限溫度，LCD顯示屏顯示當前溫度，并可自主設計外觀美化實現(xiàn)造價低廉且攜帶性強的保溫箱。該保溫箱主要用于家用鄰域，論文給出了系統(tǒng)硬件電路和軟件程序的設計，實現(xiàn)了可調節(jié)溫度的保溫箱設計。

【Abstract】 Incubator has been widely used in our life， its portability and novelty gets more and more attention from the public. In this paper， we design a incubator based on STC89C51 single chip microcomputer.The purpose is to solve the problem of high cost and difficult to carry.The electric relay is the main control components of temperature of incubator， it use the “settings” button to adjust temperature incubator upper and lower limits， the LCD display shows the current temperature， and can be independent design appearance ， it is a incubator with low cost and portability. The incubator is mainly used for household neighborhood. Paper provides the design of hardware circuit and software program ， realized the adjustable incubator design.

【關鍵詞】保溫箱；低成本；小體積；自主設計

【Keywords】incubator； inexpensive； small-sized； self-manufacturing

【中圖分類號】TP273.5 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）04-0171-04

1 引言

保溫箱的溫控系統(tǒng)不論是在科學研究領域，還是在與生活息息相關的工業(yè)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)領域以及日常生活中都得到廣泛應用。在研發(fā)科技成果時，特別是生物化學類別的項目，常常需要恒溫環(huán)境監(jiān)控變量，保溫箱的作用顯得相當重要，保溫箱的精度往往決定了科研項目的成敗。在工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)品的質量往往也在很大程度取決于對其進行的熱加工和冷加工處理，所以恒溫箱的精密度也相對嚴格。在醫(yī)藥領域更是常見，最廣為人知的就是藥品、疫苗與血液的冷凍保鮮儲藏，透析液與生理鹽水等的加溫等。對于農(nóng)業(yè)方面，農(nóng)業(yè)的溫室大棚就相當于一個大型的“恒溫箱”，依靠溫控系統(tǒng)對作物進行光合影響。由以上我們可以明顯看出保溫箱的重要作用。在我們日常的生活中，隨著生活節(jié)奏的加快，也越來越需要保溫箱提供更便捷的生活方式，我們的生活早已離不開保溫箱。

論文所述保溫箱選用繼電器作為溫度的主要控制元件，繼電器可以直接驅動2500W功率的負載，適用于家庭、小型工廠等小電量用電設備，應用方向十分廣泛。該產(chǎn)品采用蜂鳴器為電元器件的報警部件，LED燈指示相應的加熱或制冷工作運行。這種保溫箱的溫控系統(tǒng)構造簡單，造價低廉，可自定義性高，應用度高，且較為簡易可自我裝配并進行美化外觀設計。工作時，溫度若高于或低于設定溫度，蜂鳴器都將報警提醒，若溫度低于設定溫度下限，則加熱片開始加熱，達到設定溫度后停止加熱；若溫度高于設定溫度上限，則風扇開始工作，降溫到設定溫度后停止降溫，以此循環(huán)達到保溫的效果。

2 基于單片機的溫度控制系統(tǒng)簡述

該保溫箱使用溫度傳感器DS18B20闡述單片機的溫度控制系統(tǒng)的工作流程，流程框圖如圖1所示。

2.1 溫度控制系統(tǒng)的工作原理分析

當溫度控制系統(tǒng)開始工作時，溫度系數(shù)振蕩器開始工作，低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，當檢測到溫度過低，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器減到0，再用計數(shù)比較器將溫度逐步升高至控制指數(shù)范圍內，此時需要關閉計數(shù)門，之后再輸入系統(tǒng)預置的溫度控制指數(shù)，一旦溫度過高，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器的脈沖輸入，關閉計數(shù)門后對溫度進行相應的調節(jié)，直到溫度到達指定的指數(shù)內。從以上步驟可以看出，當計數(shù)門開啟時，DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器發(fā)出的時鐘脈沖后進行計數(shù)，以此往復進而完成溫度測量和控溫[1]。DS18B20 系統(tǒng)構成框圖如圖 2所示。

2.2 溫度控制系統(tǒng)的精度分析

為了提高效率減少耗能，不論是企業(yè)還是家用保溫箱都會采用合適的溫度控制系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)的有效性主要通過溫度控制系統(tǒng)的精度來實現(xiàn)，而控溫精度則需要提前預置的控制指數(shù)，當溫控環(huán)境溫度處于高溫狀態(tài)時能有效控制溫度，將溫度降低到預置的控制指數(shù)，同時憑借準確的控制算法來加快溫度控制系統(tǒng)的響應速度和控制精度的精密性。筆者設計的保溫箱精度為0.1℃，為了使保溫箱內的溫度控制更加準確，筆者采用了分布式溫度采集的方式來進行溫度的測量與數(shù)據(jù)采集，通過在保溫箱內安置多個不同角度的溫度采集點[2]，并將數(shù)據(jù)匯總經(jīng)過數(shù)據(jù)融合處理后才形成保溫箱內的最終測量溫度。采集到的溫度再送往上層的只能控制系統(tǒng)，由溫度控制單元進行加熱/冷卻的調節(jié)，最終使保溫箱將溫度控制在預期設定的范圍之內。

