微型智能恒溫箱設計

揭宇達，陳良，馮讀金，蔣立君

（北京信息科技大學光電學院，北京 100192）

微型智能恒溫箱設計

揭宇達，陳良，馮讀金，蔣立君

（北京信息科技大學光電學院，北京 100192）

研究以單片機為核心的微型溫度器，來實現小型溫箱的溫度控制。微型溫控器的核心元件是單片機、數字溫度傳感器DS18B20、TEC熱電制冷片和液晶顯示，其中數字溫度傳感器擁有非常好抗干擾能力，同時能把溫度信號檢測結果直接輸出成數字溫度信號，傳送給單片機，使測溫更方便。根據得到溫度的變化信號，單片機控制熱電制冷片工作與停止從而達到控溫的效果。電路設計完成后，為了對其性能進行測試，還需要設計一個小型的溫箱，溫箱的設計效果也影響到溫控器的實際控溫效果。當輸入控制溫度為15°時，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；熱電制冷；數字溫度傳感器；溫箱

0 引言

在各個領域，人們對環境控制的需要程度越來越高，溫控器在農業生產，實驗室研發都發揮著重要的作用。隨著微型化的潮流，單片機技術也得到了更好的發展與應用。本次微型溫控器的設計就是趕著微型化的潮流，利用單片機控制半導體熱電制冷技術從而對小型溫箱實現溫度控制[1]。

微型溫控器能夠將溫度信號轉換為數字信號輸入到單片機，又由單片機通過液晶顯示屏輸出方便人們的觀測與調節。根據單片機內部輸入的程序從而控制TEC熱電制冷片制冷來完成對小型溫箱的溫度控制。主要內容包括恒溫箱體、半導體熱電制冷器、控溫電路、溫度檢測的設計。本次電路設計部分主要分為溫度檢測電路、單片機電路、按鍵電路、復位電路、顯示電路、TEC驅動電路等。

1 系統硬件設計

系統硬件是恒溫箱最基礎的部分，主要由單片機最小系統、顯示電路、制冷電路、按鍵電路、測溫電路等組成，如圖1為系統硬件原理圖。

圖1 系統硬件框圖

1.1 單片機最小系統

單片機最小系統，顧名思義就是單片機正常工作所需要的最少所以器件所組成的系統，對于STC89C52單片機來說這個系統一般包括三部分（電源除外）：單片機、晶振電路和復位電路。

其中復位電路由按鍵和電容與電源相接，當按鍵按下時單片機的9引腳接收到高電平持續2uS就會執行單片機復位，復位的目的是將系統還原，解決受環境干擾引起的程序跑飛問題[2]。

晶振電路是晶體振蕩器與電路相結合，為單片機提供穩定的時鐘頻率；并且晶振的頻率越高，單片機的運行速度也就越快。

1.2 顯示電路

如圖2，是一個液晶顯示器。本次采用的是SMC1602A LCM液晶顯示，液晶的3腳接了2個電阻，這兩個電阻串聯分壓。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，如果電壓協調不好將導致液晶沒有顯示。其中R10一般選取在200歐姆到1.5k歐姆之間，最后采用滑動變組器調試后只用2個電阻進行焊接。其他管腳DB0-DB7經過上拉電阻與單片機P00-p07口相連，6腳和4腳與單片機p26、p27連接，液晶的1、5腳接地，16腳接電源。經過單片機內部程序方可達到顯示的目的[3]。

圖2 液晶顯示圖

本設計液晶1602A是將液晶屏幕分為上下兩行，上邊一行用于顯示實時溫度，下面一行用于顯示溫度的上下溫度顯示與調節。

1.3 制冷電路

如圖3，是一個繼電器內部電路，其中PNP型三極管9012高電平導通起到開關的作用，9012三極管經過1k電阻接到單片機上，其中電阻的作用是限流電阻。圖中線圈與LED燈和2.2k電阻并聯，LED的工作電壓是3v，電阻在這里起到分壓的作用。當線圈得電時線圈產生磁性將開關k2吸合使得接線處12接的TEC熱電制冷片與電源接通，同時LED燈亮起表示K2開關已閉合。TEC熱電制冷片與電源接通后一面制冷，一面發熱。制冷面由小風扇將冷氣傳遞到箱體內，熱面由散熱器模塊進行散熱。從而達到給箱體內制冷的目的[4-5]。

