原创 【TI博客大赛】实时温度曲线显示小型恒温箱的装置

实时温度曲线显示小型恒温箱的装置

1．         技术领域

本设计涉及致热致冷领域以及控制调节领域，具体涉及一种小型恒温箱温度的智能自动控制，属于电加热设备。

2．         背景技术

恒温箱广泛应用于各种领域，如实验研究领域，制药领域，食品保鲜领域等。一直以来，备受关注。就实验研究领域而言可涉及诸多方面，如光纤特性的研究，耐温材料的研究等。由于系统的特性，要想通过简单加热而把系统控制在一定的温度是十分困难的，必须通过一定的方法才能实现。

就目前而言，现有设备比较复杂，操作不简便，而且价格相对较高，对于实验教学，实验研究，以及小型应用场合来说，不可取。一方面，价格低一点的，温度控制不是很精确，箱内温度不均匀，而且波动很大，温度控制精确的设备成本也很高。另一方面，温度调节周期较长，达到稳定温度需要一段时间。例如专利201020275530.4装置复杂，成本较高，而且没有温度曲线实时显示功能，不能直观观察加热过程中箱内温度的变化，以及稳定后的波动情况；专利200720201623.0结构过于复杂，体积赘余部分太多，而且也没有实时温度曲线显示。

3．         内容

本设计的目的在于针对上述存在的问题，提供一种结构简单、体积小巧的恒温箱装置,可控温度范围为室温到不小于+150℃。

本装置优点：

1.     结构简单，操作简便。

2.     加热电阻丝和风扇采用PID算法，温度控制精确。

3.     电阻丝结构巧妙设计，启动加热到温度稳定时间短。

4.     液晶屏实时显示温度曲线（以设定温度为参考线）、温度值、设定温度值、加热占空比、风扇占空比、PID调节参数等信息和参数。

本设计提供的恒温装置主要包括：恒温箱部分、MCU控制部分、设置部分、显示部分、电源部分。装置框架图如下：

MCU控制部分为MSP430低功耗单片机，通过程控，达到系统的协调统一，控制各个部分分时工作。设置部分为四个独立按键，可设置温度参数，以及显示的切换，功能选择的操作。显示部分为通用型带字库12864液晶显示器件。电源部分使用36V10A开关电源通过外置稳压芯片，实现各部分的供电。恒温箱为装置主体部分，壳体为PVC耐温保温材料，内置加热电阻丝、搅动风扇和PT1000温度传感器。

加热装置位于最下面，正上方几毫米处放置搅动风扇。电阻丝连接36V，使用PID算法控制固态继电器，进而控制加热的强度。搅动风扇连接12V使用PID算法控制L298，进而控制风扇转速，实现箱内温度处处一致以及降温。

4．         附图说明

1.     图1为总体结构示意图。

2.     图2为恒温箱部分示意图。

3.     图3为电源部分示意图。

4.     图4为设置部分、MCU控制部分、显示部分示意图。

5．         具体实施方案

1.     各部分结构说明

见附图：

1.1电源部分；1.2设置部分；1.3MCU主控部分；1.4恒温箱部分；1.5显示部分。

2.1 PT1000温度传感器；2.2箱体外壳；2.3搅动风扇；2.4加热电阻丝。

3.1交流220V±20%输入；3.2  36V10A开关电源；3.3  12V三端稳压芯片7812；3.4  5V三端稳压芯片7805；3.5  12V输出接口；3.6  5V输出接口；3.7  36V输出接口；3.8  GND输出接口。

4.1按键设置部分；4.2控制加热电阻丝固态继电器；4.3控制搅动风扇L298芯片；4.4  MCU主控部分；4.5  LCD12864通用液晶显示器件。

2.     各部分具体实现说明

2.1恒温箱部分

恒温箱外壳材料为PVC塑料，此材料熔化温度：185~205℃，具有成本低、不易燃性、高强度、牢固耐用、耐气侯变化性以及优良的几何稳定性。 PVC对氧化剂、还原剂和强酸都有很强的抵抗力。

箱内最下面放置加热电阻丝，电阻丝为螺旋状成“Z”型安置，这样有效加热面积变大，电阻丝端点用铜柱固定在下基板，通过接线端子外接引线。电阻丝上面使用铜柱架空搅动风扇，风扇引线也用铜柱固定在下基板，通过接线端子外接引线。PT1000温度传感器安置在顶盖上，温度传感器几乎在箱体中央，在不影响使用的情况下，提高测温准确度。温度传感器在顶盖引线接至MCU控制器。

原则上说，在箱壁开小孔不影响系统稳定性，实验证明确实如此。

2.2  MCU控制部分

主控制芯片选用MSP430单片机，性能稳定，低功耗。

电阻丝采用36V供电，使用PID算法，通过MCU控制固态继电器给电阻丝加热。使加热迅速，达到设定时间段，且稳定时温度漂移小。

搅动风扇采用12V供电，使用PID算法，通过MCU控制L298驱动芯片，控制风扇转速。使风扇转速随着加热强度的不同而改变，可达到更稳定的控制效果。

2.3  设置部分

设置部分为四个独立按键，任意按键按下即可触发中断，通过程序控制，不同系统状态下，具有不同功能。例如设置目标温度值、启动加热系统、显示温度曲线等。

2.4  显示部分

显示元件采用LCD12864通用字符型点阵显示液晶，可程控显示各种曲线，以及汉字数字等常用字符。

本设计显示内容有：实时温度曲线、加热占空比、风扇占空比、PID算法参数、设定温度、实时温度、功能选择界面等。其中实时温度曲线在屏幕中央以一条横向虚直线显示设定温度，可以直观地显示出实时温度和设定温度之间的关系，便于观察箱内实时情况。

2.5  电源部分

电源部分采用220V交流市电供电，波动范围可达±20%，再经过36V10A大功率稳压开关电源到36V，经过两级稳压产生12V和5V直流电压，分别给不同部件供电。其中稳压芯片分别为7812和7805。

3.     以光纤特性研究为例说明使用操作步骤

1.       接通系统总电源。

2.       安放光纤。

3.       检查无误，打开系统总开关。

4.       等待系统初始化，屏幕显示初始化界面。

5.       初始化后，按键选择功能，先设置预定温度，随后启动加热系统，系统自动启动加热曲线显示。

6.       等温度稳定后，可进行相关实验。

7.       实验结束，关闭仪器，整理器材。

6．         附图