CN104423397A - 可在负压条件下控制空间温度的恒温装置 - Google Patents

Abstract

本发明为可在负压条件下控制空间温度的恒温装置，能够保持实时显示水温，显示位数4位，分别为百位、十位、个位和小数位；（但由于规定不超过90度，所以百位也就没有实现，默认的百位是不显示的；）单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制；单片机系统通过温度传感器（ADC590）对水箱内水温进行检测，得到模拟的温度信号，在经过A/D转换成数字信号之后，则可用数码管来显示水温的实际值，还能用键盘输入设定值，也可实现打印功能。

Description

可在负压条件下控制空间温度的恒温装置

（一）简介

温度是工业对象中一个主要的被控参数，它是一种常见的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。温度控制是许多机器的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，然后进行工件的加工与处理。不论是在生活中还是在工业生产过程中，温度的变化对生活、生产的某些细节环节都会造成不同程度的影响，所以适时地对温度进行控制具有重要的意义。 

温度控制器是实现可测温和控温的电路,是对温度进行控制的电开关设备，它主要分为机械式温控器和电子式温控器两种，温度器属于信息技术的前沿尖端产品，已被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。现今社会，越来越多的环境需要对温度进行控制,随着温控器应用领域和范围的日益广泛，温控器的研究与应用正在市场中逐渐占有一席之地,并在日渐成熟中占有巨大的市场前景。随着研究的发展与深入, 温控器现已陆续推出基本款的A系列、高功能的B系列、模块化省配线的C系列等等齐全系列温度控制器。温度控制器的发展与研究已越来越势不可挡, 但目前温控器行业进入门坎相对较低，如何为客户提供更合适、性价比更好的产品，以及如何及时开发新的需求并实现它的价值已越来越重要, 在这种情况下温度控制器的研究十分必要. 

（二）定义

负压："风流的绝对压力(压强)小于井外或风筒外同标高的大气压力(压强)，其相对压力(压强)为负值

简单的说，“负压”是低于常压（即常说的一个大气压）的气体压力状态。

(1) 低于现存的大气压力(取作参考零点)的压力。

(2) 低于大气压的稀薄度。

抽出式通风的矿井中，风流的绝对压力小于井外或风筒外同标高的绝对压力，其相对压力为负值，称负压。通常在工业上，特别是微型泵(如：微型真空泵、微型气泵、微型气体采样泵、微型气体循环泵、微型抽气泵)选型中常要涉及到这个概念。

  真空负压安全阀

负压的利用非常普遍，人们常常使某部分空间出现负压状态，便能利用无处不在的大气压替我们效力。

例如，人们呼吸时，当肺处于扩张状态时出现负压，在肺的内外形成了压强差新鲜空气就被压入肺内。

通常在工业上，特别是微型泵(如微型真空泵，微型气泵，微型气体采样泵，微型气体循环泵，微型抽气泵)选型中常要涉及到这个概念。 例如：有一种微型真空泵，它能在抽气端形成0.04MPA的负压，意思是能将密闭容器内的气体抽走40%，剩余60%，与外界大气压的压力差为100*(1-0.6)=40KPA(即它的负压值为：-40Kpa)，在常用的真空表上显示就为-0.04Mpa。(假设当地大气压为0.1Mpa)

3.1.4晶振电路与复位电路的设计 

单片机内部带有时钟电路，只需要在片外通过XTAL1、XTAL2引脚接入定时控制单元（晶体振荡和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。振荡器的工作频率一般在1.2~12MHz之间，当然在一般情况下频率越快越好，可以保证程序运行速度即保证了控制的实时性。

一般采用石英晶振作定时控制元件，在不需要高精度参考时钟时，也可以用电感代替晶振，有时也可以引入外部时钟脉冲信号。接在晶振上的电容虽然没有严格要求，但电容的大小会影响振荡器的稳定性和起振的快速性。

