林至成

【摘 要】保溫箱在如今生活中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，其便攜性與新穎性也越來越受到大眾的重視，論文設(shè)計(jì)了一種基于STC89C51單片機(jī)的保溫箱設(shè)計(jì)，旨在解決民用保溫箱價(jià)格偏高，不易攜帶的問題。該保溫箱通過繼電器作為溫度的主要控制元件，使用按鍵設(shè)置調(diào)節(jié)保溫箱上下限溫度，LCD顯示屏顯示當(dāng)前溫度，并可自主設(shè)計(jì)外觀美化實(shí)現(xiàn)造價(jià)低廉且攜帶性強(qiáng)的保溫箱。該保溫箱主要用于家用鄰域，論文給出了系統(tǒng)硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)節(jié)溫度的保溫箱設(shè)計(jì)。

【Abstract】 Incubator has been widely used in our life， its portability and novelty gets more and more attention from the public. In this paper， we design a incubator based on STC89C51 single chip microcomputer.The purpose is to solve the problem of high cost and difficult to carry.The electric relay is the main control components of temperature of incubator， it use the “settings” button to adjust temperature incubator upper and lower limits， the LCD display shows the current temperature， and can be independent design appearance ， it is a incubator with low cost and portability. The incubator is mainly used for household neighborhood. Paper provides the design of hardware circuit and software program ， realized the adjustable incubator design.

【關(guān)鍵詞】保溫箱；低成本；小體積；自主設(shè)計(jì)

【Keywords】incubator； inexpensive； small-sized； self-manufacturing

【中圖分類號(hào)】TP273.5 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）04-0171-04

1 引言

保溫箱的溫控系統(tǒng)不論是在科學(xué)研究領(lǐng)域，還是在與生活息息相關(guān)的工業(yè)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域以及日常生活中都得到廣泛應(yīng)用。在研發(fā)科技成果時(shí)，特別是生物化學(xué)類別的項(xiàng)目，常常需要恒溫環(huán)境監(jiān)控變量，保溫箱的作用顯得相當(dāng)重要，保溫箱的精度往往決定了科研項(xiàng)目的成敗。在工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)品的質(zhì)量往往也在很大程度取決于對(duì)其進(jìn)行的熱加工和冷加工處理，所以恒溫箱的精密度也相對(duì)嚴(yán)格。在醫(yī)藥領(lǐng)域更是常見，最廣為人知的就是藥品、疫苗與血液的冷凍保鮮儲(chǔ)藏，透析液與生理鹽水等的加溫等。對(duì)于農(nóng)業(yè)方面，農(nóng)業(yè)的溫室大棚就相當(dāng)于一個(gè)大型的“恒溫箱”，依靠溫控系統(tǒng)對(duì)作物進(jìn)行光合影響。由以上我們可以明顯看出保溫箱的重要作用。在我們?nèi)粘５纳钪?，隨著生活節(jié)奏的加快，也越來越需要保溫箱提供更便捷的生活方式，我們的生活早已離不開保溫箱。

論文所述保溫箱選用繼電器作為溫度的主要控制元件，繼電器可以直接驅(qū)動(dòng)2500W功率的負(fù)載，適用于家庭、小型工廠等小電量用電設(shè)備，應(yīng)用方向十分廣泛。該產(chǎn)品采用蜂鳴器為電元器件的報(bào)警部件，LED燈指示相應(yīng)的加熱或制冷工作運(yùn)行。這種保溫箱的溫控系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，可自定義性高，應(yīng)用度高，且較為簡(jiǎn)易可自我裝配并進(jìn)行美化外觀設(shè)計(jì)。工作時(shí)，溫度若高于或低于設(shè)定溫度，蜂鳴器都將報(bào)警提醒，若溫度低于設(shè)定溫度下限，則加熱片開始加熱，達(dá)到設(shè)定溫度后停止加熱；若溫度高于設(shè)定溫度上限，則風(fēng)扇開始工作，降溫到設(shè)定溫度后停止降溫，以此循環(huán)達(dá)到保溫的效果。

