恒温培养箱智能温控器的研制

  目前我国旧冰箱已进入了一个报废高峰期。 据统计，全国电冰箱年均报废４００万台，大量废旧冰箱的处理问题已成为当今地球环境保护的热点问题。我校近几年冰箱报废的主要原因是制冷系统损坏，其箱体完好。许多实验室需要恒温培养箱进行种子的发芽、组织细胞、微生物的培养等恒温实验。把废旧冰箱改造成恒温培养箱具有极其重要的实际意义。实验室技术人员有责任对废旧冰箱进行合理利用。对废旧冰箱进行改造再利用是一种创新过程，需要利用高新技术并在技术性能等方面能达到甚至超过新品。在报废冰箱改造为恒温培养箱（简称恒温箱）的实践中，我利用单片机，通过精心优化编程、巧妙设计电路，合理地利用单片机的软硬件资源，解决了许多技术难题，研制了升降温双重控温功能的智能高精度温控器，并成功地应用于恒温培养箱中，使其技术性能指标达到或超过了目前市场上恒温培养箱的要求。1、控温范围：5-40℃   2、温度波动：±0.2℃ 
报废冰箱改造为恒温培养箱，首先将冰箱的制冷系统拆除，拆除过程中注意保护好箱体，然后将温控器、风扇安装在适当位置即可。恒温培养箱既需要升温也需要降温，而目前市场上销售的温控器只具有升温或降温单一控制功能，控温精度低，不能满足恒温培养箱对控温的要求。研制一种升温与降温控制功能于一体且具有较高控温精度的温控器是报废冰箱改造的关键技术。下面介绍自行研制的恒温培养箱温度控制器（简称温控器）的工作原理。
1  工作原理
  温控器以8031单片机为核心器件，利用电接点水银温度计进行温度设置，通过对电接点水银温度计接通、断开周期的调控实现对恒温培养箱温度的控制。单片机对电接点水银温度计的通、断状态检测后，自动识别出升温或降温。当需要升温时，采用电热板加热，单片机调控和双向可控硅调功方式；当需要降温时，采用半导体制冷器降温，单片机调控方式。控温精度达到了较高水平。
  电路原理图如图1所示。该控制器主要由升、降温自动识别电路、升温控制电路、降温控制电路和温度异常报警电路等组成。
1.1  升、降温自动识别电路
  当需要升温时，电接点水银温度计为断开状态（WDJ不导通），运算放大器LM358（IC9B）的⑤脚为高电平，其⑥脚为R9与R11分压后得到的2.5V固定电压，此时⑤脚电位高于⑥脚电位，⑦脚输出高电平。该高电平输入到单片机IC1的12脚 。当需要降温时，根据上述分析，单片机IC1的12脚为低电平。单片机IC1（8301）上电复位初始化后，首先从12脚读入数据，由上述分析可知，若12脚输入的数据为“1”,则说明恒温箱需要升温，否则需要降温。升温时，单片机使P2端输出高点平；降温时，单片机使P2端输出低电平。
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1.2   升温控制电路
  由上述分析可知，当需要升温时，IC9B的⑦脚输出高电平。该高电平使与非门IC10B（74LS10）的③脚为高电平。同时IC9B的⑦脚输出的高电平经过非门IC7B使与非门IC10C的⑨脚为低电平，此低电平将与非门IC10C关闭，降温电路不能工作。当单片机自动识别出恒温箱需要升温时，将P2端置位（输出高电平），P0端输出占空比为1：1的方波，则IC10B的⑤脚为高电平，④脚为方波，其⑥脚输出与⑤脚反相的方波，IC8得电工作，双向可控硅SCR导通，电热板开始对恒温箱进行供热。此时虽然IC10C的9脚变为高电平，但其（11）脚仍为低电平，所以与非门IC10C保持关闭状态，降温电路仍不能工作
  当恒温箱的温度达到设定的温度值时，WDJ导通，此时IC9B的⑤脚电位低于⑥脚电位，⑦脚输出低电平，与非门IC10B被关闭，其⑥脚输出高电平，IC8停止工作，电热板停止加热。与此同时，IC9B的⑦脚输出的低电平同时送到IC1的中断控制输入引脚  端，其下降沿引起IC1中断，外部中断服务程度使IC1的内部定时器开始计数。
  电热板停止加热后，恒温箱的温度开始下降，经过一段时间后，WDJ断开，根据上述分析可知，电热板又开始对控温设备进行加热。当加热到设定温度值时，WDJ导通，使IC9的⑦脚再一次输出低电平。根据前面的分析可知，此低电平一方面使电热板停止加热；另一方面其下降沿又一次引起IC1中断，外部中断服务程序使IC1内部定时器TO停止计数。并对WDJ的通、断周期进行分析判断，根据不同情况置相应的标志位，然后中断服务程序使IC1内部定时器TO开始重新计数，并将本次WDJ的通、断周期存储起来，用来与下次通、断周期相比较。IC1内部定时器TO工作于方式2，当低位计时单元溢出时，将发出定时器TO中断，定时器TO中断服务程序完成由低位计时单元向高位计时单元的进位，总之，定时器TO构成了电子表式的计时器。主程序根据标志位进行计算处理，在基本周期（WDJ一次通、断周期）内按一定比例增大或减小P0端输出方波的占空比，按此时间比输出控温脉冲。这样在一定时间内，改变了双向可控硅SCR的导通周波数，从而控制了电热板的功率。控制算法如下：若WDJ本次通、断周期小于上次通断时间周期，则在基本周期内减小P10端输出的高、低电平时间比，否则在基本周期内增大P10端输出高、低电平时间比，最后使得WDJ的通、断周期最短。P0端按由此确定的占空比脉冲输出控温脉冲，恒温箱散失的热量与电热板提供的热量基本达到动态平衡，从而使控制精度达到较高水平。可见，电热板不仅受WDJ的控制，而且还受P0输出脉冲的控制，其中WDJ用来控制是否对控温设备加热，P0输出的脉冲用来控制双向可控硅通、断的时间比，从而控制电热板功率的大小。
