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。
