恒溫培養(yǎng)箱智能溫控器的研制

  目前我國舊冰箱已進(jìn)入了一個(gè)報(bào)廢高峰期。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國電冰箱年均報(bào)廢４００萬臺(tái)，大量廢舊冰箱的處理問題已成為當(dāng)今地球環(huán)境保護(hù)的熱點(diǎn)問題。我校近幾年冰箱報(bào)廢的主要原因是制冷系統(tǒng)損壞，其箱體完好。許多實(shí)驗(yàn)室需要恒溫培養(yǎng)箱進(jìn)行種子的發(fā)芽、組織細(xì)胞、微生物的培養(yǎng)等恒溫實(shí)驗(yàn)。把廢舊冰箱改造成恒溫培養(yǎng)箱具有極其重要的實(shí)際意義。實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員有責(zé)任對廢舊冰箱進(jìn)行合理利用。對廢舊冰箱進(jìn)行改造再利用是一種創(chuàng)新過程，需要利用高新技術(shù)并在技術(shù)性能等方面能達(dá)到甚至超過新品。在報(bào)廢冰箱改造為恒溫培養(yǎng)箱（簡稱恒溫箱）的實(shí)踐中，我利用單片機(jī)，通過精心優(yōu)化編程、巧妙設(shè)計(jì)電路，合理地利用單片機(jī)的軟硬件資源，解決了許多技術(shù)難題，研制了升降溫雙重控溫功能的智能高精度溫控器，并成功地應(yīng)用于恒溫培養(yǎng)箱中，使其技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到或超過了目前市場上恒溫培養(yǎng)箱的要求。1、控溫范圍：5-40℃   2、溫度波動(dòng)：±0.2℃ 
報(bào)廢冰箱改造為恒溫培養(yǎng)箱，首先將冰箱的制冷系統(tǒng)拆除，拆除過程中注意保護(hù)好箱體，然后將溫控器、風(fēng)扇安裝在適當(dāng)位置即可。恒溫培養(yǎng)箱既需要升溫也需要降溫，而目前市場上銷售的溫控器只具有升溫或降溫單一控制功能，控溫精度低，不能滿足恒溫培養(yǎng)箱對控溫的要求。研制一種升溫與降溫控制功能于一體且具有較高控溫精度的溫控器是報(bào)廢冰箱改造的關(guān)鍵技術(shù)。下面介紹自行研制的恒溫培養(yǎng)箱溫度控制器（簡稱溫控器）的工作原理。
1  工作原理
  溫控器以8031單片機(jī)為核心器件，利用電接點(diǎn)水銀溫度計(jì)進(jìn)行溫度設(shè)置，通過對電接點(diǎn)水銀溫度計(jì)接通、斷開周期的調(diào)控實(shí)現(xiàn)對恒溫培養(yǎng)箱溫度的控制。單片機(jī)對電接點(diǎn)水銀溫度計(jì)的通、斷狀態(tài)檢測后，自動(dòng)識(shí)別出升溫或降溫。當(dāng)需要升溫時(shí)，采用電熱板加熱，單片機(jī)調(diào)控和雙向可控硅調(diào)功方式；當(dāng)需要降溫時(shí)，采用半導(dǎo)體制冷器降溫，單片機(jī)調(diào)控方式。控溫精度達(dá)到了較高水平。
  電路原理圖如圖1所示。該控制器主要由升、降溫自動(dòng)識(shí)別電路、升溫控制電路、降溫控制電路和溫度異常報(bào)警電路等組成。
1.1  升、降溫自動(dòng)識(shí)別電路
