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    微型智能恒温箱设计

    放大字体  缩小字体 发布日期:2021-11-01 10:28:12    浏览次数:55    评论:0
    导读

    摘要:研究以单片机为核心的微型温度器,来实现小型温箱的温度控制。微型温控器的核心元件是单片机、数字温度传感器DS18B20、TEC热电制冷片和液晶显示,其中数字温度传感器拥有非常好抗干扰能力,同时能把温度信号检测结果直接输出成数字温度信号,传送给单片机,使测温更方便。根据得到温度的变化信号,单片机控制热电制冷

    摘要:研究以单片机为核心的微型温度器,来实现小型温箱的温度控制。微型温控器的核心元件是单片机、数字温度传感器DS18B20、TEC热电制冷片和液晶显示,其中数字温度传感器拥有非常好抗干扰能力,同时能把温度信号检测结果直接输出成数字温度信号,传送给单片机,使测温更方便。根据得到温度的变化信号,单片机控制热电制冷片工作与停止从而达到控温的效果。电路设计完成后,为了对其性能进行测试,还需要设计一个小型的温箱,温箱的设计效果也影响到温控器的实际控温效果。当输入控制温度为15°时,温控器能将温度控制在14.9°到15.3°之间。

    关键词:微型温控器;单片机;热电制冷;数字温度传感器;温箱

    0 引言

    在各个领域,人们对环境控制的需要程度越来越高,温控器在农业生产,实验室研发都发挥着重要的作用。随着微型化的潮流,单片机技术也得到了更好的发展与应用。本次微型温控器的设计就是赶着微型化的潮流,利用单片机控制半导体热电制冷技术从而对小型温箱实现温度控制[1]

    微型温控器能够将温度信号转换为数字信号输入到单片机,又由单片机通过液晶显示屏输出方便人们的观测与调节。根据单片机内部输入的程序从而控制TEC热电制冷片制冷来完成对小型温箱的温度控制。主要内容包括恒温箱体、半导体热电制冷器、控温电路、温度检测的设计。本次电路设计部分主要分为温度检测电路、单片机电路、按键电路、复位电路、显示电路、TEC驱动电路等。

    1 系统硬件设计

    系统硬件是恒温箱最基础的部分,主要由单片机最小系统、显示电路、制冷电路、按键电路、测温电路等组成,如图1为系统硬件原理图。

    图1 系统硬件框图

    1.1 单片机最小系统

    单片机最小系统,顾名思义就是单片机正常工作所需要的最少所以器件所组成的系统,对于STC89C52单片机来说这个系统一般包括三部分(电源除外):单片机、晶振电路和复位电路。

    其中复位电路由按键和电容与电源相接,当按键按下时单片机的9引脚接收到高电平持续2uS就会执行单片机复位,复位的目的是将系统还原,解决受环境干扰引起的程序跑飞问题[2]

    晶振电路是晶体振荡器与电路相结合,为单片机提供稳定的时钟频率;并且晶振的频率越高,单片机的运行速度也就越快。

    1.2 显示电路

    如图2,是一个液晶显示器。本次采用的是SMC1602A LCM液晶显示,液晶的3脚接了2个电阻,这两个电阻串联分压。使液晶3脚采集到电压值,这电压值的大小很重要,与液晶显示的亮暗相关,如果电压协调不好将导致液晶没有显示。其中R10一般选取在200欧姆到1.5k欧姆之间,最后采用滑动变组器调试后只用2个电阻进行焊接。其他管脚DB0-DB7经过上拉电阻与单片机P00-p07口相连,6脚和4脚与单片机p26、p27连接,液晶的1、5脚接地,16脚接电源。经过单片机内部程序方可达到显示的目的[3]