其中需注意的是，電流的正反會導致TEC熱電制冷片的制冷面有關，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會導致制冷片損壞。還有發熱面發熱溫度非常高，如果沒有良好的散熱制冷片也會將自己燒壞。

圖3 制冷電路圖

1.4 電源電路

本設計電源電路比較簡單由一個DC電源接口和自鎖開關組成。外部的電插入DC電源接口，然后經過自鎖開關來給整個設計供電。其中自鎖開關行如其名，當按下時按鍵不會自動彈起，保證了電源的持續輸送。當需要關閉電源時只需再按一下開關就會彈起。

1.5 按鍵電路

按鍵電路由3個按鍵組成。每個按鍵都接了地，當按下去的時候單片機的I/O口就會接受到低電平。然后程序檢測到的低電平，執行相應的控制。K2為溫控鍵，K3為減1鍵，K4為加1鍵。

常見對單片機按鍵設計有一個很需要注意的設計，就是給按鍵去抖。這個抖動是按鍵的機械問題，當按鍵在未完全按下的過程中會產生電平不穩定的正常現象，這種現象并非人為可控的，其屬于機械誤差。它的抖動持續時間為10到200毫秒之間，單片機時鐘是微秒控制的，所以可用單片機來進行按鍵去抖操作。本次設計選擇了軟件去抖動，具體操作是查尋到按鍵接收低電平時執行延時10到200毫秒這樣避開抖動，當延時結束后再對I/O口進行讀值，這時候的值如果為1表示低電平的時間不到10至200毫秒，可將其認為干擾信號。當讀到的值是0時就表明有按鍵按下，這時調用相應的程序進行處理[6]。

1.6 測溫電路

測溫電路采用數字溫度傳感器DS18B20，它的2腳是數據輸出，1腳接地，3腳接電源。2腳接了一個10k的電阻接到電源上。電阻作為上拉電阻。實際設計時是將電阻焊接在電路板上，而溫度傳感器用長導線接出至于箱體內，用于溫度的采集[7]。

2 系統軟件設計

本設計要求將溫度控制在15度左右，開機的時候溫度高于目的溫度的，設計時設置了溫度上限和溫度下限，并且可調節。開機后，溫箱內的實時溫度顯示在液晶屏上，溫度高于溫度上限，程序中使單片機輸出高電通過繼電器打開TEC熱電制冷片開始制冷。當溫度降到要求的范圍內時，輸出低電平關閉制冷。溫箱內溫度緩慢上升，當溫度高于溫度上限時，單片機再次輸出高電平，開始制冷使得溫箱內溫度維持在15度左右，如此循環，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 系統流程框圖

在控溫的整體過程中需要先進行溫度實時檢測，根據所檢測到的溫度是否超出目標溫度范圍執行相應的程序。根據檢測結果確定控溫器此刻應運行方式，如檢測出溫度高于溫度上限，溫控器直接轉入制冷過程持續制冷。當溫度達到目標范圍內停止制冷。其中讀取溫度程序、液晶顯示程序、按鍵程序都是在無線循環執行的。

按鍵程序部分：硬件設計用3個按鍵進行溫度操作，由按鍵掃描子程序KEYS子程序提供軟件支持。當按下一次設置鍵K2時，系統檢測溫度上限設置，這時按下“加一”鍵K3，溫度上限值加一，按下“減一”鍵K4，溫度下線值減一。如果再按一次設置鍵K2時，系統檢測溫度下限設置，這時按下“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的設置范圍為0-99攝氏度，可以滿足一般使用要求。再按一次設置鍵K2退出上下限溫度設置狀態，進入循環控溫程序[8-9]。