  當(dāng)需要升溫時(shí)，電接點(diǎn)水銀溫度計(jì)為斷開狀態(tài)（WDJ不導(dǎo)通），運(yùn)算放大器LM358（IC9B）的⑤腳為高電平，其⑥腳為R9與R11分壓后得到的2.5V固定電壓，此時(shí)⑤腳電位高于⑥腳電位，⑦腳輸出高電平。該高電平輸入到單片機(jī)IC1的12腳 。當(dāng)需要降溫時(shí)，根據(jù)上述分析，單片機(jī)IC1的12腳為低電平。單片機(jī)IC1（8301）上電復(fù)位初始化后，首先從12腳讀入數(shù)據(jù)，由上述分析可知，若12腳輸入的數(shù)據(jù)為“1”,則說明恒溫箱需要升溫，否則需要降溫。升溫時(shí)，單片機(jī)使P2端輸出高點(diǎn)平；降溫時(shí)，單片機(jī)使P2端輸出低電平。
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1.2   升溫控制電路
  由上述分析可知，當(dāng)需要升溫時(shí)，IC9B的⑦腳輸出高電平。該高電平使與非門IC10B（74LS10）的③腳為高電平。同時(shí)IC9B的⑦腳輸出的高電平經(jīng)過非門IC7B使與非門IC10C的⑨腳為低電平，此低電平將與非門IC10C關(guān)閉，降溫電路不能工作。當(dāng)單片機(jī)自動(dòng)識(shí)別出恒溫箱需要升溫時(shí)，將P2端置位（輸出高電平），P0端輸出占空比為1：1的方波，則IC10B的⑤腳為高電平，④腳為方波，其⑥腳輸出與⑤腳反相的方波，IC8得電工作，雙向可控硅SCR導(dǎo)通，電熱板開始對恒溫箱進(jìn)行供熱。此時(shí)雖然IC10C的9腳變?yōu)楦唠娖剑洌?1）腳仍為低電平，所以與非門IC10C保持關(guān)閉狀態(tài)，降溫電路仍不能工作
  當(dāng)恒溫箱的溫度達(dá)到設(shè)定的溫度值時(shí)，WDJ導(dǎo)通，此時(shí)IC9B的⑤腳電位低于⑥腳電位，⑦腳輸出低電平，與非門IC10B被關(guān)閉，其⑥腳輸出高電平，IC8停止工作，電熱板停止加熱。與此同時(shí)，IC9B的⑦腳輸出的低電平同時(shí)送到IC1的中斷控制輸入引腳  端，其下降沿引起IC1中斷，外部中斷服務(wù)程度使IC1的內(nèi)部定時(shí)器開始計(jì)數(shù)。
  電熱板停止加熱后，恒溫箱的溫度開始下降，經(jīng)過一段時(shí)間后，WDJ斷開，根據(jù)上述分析可知，電熱板又開始對控溫設(shè)備進(jìn)行加熱。當(dāng)加熱到設(shè)定溫度值時(shí)，WDJ導(dǎo)通，使IC9的⑦腳再一次輸出低電平。根據(jù)前面的分析可知，此低電平一方面使電熱板停止加熱；另一方面其下降沿又一次引起IC1中斷，外部中斷服務(wù)程序使IC1內(nèi)部定時(shí)器TO停止計(jì)數(shù)。并對WDJ的通、斷周期進(jìn)行分析判斷，根據(jù)不同情況置相應(yīng)的標(biāo)志位，然后中斷服務(wù)程序使IC1內(nèi)部定時(shí)器TO開始重新計(jì)數(shù)，并將本次WDJ的通、斷周期存儲(chǔ)起來，用來與下次通、斷周期相比較。IC1內(nèi)部定時(shí)器TO工作于方式2，當(dāng)?shù)臀挥?jì)時(shí)單元溢出時(shí)，將發(fā)出定時(shí)器TO中斷，定時(shí)器TO中斷服務(wù)程序完成由低位計(jì)時(shí)單元向高位計(jì)時(shí)單元的進(jìn)位，總之，定時(shí)器TO構(gòu)成了電子表式的計(jì)時(shí)器。主程序根據(jù)標(biāo)志位進(jìn)行計(jì)算處理，在基本周期（WDJ一次通、斷周期）內(nèi)按一定比例增大或減小P0端輸出方波的占空比，按此時(shí)間比輸出控溫脈沖。