    图2 液晶显示图

    本设计液晶1602A是将液晶屏幕分为上下两行,上边一行用于显示实时温度,下面一行用于显示温度的上下温度显示与调节。

    1.3 制冷电路

    如图3,是一个继电器内部电路,其中PNP型三极管9012高电平导通起到开关的作用,9012三极管经过1k电阻接到单片机上,其中电阻的作用是限流电阻。图中线圈与LED灯和2.2k电阻并联,LED的工作电压是3v,电阻在这里起到分压的作用。当线圈得电时线圈产生磁性将开关k2吸合使得接线处12接的TEC热电制冷片与电源接通,同时LED灯亮起表示K2开关已闭合。TEC热电制冷片与电源接通后一面制冷,一面发热。制冷面由小风扇将冷气传递到箱体内,热面由散热器模块进行散热。从而达到给箱体内制冷的目的[4-5]

    其中需注意的是,电流的正反会导致TEC热电制冷片的制冷面有关,如果反向输入电流,制冷面与制热面将交换。而且如果频繁交换的话会导致制冷片损坏。还有发热面发热温度非常高,如果没有良好的散热制冷片也会将自己烧坏。

    图3 制冷电路图

    1.4 电源电路

    本设计电源电路比较简单由一个DC电源接口和自锁开关组成。外部的电插入DC电源接口,然后经过自锁开关来给整个设计供电。其中自锁开关行如其名,当按下时按键不会自动弹起,保证了电源的持续输送。当需要关闭电源时只需再按一下开关就会弹起。

    1.5 按键电路

    按键电路由3个按键组成。每个按键都接了地,当按下去的时候单片机的I/O口就会接受到低电平。然后程序检测到的低电平,执行相应的控制。K2为温控键,K3为减1键,K4为加1键。

    常见对单片机按键设计有一个很需要注意的设计,就是给按键去抖。这个抖动是按键的机械问题,当按键在未完全按下的过程中会产生电平不稳定的正常现象,这种现象并非人为可控的,其属于机械误差。它的抖动持续时间为10到200毫秒之间,单片机时钟是微秒控制的,所以可用单片机来进行按键去抖操作。本次设计选择了软件去抖动,具体操作是查寻到按键接收低电平时执行延时10到200毫秒这样避开抖动,当延时结束后再对I/O口进行读值,这时候的值如果为1表示低电平的时间不到10至200毫秒,可将其认为干扰信号。当读到的值是0时就表明有按键按下,这时调用相应的程序进行处理[6]

    1.6 测温电路

    测温电路采用数字温度传感器DS18B20,它的2脚是数据输出,1脚接地,3脚接电源。2脚接了一个10k的电阻接到电源上。电阻作为上拉电阻。实际设计时是将电阻焊接在电路板上,而温度传感器用长导线接出至于箱体内,用于温度的采集[7]

    2 系统软件设计

    本设计要求将温度控制在15度左右,开机的时候温度高于目的温度的,设计时设置了温度上限和温度下限,并且可调节。开机后,温箱内的实时温度显示在液晶屏上,温度高于温度上限,程序中使单片机输出高电通过继电器打开TEC热电制冷片开始制冷。当温度降到要求的范围内时,输出低电平关闭制冷。温箱内温度缓慢上升,当温度高于温度上限时,单片机再次输出高电平,开始制冷使得温箱内温度维持在15度左右,如此循环,总软件流程图如图4,程序部分大致有按键部分、温度传感器部分、液晶显示部分等。

    图4 系统流程框图

    在控温的整体过程中需要先进行温度实时检测,根据所检测到的温度是否超出目标温度范围执行相应的程序。根据检测结果确定控温器此刻应运行方式,如检测出温度高于温度上限,温控器直接转入制冷过程持续制冷。当温度达到目标范围内停止制冷。其中读取温度程序、液晶显示程序、按键程序都是在无线循环执行的。