DS18B20程序：先對DS18B20初始化，初始化部分與1820使用說明上相同。然后預先設定度一個字節的程序和寫一個字節的程序，然后調用之前的讀寫字節程序開始讀溫度，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個字節的溫度值。然后將溫度值除去溫漂誤差。通過單片機送到顯示程序，進行顯示操作[10]。

液晶顯示程序：首先寫入液晶指令函數，寫入液晶數據函數，然后液晶初始化。液晶屏幕顯示分為上下2行。將測溫程序輸送的溫度值分別放在相應的位置上，填在預先設置好的顯示中："Now Tem:.C";"TH:C TL:C"。

3 恒溫箱體設計

只有性能良好、結構設計合理的恒溫箱與控制電路緊密配合，才能獲得高的溫度穩定度，從而保證頻率穩定度。恒溫箱的結構需符合：密封性能好；保溫層導熱系數小；根據使用要求，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度高、質輕、使用壽命長、導熱系數低、低溫或高溫尺寸穩定性好的特點，因此采用聚氨酯泡沫塑料做隔熱層是很好的選擇。

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

圖5 恒溫箱結構概念圖

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

圖6 恒溫箱體骨架圖

圖7 箱體組裝實物圖

4 系統組裝調試

整個系統的硬件調試和軟件調試是相關的，調試工作可以分為四步：

首先是總體線路檢查，根據原理圖設計，仔細檢查PCB板子焊好后各個部位是否齊全，并對每個元器件進行檢查其型號、規格是否正確。

然后是電源調試，如果之前總體線路檢查沒問題了，就要進行電源調試板子第一次通電測試時，如果電源部分存在故障，將會導致加電后元器件損壞等大的問題。

再進行通電檢查，在之前的調試沒有問題的情況下，將整個板子與電源接通。檢查單片機是否出錯：加電后檢查單片機插座上相關引腳的電位，仔細檢測相應的輸入輸出電平是否正常與設計時是否相同。

將箱體與電路、模塊、電源組裝后，同樣設置目標溫度為15攝氏度，進行最后的調試階段，實驗結果如圖8所示。

圖8 調試圖

5 結語

本文主要介紹了微型溫控器的原理構思、繪制原理圖、TEC熱電制冷模塊設計、溫箱箱體的設計與制作、總體微型溫控器PCB設計，單片機的程序設計實驗調試過程以及數據采集等工作。分析了核心單片機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。箱體和微型溫控器，結合組裝在一起運行。并達到了最初設計目的將箱體內溫度控制在15攝氏度左右。

參考文獻：

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

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

[3]汪文，陳琳.單片機原理及應用[M].湖北:華中科技大學出版社，2007：36~68.

[4]李剛，汪岳峰等.基于熱電制冷的高性能溫控系統設計.中華測控網，2016，6.

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

[6]康華光.電子技術基礎數字部分[M].北京:高等教育出版社，2008：203-209.

[7]陳躍東.DS18B20集成溫度數字傳感器原理與應用.安徽:安徽機電學院學報,2012.

[8]徐江海.單片機實用教程[M].北京:機械工業出版社，2006：128-156.

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

[10]趙延軍,張炎,張越.基于DS18B20溫度傳感器的數字溫控器，2011.

揭宇達（1995-），本科生，研究方向為測控技術與儀器系

陳良（1995-），本科生，研究方向為測控技術與儀器系

馮讀金（1993-），本科生，研究方向為測控技術與儀器系

蔣立君（1993-），本科生，研究方向為測控技術與儀器系

Design of Micro Intelligent Constant Temperature Box

JIE Yu-da，CHEN Liang，FENG 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

北京信息科技大學大學生科技創新計劃項目