3 經(jīng)濟化與小體積設計原則

3.1 散熱器的選型

散熱器的選型對于整個恒溫箱設計是一個關鍵模塊，散熱器性能的好壞直接影響著溫控系統(tǒng)的工作性能，對溫度控制效果有著決定性的作用。散熱器根據(jù)其原理，可分為：利用空氣的散熱器、液態(tài)散熱器以及散熱管等不同的散熱器，如何選擇主要根據(jù)各個芯片主要的實際功率來決定。筆者本著低成本、能自主組裝、小體積便于攜帶的原則，設計的保溫箱在正常工作過程中選用的芯片功率不大，溫度變化量很小，因此僅需要給保溫箱加一個較小的溫度調節(jié)量，便可以達到預期的效果，所以筆者采用的是翅片式散熱片的散熱器，同時散熱片上層附加風扇來增強，通過空氣來達到散熱的效果。風扇在選型時，也需根據(jù)實物體積大小和所需的散熱量來選擇其排風量，筆者選擇的風扇為DC BRVSHLESS風扇，約排風量0.04m3/min。

3.2 加熱器的選擇

加熱器與散熱器相對應，所以和散熱器同樣是不可缺少、不可忽視的模塊。加熱器可根據(jù)形狀、材質、加熱介質分為多種加熱器，同樣處于低成本考慮，筆者選用了電加熱片來經(jīng)行組裝，若想要更好地發(fā)揮保溫箱的功能，使用效率更高可升級該裝置可選用電磁加熱。電加熱片是將電阻發(fā)熱絲纏繞在云母片上，實際是通過電阻加熱的方式加熱。電阻加熱屬于最原始的加熱方式，熱度僅會傳遞70%～80%，大量的熱能會流失在空氣中，但屬于最廉價且易使用的加熱方式；電磁加熱器工作時受熱物體被保溫層包裹，通過磁場透過保溫層直接加熱物體本身，所以熱效率幾乎熱能沒有流失，其熱效率超過95%以上，是所有加熱方式中最高效的[2]。

3.3 外觀的設計

筆者所制作保溫箱適用于家庭領域，傾向于廣大上班族人群，故以小體積為主要特點來設計外觀，筆者選用的萬用板規(guī)格為9×15，即整體裝置結構最大僅需20cm×10cm×5cm的空間即可，高度空間可由個人所需自行擴容，外用隔熱板等材料隔熱，大可做成中型車載保溫箱，小則可作為飯盒保溫器使用等。在外觀上也可自主設計出使用者喜愛的圖案使之更為美觀。

4 詳細硬件設計方案

4.1 系統(tǒng)整體設計方案與布局

鑒于采用盡可能使保溫箱體積小的方案，所以對電路板的器件布置提出了要求，部件的擺放應當盡可能密集，同時為了焊接時不雜亂無章，也應該大致整理出合理的器件分布方案，如圖3給出了重要器件的擺放位置。

4.2 控制器部分

控制器部分選用的是STC89C51單片機，該單片機價格便宜且功能強大，非常適合學習與開發(fā)實驗，其實際工作頻率主頻為12MHz，并且擁有17種功能，而其中就包含了溫度采集功能。芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元[3]，具有在系統(tǒng)可編程特性，配合PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內部，省去了購買通用編程器，而且速度更快[3]。

通過STC89C51的18b20采集環(huán)境溫度，并且與設定的溫度數(shù)值做比較，采集溫度大于所設定溫度上限時，控制蜂鳴器模塊發(fā)出警報，通過控制兩路繼電器來模擬環(huán)境升溫，以及風扇降溫，其所設定的溫度上下限通過I2C總線存儲于AT24C02 EEROM中，以實現(xiàn)掉電設置數(shù)據(jù)任保存功能，避免每次開機都需要設置溫度。其核心控制部分電路圖如圖4所示。

5 總結

論文介紹了保溫箱系統(tǒng)的基本工作原理，并經(jīng)過實際組裝，本設計全部的器件價格總額不超過一百元，體積最小成品比市場上的大部分保溫器體積小了50%以上，達到了最初的要求。高精度的保溫箱在科學和工業(yè)領域都得到了廣泛的應用，而家用保溫箱的便攜性尚未被開發(fā)完善，筆者用51單片機與傳統(tǒng)的制冷與加熱方式實現(xiàn)了低價便攜的保溫箱，基于保溫箱的開發(fā)研究有一定的工程價值。

【參考文獻】

【1】錢超，王福明.基于單片機的多功能電子萬年歷設計[J].世界電子元器件，2012（5）：54-58.

【2】廖陽明.基于半導體制冷的小型保溫箱設計[J].廣西民族大學學報（自然科學版），2013（1）：82-85.

【3】王鋒.基于STC89C51RC單片機的電子秤設計[J].電子世界，2016（6）：77-78.