2 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述

該保溫箱使用溫度傳感器DS18B20闡述單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的工作流程，流程框圖如圖1所示。

2.1 溫度控制系統(tǒng)的工作原理分析

當(dāng)溫度控制系統(tǒng)開始工作時(shí)，溫度系數(shù)振蕩器開始工作，低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，當(dāng)檢測(cè)到溫度過低，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器減到0，再用計(jì)數(shù)比較器將溫度逐步升高至控制指數(shù)范圍內(nèi)，此時(shí)需要關(guān)閉計(jì)數(shù)門，之后再輸入系統(tǒng)預(yù)置的溫度控制指數(shù)，一旦溫度過高，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器的脈沖輸入，關(guān)閉計(jì)數(shù)門后對(duì)溫度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，直到溫度到達(dá)指定的指數(shù)內(nèi)。從以上步驟可以看出，當(dāng)計(jì)數(shù)門開啟時(shí)，DS18B20 就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器發(fā)出的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，以此往復(fù)進(jìn)而完成溫度測(cè)量和控溫[1]。DS18B20 系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖 2所示。

2.2 溫度控制系統(tǒng)的精度分析

為了提高效率減少耗能，不論是企業(yè)還是家用保溫箱都會(huì)采用合適的溫度控制系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)的有效性主要通過溫度控制系統(tǒng)的精度來實(shí)現(xiàn)，而控溫精度則需要提前預(yù)置的控制指數(shù)，當(dāng)溫控環(huán)境溫度處于高溫狀態(tài)時(shí)能有效控制溫度，將溫度降低到預(yù)置的控制指數(shù)，同時(shí)憑借準(zhǔn)確的控制算法來加快溫度控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度的精密性。筆者設(shè)計(jì)的保溫箱精度為0.1℃，為了使保溫箱內(nèi)的溫度控制更加準(zhǔn)確，筆者采用了分布式溫度采集的方式來進(jìn)行溫度的測(cè)量與數(shù)據(jù)采集，通過在保溫箱內(nèi)安置多個(gè)不同角度的溫度采集點(diǎn)[2]，并將數(shù)據(jù)匯總經(jīng)過數(shù)據(jù)融合處理后才形成保溫箱內(nèi)的最終測(cè)量溫度。采集到的溫度再送往上層的只能控制系統(tǒng)，由溫度控制單元進(jìn)行加熱/冷卻的調(diào)節(jié)，最終使保溫箱將溫度控制在預(yù)期設(shè)定的范圍之內(nèi)。

3 經(jīng)濟(jì)化與小體積設(shè)計(jì)原則

3.1 散熱器的選型

散熱器的選型對(duì)于整個(gè)恒溫箱設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵模塊，散熱器性能的好壞直接影響著溫控系統(tǒng)的工作性能，對(duì)溫度控制效果有著決定性的作用。散熱器根據(jù)其原理，可分為：利用空氣的散熱器、液態(tài)散熱器以及散熱管等不同的散熱器，如何選擇主要根據(jù)各個(gè)芯片主要的實(shí)際功率來決定。筆者本著低成本、能自主組裝、小體積便于攜帶的原則，設(shè)計(jì)的保溫箱在正常工作過程中選用的芯片功率不大，溫度變化量很小，因此僅需要給保溫箱加一個(gè)較小的溫度調(diào)節(jié)量，便可以達(dá)到預(yù)期的效果，所以筆者采用的是翅片式散熱片的散熱器，同時(shí)散熱片上層附加風(fēng)扇來增強(qiáng)，通過空氣來達(dá)到散熱的效果。風(fēng)扇在選型時(shí)，也需根據(jù)實(shí)物體積大小和所需的散熱量來選擇其排風(fēng)量，筆者選擇的風(fēng)扇為DC BRVSHLESS風(fēng)扇，約排風(fēng)量0.04m3/min。