這樣在一定時(shí)間內(nèi)，改變了雙向可控硅SCR的導(dǎo)通周波數(shù)，從而控制了電熱板的功率?？刂扑惴ㄈ缦拢喝鬢DJ本次通、斷周期小于上次通斷時(shí)間周期，則在基本周期內(nèi)減小P10端輸出的高、低電平時(shí)間比，否則在基本周期內(nèi)增大P10端輸出高、低電平時(shí)間比，最后使得WDJ的通、斷周期最短。P0端按由此確定的占空比脈沖輸出控溫脈沖，恒溫箱散失的熱量與電熱板提供的熱量基本達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而使控制精度達(dá)到較高水平?？梢?，電熱板不僅受WDJ的控制，而且還受P0輸出脈沖的控制，其中WDJ用來控制是否對控溫設(shè)備加熱，P0輸出的脈沖用來控制雙向可控硅通、斷的時(shí)間比，從而控制電熱板功率的大小。
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1.3  降溫控制電路
由上述分析可知，當(dāng)需要降溫時(shí)，IC9B的⑦腳輸出低電平。該低電平經(jīng)過非門IC7B反相后使與非門IC10C（74LS10）的⑨腳為高電平。同時(shí)IC9B的⑦腳輸出的低電平使IC10B的③腳為低電平，此低電平將與非門IC10B關(guān)閉，升溫電路不能工作。單片機(jī)自動(dòng)識(shí)別出恒溫箱需要降溫時(shí)，將P2端復(fù)位（輸出低電平），P0端輸出占空比為1：1的方波，P2端輸出的低電平經(jīng)過IC7A反相后輸入到IC10C的（11）腳，使與非門IC10C的（8）腳輸出方波。三極管9013、大功率場效應(yīng)管Q1隨方波斷續(xù)工作，半導(dǎo)體制冷器得電工作，恒溫箱開始降溫。
  當(dāng)恒溫箱的溫度降到設(shè)定的溫度值時(shí)，WDJ斷開，由上述對升溫電路的分析可知，降溫電路停止工作。但由于此時(shí)恒溫箱仍處于降溫工作狀態(tài)，單片機(jī)的P2端為低電平，此低電平將與非門IC10B關(guān)閉。電熱板不能工作。半導(dǎo)體制冷器停止制冷后，恒溫箱的溫度開始上升，經(jīng)過一段時(shí)間后，WDJ導(dǎo)通，根據(jù)上述分析可知，半導(dǎo)體制冷器又開始對恒溫培養(yǎng)箱進(jìn)行降溫。以后的降溫控溫過程與升溫控溫過程相似，其不同點(diǎn)是降溫控溫電路用單片機(jī)P0端輸出的調(diào)整后的方波控制半導(dǎo)體制冷器的工作時(shí)間。最后恒溫箱從外界吸收的熱量與半導(dǎo)體制冷器從箱內(nèi)吸收的熱量基本達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從而使控制精度達(dá)到較高水平。
1.4  溫度異常報(bào)警電路
  控溫電路正常工作時(shí)，電接點(diǎn)水銀溫度計(jì)的通、斷周期一般為數(shù)十秒。若升、降溫控制電路發(fā)生故障，此周期必然發(fā)生異常。根據(jù)恒溫箱體積的大小設(shè)定周期的上限值（在計(jì)時(shí)程序中設(shè)定）。當(dāng)該周期超過上限值時(shí)，單片機(jī)的P3端輸出低電平，經(jīng)IC7F反相后使三極管Q2飽和導(dǎo)通，自帶音源微型直流音響器SP得電工作，發(fā)出報(bào)警聲。
2   軟件設(shè)計(jì)
  該控制軟件由主程序、外部中斷服務(wù)程序、內(nèi)部定時(shí)器中斷服務(wù)程序等三部分組成。各程序的流程圖如圖2所示。