    按键程序部分:硬件设计用3个按键进行温度操作,由按键扫描子程序KEYS子程序提供软件支持。当按下一次设置键K2时,系统检测温度上限设置,这时按下“加一”键K3,温度上限值加一,按下“减一”键K4,温度下线值减一。如果再按一次设置键K2时,系统检测温度下限设置,这时按下“加一”键K3,温度下限加一,按下“减一”键K4,温度下限减一。下限温度值TL和上限温度值TH的设置范围为0-99摄氏度,可以满足一般使用要求。再按一次设置键K2退出上下限温度设置状态,进入循环控温程序[8-9]

    DS18B20程序:先对DS18B20初始化,初始化部分与1820使用说明上相同。然后预先设定度一个字节的程序和写一个字节的程序,然后调用之前的读写字节程序开始读温度,先取高8位,将高8位左移8位,再取低8位,将高低8位与低8位放在一起为16位2个字节的温度值。然后将温度值除去温漂误差。通过单片机送到显示程序,进行显示操作[10]

    液晶显示程序:首先写入液晶指令函数,写入液晶数据函数,然后液晶初始化。液晶屏幕显示分为上下2行。将测温程序输送的温度值分别放在相应的位置上,填在预先设置好的显示中:"Now Tem:.C";"TH:C TL:C"。

    3 恒温箱体设计

    只有性能良好、结构设计合理的恒温箱与控制电路紧密配合,才能获得高的温度稳定度,从而保证频率稳定度。恒温箱的结构需符合:密封性能好;保温层导热系数小;根据使用要求,选择刚度大、保温性能好的材料。壳体采用不锈钢来制作,隔热层采用聚氨酯泡沫塑料组成,聚氨酯泡沫塑料具有容重强度高、质轻、使用寿命长、导热系数低、低温或高温尺寸稳定性好的特点,因此采用聚氨酯泡沫塑料做隔热层是很好的选择。

    箱体内包含恒温控制所需的传感器和执行器,控制箱内包括温度探测信号放大电路、控制器及其外围电路、电源电路、控制信号输出放大电路、信号显示电路等;且在控制箱内完成恒温控制算法,如图5所示。

    图5 恒温箱结构概念图

    利用3D绘图软件ProE按实际所需对恒温箱进行3D建模,由于恒温箱需用于光纤传感器的实验,因此在箱门处有一出口供光纤传感器尾纤出入;而箱体顶部、后侧均有散热孔供散热片散热;箱体内部贴有聚氨酯泡沫,可大大提升恒温箱的保温效果;而各种硬件电路通过螺丝胶水等固定于控制箱内,整体结构如图6所示,安装图如图7所示。

    图6 恒温箱体骨架图

    图7 箱体组装实物图

    4 系统组装调试

    整个系统的硬件调试和软件调试是相关的,调试工作可以分为四步:

    首先是总体线路检查,根据原理图设计,仔细检查PCB板子焊好后各个部位是否齐全,并对每个元器件进行检查其型号、规格是否正确。

    然后是电源调试,如果之前总体线路检查没问题了,就要进行电源调试板子第一次通电测试时,如果电源部分存在故障,将会导致加电后元器件损坏等大的问题。

    再进行通电检查,在之前的调试没有问题的情况下,将整个板子与电源接通。检查单片机是否出错:加电后检查单片机插座上相关引脚的电位,仔细检测相应的输入输出电平是否正常与设计时是否相同。

    将箱体与电路、模块、电源组装后,同样设置目标温度为15摄氏度,进行最后的调试阶段,实验结果如图8所示。

    图8 调试图

    5 结语

    本文主要介绍了微型温控器的原理构思、绘制原理图、TEC热电制冷模块设计、温箱箱体的设计与制作、总体微型温控器PCB设计,单片机的程序设计实验调试过程以及数据采集等工作。分析了核心单片机ST89C52的各种特性和核心制冷装置TEC热电制冷片的特性,以及其使用注意事项。箱体和微型温控器,结合组装在一起运行。并达到了最初设计目的将箱体内温度控制在15摄氏度左右。


     
    (文/小编)
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