3.2 加熱器的選擇

加熱器與散熱器相對(duì)應(yīng)，所以和散熱器同樣是不可缺少、不可忽視的模塊。加熱器可根據(jù)形狀、材質(zhì)、加熱介質(zhì)分為多種加熱器，同樣處于低成本考慮，筆者選用了電加熱片來經(jīng)行組裝，若想要更好地發(fā)揮保溫箱的功能，使用效率更高可升級(jí)該裝置可選用電磁加熱。電加熱片是將電阻發(fā)熱絲纏繞在云母片上，實(shí)際是通過電阻加熱的方式加熱。電阻加熱屬于最原始的加熱方式，熱度僅會(huì)傳遞70%～80%，大量的熱能會(huì)流失在空氣中，但屬于最廉價(jià)且易使用的加熱方式；電磁加熱器工作時(shí)受熱物體被保溫層包裹，通過磁場(chǎng)透過保溫層直接加熱物體本身，所以熱效率幾乎熱能沒有流失，其熱效率超過95%以上，是所有加熱方式中最高效的[2]。

3.3 外觀的設(shè)計(jì)

筆者所制作保溫箱適用于家庭領(lǐng)域，傾向于廣大上班族人群，故以小體積為主要特點(diǎn)來設(shè)計(jì)外觀，筆者選用的萬用板規(guī)格為9×15，即整體裝置結(jié)構(gòu)最大僅需20cm×10cm×5cm的空間即可，高度空間可由個(gè)人所需自行擴(kuò)容，外用隔熱板等材料隔熱，大可做成中型車載保溫箱，小則可作為飯盒保溫器使用等。在外觀上也可自主設(shè)計(jì)出使用者喜愛的圖案使之更為美觀。

4 詳細(xì)硬件設(shè)計(jì)方案

4.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案與布局

鑒于采用盡可能使保溫箱體積小的方案，所以對(duì)電路板的器件布置提出了要求，部件的擺放應(yīng)當(dāng)盡可能密集，同時(shí)為了焊接時(shí)不雜亂無章，也應(yīng)該大致整理出合理的器件分布方案，如圖3給出了重要器件的擺放位置。

4.2 控制器部分

控制器部分選用的是STC89C51單片機(jī)，該單片機(jī)價(jià)格便宜且功能強(qiáng)大，非常適合學(xué)習(xí)與開發(fā)實(shí)驗(yàn)，其實(shí)際工作頻率主頻為12MHz，并且擁有17種功能，而其中就包含了溫度采集功能。芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元[3]，具有在系統(tǒng)可編程特性，配合PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，省去了購買通用編程器，而且速度更快[3]。

通過STC89C51的18b20采集環(huán)境溫度，并且與設(shè)定的溫度數(shù)值做比較，采集溫度大于所設(shè)定溫度上限時(shí)，控制蜂鳴器模塊發(fā)出警報(bào)，通過控制兩路繼電器來模擬環(huán)境升溫，以及風(fēng)扇降溫，其所設(shè)定的溫度上下限通過I2C總線存儲(chǔ)于AT24C02 EEROM中，以實(shí)現(xiàn)掉電設(shè)置數(shù)據(jù)任保存功能，避免每次開機(jī)都需要設(shè)置溫度。其核心控制部分電路圖如圖4所示。

5 總結(jié)

論文介紹了保溫箱系統(tǒng)的基本工作原理，并經(jīng)過實(shí)際組裝，本設(shè)計(jì)全部的器件價(jià)格總額不超過一百元，體積最小成品比市場(chǎng)上的大部分保溫器體積小了50%以上，達(dá)到了最初的要求。高精度的保溫箱在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，而家用保溫箱的便攜性尚未被開發(fā)完善，筆者用51單片機(jī)與傳統(tǒng)的制冷與加熱方式實(shí)現(xiàn)了低價(jià)便攜的保溫箱，基于保溫箱的開發(fā)研究有一定的工程價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

【1】錢超，王福明.基于單片機(jī)的多功能電子萬年歷設(shè)計(jì)[J].世界電子元器件，2012（5）：54-58.

【2】廖陽明.基于半導(dǎo)體制冷的小型保溫箱設(shè)計(jì)[J].廣西民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（1）：82-85.

【3】王鋒.基于STC89C51RC單片機(jī)的電子秤設(shè)計(jì)[J].電子世界，2016（6）：77-78.