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1.3  降温控制电路
由上述分析可知，当需要降温时，IC9B的⑦脚输出低电平。该低电平经过非门IC7B反相后使与非门IC10C（74LS10）的⑨脚为高电平。同时IC9B的⑦脚输出的低电平使IC10B的③脚为低电平，此低电平将与非门IC10B关闭，升温电路不能工作。单片机自动识别出恒温箱需要降温时，将P2端复位（输出低电平），P0端输出占空比为1：1的方波，P2端输出的低电平经过IC7A反相后输入到IC10C的（11）脚，使与非门IC10C的（8）脚输出方波。三极管9013、大功率场效应管Q1随方波断续工作，半导体制冷器得电工作，恒温箱开始降温。
  当恒温箱的温度降到设定的温度值时，WDJ断开，由上述对升温电路的分析可知，降温电路停止工作。但由于此时恒温箱仍处于降温工作状态，单片机的P2端为低电平，此低电平将与非门IC10B关闭。电热板不能工作。半导体制冷器停止制冷后，恒温箱的温度开始上升，经过一段时间后，WDJ导通，根据上述分析可知，半导体制冷器又开始对恒温培养箱进行降温。以后的降温控温过程与升温控温过程相似，其不同点是降温控温电路用单片机P0端输出的调整后的方波控制半导体制冷器的工作时间。最后恒温箱从外界吸收的热量与半导体制冷器从箱内吸收的热量基本达到动态平衡，从而使控制精度达到较高水平。
1.4  温度异常报警电路
  控温电路正常工作时，电接点水银温度计的通、断周期一般为数十秒。若升、降温控制电路发生故障，此周期必然发生异常。根据恒温箱体积的大小设定周期的上限值（在计时程序中设定）。当该周期超过上限值时，单片机的P3端输出低电平，经IC7F反相后使三极管Q2饱和导通，自带音源微型直流音响器SP得电工作，发出报警声。
2   软件设计
  该控制软件由主程序、外部中断服务程序、内部定时器中断服务程序等三部分组成。各程序的流程图如图2所示。
3  可靠性设计
  该温控器对电热板和半导体制冷器这些升、降温元件的控制采用可控硅和场效应管等半导体器件，改变了用继电器控温的传统做法，消除了继电器触点容易氧化而接触不良易造成温度失控的弊端。
  采用了MAX公司生产的微处理器监控电路，当程序跑飞后，在1.6s内WDI端得不到脉冲信号,WDO端输出低电平,使IC10A的（12）脚输出高电平,IC1被复位,有效地防止了程序跑飞后而造成温度失控的现象。
程序设计中,在未使用的中断入口处和程序存储器的空白区的适当地方加入了软件陷井,可有效地防止程序跑飞。
  升、降温误判的自动纠正。当单片机处于升温状态且刚刚达到预定温度而停机，正好此时停电且又突然来电，此时单片机将重新启动并误判恒温箱应处于降温状态。同理当单片机处于降温状态时也有类似情况。单片机能够对此误判自动进行纠正。其做法是单片机复位后，根据检测的升、降温状态自动控制升、降温设备工作。若数分钟（根据箱体容积大小由软件设定）内电接点水银温度计的状态未发生变化，则说明升、降温判别有误，单片机随即改变P2端的电平，从而改变了升、降温的状态。
4   元件选择
  MOC3042：该器件的输入部分是一只砷化镓发光二极管，输出部分相当于一个带有过零检测器的光敏开关。当发光二极管通过5～15ｍＡ的正向电流时，发出红外光，而输出部分只有受到红外光照射，并且输出端电压接近零时才导通。
  MAX705：该器件具有上电、掉电状态下的复位和看门狗输出功能。当看门狗输入端WDI维持高电平、低电平时间达1.6s时，其内部WATCHDOG定时器则被清零。当上电、掉电时，RESET端会输出一个200ms低脉冲。
SP：SP为YMD-12015-05型自带音源微型直流音响器。
WDJ：WDJ为电接点水银温度计，用来设置恒温箱的控制温度值。
SCR：双向可控硅SCR可根据负载功率大小选择额定电流，其耐压应大于600Ｖ。
Q1：Q1为IRF9Z30型大功率MOS管，使用时应加散热片。
电热板：根据箱体大小选购适当功率的电热板。
半导体制冷器：选用洛阳市夏林电子电器厂生产的TECI-7103型半导体制冷器。该制冷器的最大温差是67℃
5  结束语
  本文作者创新点是研制了基于单片机的升温与降温双重高精度控温功能的智能温控器。该温控器自动化程度高，控温误差小，可靠性好。将其应用于由报废冰箱改造的恒温培养箱中，测试表明，控温效果良好。