因此，通常选择在10~30pF左右，在此次设计时钟电路时，晶振频率选用（12MHz），电容选用（20pF），并且它们应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。 

为防止电源之间的相互干扰，需对电路进行独立供电，本系统采用双电源输出，一个正常之用，一个应急备用。因此电源电路设计输出两路为+5V的稳压电源，同时主电路的开关元件为固态继电器，其直流侧的供电电源可选择为+5V。

由于固态继电器内部带有光耦，其直流侧与交流侧相互隔离，因此其直流侧的供电电源可与数字电路的+5V电源共用，另外DS18B20也用+5V的稳压电源供电，另外一个+5V的稳压电源用来备用，当遇到系统断电时可以把那个备用的稳压电源来应急，这样可以给系统增加了一道应急保险。本装置的直流稳压电源采用通常的桥式全波整流、电容滤波、三端固定输出的集成稳压器件进行设计，并且所有的集成稳压芯片均装有充分裕量的散热片。

由于在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。而且一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。 

 显示模块 

用单片机驱动LED数码管有很多方法，按显示方式分，有静态显示和动态（扫描）显示，按译码方式可分硬件译码和软件译码之分。静态显示数据稳定，使用的硬件较多。 

动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多。

这两种显示方式各有利弊：

静态显示虽然数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路；

动态显示虽然有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。 

使用单片机系统串行输出，利用其串/并转换功能，送入数码管显示。

基本的半导体数码管是有7个条状发光二极芯片排列而成的，也称为七段数码显示器，可实现0～9、A～F以及H、P的显示。

从各发光电极连接方式分为共阳极和共阴极两种。共阳极是指笔画显示器各段发光管的阳极（即P区）是公共的，而阴极互相隔离。共阴极型是笔画显示器各段发光管的阴极（即N区）是公共的，而阳极是互相隔离的，共阴极LED数码管的a～g及小数点位dp八个发光二极管加阳极加高电平（“1”）发亮，加低电平（“0”）发暗，而共阳极的LED的数码管的a～g及小数点位dp八个发光二极管正好相反。

本电路采用共阳极数码管LG5641A进行动态显示，LG5641A具有四位数码管，这四个数码管的段选a、b、c、d、e、f、g分别接在一起，每一个都拥有一个共阳的位选端，通过动态显示可轮流显示设置温度与测量温度，这有利于节省I/O口。

用P2.0～P2.7口作为位选控制，P0.0～P0.7口传输要显示的数据，数据线和位选线直接接AT89C51单片机的I/O口即可，因为I/O口输出电流很小并且加上了上拉电阻,这样可以对LED进行驱动，它的电压值足以驱动LED。

因此，本系统采用一种新型的可编程温度传感器（DS18B20），不需复杂的信号处理电路和A／D转换电路就能直接与单片机完成数据采集和处理，实现方便、精度高，可根据不同需要用于各种场合。在日常生活中，也经常用到电烤箱、微波炉、电热水器、烘干箱等需要进行温度检测与控制的家用电器。采用单片机实现温度控制不仅具有控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度地提高被控温度的技术指标，从而大大提高产品的质量，现以恒温水箱控制系统的设计进行介绍。 

设计一个温度反馈通道的控制系统，主要包括主电路和控制电路。控制电路又包括巡回检测、跟踪比较、PID调节、执行输出、加热装置等多个环节。以下为该恒温控制系统的技术指标： 

