微型智能恒温箱设计

揭宇达，陈良，冯读金，蒋立君

（北京信息科技大学光电学院，北京 100192）

微型智能恒温箱设计

揭宇达，陈良，冯读金，蒋立君

（北京信息科技大学光电学院，北京 100192）

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。

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。

参考文献：

[1]潘林法，李桂秀，柴磊，陆毅轩，于波，徐海斌.小型高精度半导体制冷恒温控制器研究[D].浙江：湖州师范学院理学院，2013.

[2]李玉峰．MCS-51系列单片机原理与接口技术．北京：人民邮电出版社，2006.

[3]汪文，陈琳.单片机原理及应用[M].湖北:华中科技大学出版社，2007：36~68.

[4]李刚，汪岳峰等.基于热电制冷的高性能温控系统设计.中华测控网，2016，6.

[5]胡宴洳.模拟电子技术[M].北京:高等教育出版社，2008：60-104.

[6]康华光.电子技术基础数字部分[M].北京:高等教育出版社，2008：203-209.

[7]陈跃东.DS18B20集成温度数字传感器原理与应用.安徽:安徽机电学院学报,2012.

[8]徐江海.单片机实用教程[M].北京:机械工业出版社，2006：128-156.

[9]邹于丰.基于AT89C2051单片机的温控器系列[J].电子世界，2011，5：39.

[10]赵延军,张炎,张越.基于DS18B20温度传感器的数字温控器，2011.

揭宇达（1995-），本科生，研究方向为测控技术与仪器系

陈良（1995-），本科生，研究方向为测控技术与仪器系

冯读金（1993-），本科生，研究方向为测控技术与仪器系

蒋立君（1993-），本科生，研究方向为测控技术与仪器系

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

北京信息科技大学大学生科技创新计划项目