3  可靠性設(shè)計(jì)
  該溫控器對電熱板和半導(dǎo)體制冷器這些升、降溫元件的控制采用可控硅和場效應(yīng)管等半導(dǎo)體器件，改變了用繼電器控溫的傳統(tǒng)做法，消除了繼電器觸點(diǎn)容易氧化而接觸不良易造成溫度失控的弊端。
  采用了MAX公司生產(chǎn)的微處理器監(jiān)控電路，當(dāng)程序跑飛后，在1.6s內(nèi)WDI端得不到脈沖信號(hào),WDO端輸出低電平,使IC10A的（12）腳輸出高電平,IC1被復(fù)位,有效地防止了程序跑飛后而造成溫度失控的現(xiàn)象。
程序設(shè)計(jì)中,在未使用的中斷入口處和程序存儲(chǔ)器的空白區(qū)的適當(dāng)?shù)胤郊尤肓塑浖菥?可有效地防止程序跑飛。
  升、降溫誤判的自動(dòng)糾正。當(dāng)單片機(jī)處于升溫狀態(tài)且剛剛達(dá)到預(yù)定溫度而停機(jī)，正好此時(shí)停電且又突然來電，此時(shí)單片機(jī)將重新啟動(dòng)并誤判恒溫箱應(yīng)處于降溫狀態(tài)。同理當(dāng)單片機(jī)處于降溫狀態(tài)時(shí)也有類似情況。單片機(jī)能夠?qū)Υ苏`判自動(dòng)進(jìn)行糾正。其做法是單片機(jī)復(fù)位后，根據(jù)檢測的升、降溫狀態(tài)自動(dòng)控制升、降溫設(shè)備工作。若數(shù)分鐘（根據(jù)箱體容積大小由軟件設(shè)定）內(nèi)電接點(diǎn)水銀溫度計(jì)的狀態(tài)未發(fā)生變化，則說明升、降溫判別有誤，單片機(jī)隨即改變P2端的電平，從而改變了升、降溫的狀態(tài)。
4   元件選擇
  MOC3042：該器件的輸入部分是一只砷化鎵發(fā)光二極管，輸出部分相當(dāng)于一個(gè)帶有過零檢測器的光敏開關(guān)。當(dāng)發(fā)光二極管通過5～15ｍＡ的正向電流時(shí)，發(fā)出紅外光，而輸出部分只有受到紅外光照射，并且輸出端電壓接近零時(shí)才導(dǎo)通。
  MAX705：該器件具有上電、掉電狀態(tài)下的復(fù)位和看門狗輸出功能。當(dāng)看門狗輸入端WDI維持高電平、低電平時(shí)間達(dá)1.6s時(shí)，其內(nèi)部WATCHDOG定時(shí)器則被清零。當(dāng)上電、掉電時(shí)，RESET端會(huì)輸出一個(gè)200ms低脈沖。
SP：SP為YMD-12015-05型自帶音源微型直流音響器。
WDJ：WDJ為電接點(diǎn)水銀溫度計(jì)，用來設(shè)置恒溫箱的控制溫度值。
SCR：雙向可控硅SCR可根據(jù)負(fù)載功率大小選擇額定電流，其耐壓應(yīng)大于600Ｖ。
Q1：Q1為IRF9Z30型大功率MOS管，使用時(shí)應(yīng)加散熱片。
電熱板：根據(jù)箱體大小選購適當(dāng)功率的電熱板。
半導(dǎo)體制冷器：選用洛陽市夏林電子電器廠生產(chǎn)的TECI-7103型半導(dǎo)體制冷器。該制冷器的最大溫差是67℃
5  結(jié)束語
  本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是研制了基于單片機(jī)的升溫與降溫雙重高精度控溫功能的智能溫控器。該溫控器自動(dòng)化程度高，控溫誤差小，可靠性好。將其應(yīng)用于由報(bào)廢冰箱改造的恒溫培養(yǎng)箱中，測試表明，控溫效果良好。