（1）预置时显示设定温度，达到定温度时显示实时温度，显示精确到1℃。 

（2）恒温箱温度可预置，在误差范围内恒温控制，温度控制误差≤±1℃。 

（3）恒温水箱由1KW电炉加热。  

（4）启动后有运行指示，温度低于预置温度5℃时进行220V全加热。 

（5）有较强的抗干扰性能，对升降温过程的线性没有要求。 

（6）具有相应的保护功能。 

系统功能 

(1)可以对温度进行自由设定，但必须在0～100℃内，设定时可以实时显示出设定的温度值。 

(2) 加热由1台1KW电炉来实现，如果温度不在60℃时，根据设定的温度值与实际检测的温度值之差来采取不同的加热方式。 

(3) 能够保持实时显示水温，显示位数4位，分别为百位、十位、个位和小数位。（但由于规定不超过90度，所以百位也就没有实现，默认的百位是不显示的。） 

单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统通过温度传感器（ADC590）对水箱内水温进行检测，得到模拟的温度信号，在经过A/D转换成数字信号之后，则可用数码管来显示水温的实际值，还能用键盘输入设定值，也可实现打印功能。

本方案还可选用51单片机（内部含有4KB的EEPROM），不需要外扩展存储器可使系统整体结构较为简单。但是它是一种传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改也比较麻烦。

此方案采用单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，它可达到核心的控制作用，并且可方便实现数码显示、键盘设定及利用PID算法来控制PWM波形的产生，进而控制电炉的加热来实现恒温控制，其所测结果精度也大大的得到了提高，在利用PID算法来控制PWM波形的产生，是有效的控制数字脉冲的输出宽度，使固态继电器得到有效和有序的逻辑控制，不会使固态继电器产生误动作。

因此利用PWM技术进行脉宽调制的优点是： 

（1）从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。 

（2）让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小，并且噪声只有在强到足以将逻辑“1”改变为逻辑“0”或将逻辑“0”改变为逻辑“1”时，才能对数字信号产生影响。 

（3）对噪声抵抗能力的增强也是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。 

（4）PWM经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。 

再加上单片机的软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。

它可以通过用数字温度传感器采集到的实际水温温度直接进行数码管显示，还能用键盘输入设定值，并且内部含有4KB的EEPROM,不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单，由于方案一和方案二是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改也比较麻烦，而方案三是采用单片机为控制核心的控制系统，利用PID控制原理和PWM技术实现对水箱内水温的控制。基于这样的控制原理和PWM技术的优越性，在对温度控制的系统中，它可达到采用其他控制系统所达不到的控制效果，并且可方便实现数码实时显示、键盘设定、直接可以驱动固态继电器，其测量结果的准确性和精度是非常高的，故经过对三种方案的比较论证，本设计采用方案三，利用单片机按增量式的PID控制算法对采集的温度数据进行处理，得到控制量，利用增量式的PID控制算法来控制PWM波形的产生进行控制固态继电器，从而达到控制电炉的功率进行加热，实现对水箱内水温的恒温控制。 

 恒温水箱控制系统工作原理 

根据恒温水箱控制系统的设计任务和要求，确定了系统总体方案之后，现对该方案的具体原理进行详细介绍，它是采用闭环控制结构进行控制的。

1.制冷系统：制冷系统是恒温恒湿机的关键部分之一。

一般来说，制冷方式都是机械制冷以及辅助液氮制冷，机械制冷采用蒸汽压缩式制冷，它们主要由压缩机，冷凝器，节流机构和蒸发器组成。如果我们试验的温度低温要达到-55℃，单级制冷难以满足要求，因此恒温恒湿机的制冷方式一般采用复叠式制冷。

恒温恒湿机的制冷系统由两部分组成，分别称为高温部分和低温部分，每一部分是一个相对独立的制冷系统。

高温部分中制冷剂的蒸发吸收来自低温部分的制冷剂的热量而汽化；低温部分制冷剂的蒸发则从被冷却的对象（试验机内的空气）吸热以获取冷量。

高温部分和低温部分之间是用一个蒸发冷凝器联系起来，它既是高温部分的冷凝器，也是低温部分的冷凝器。

2.加热系统：加热系统相对制冷系统而言，是比较简单。

它主要有大功率电阻丝组成，由于试验要求的升温速率较大，因此加热系统功率都比较大，而且在试验机的底板也设有加热器。

3.控制系统：控制系统是综合试验箱的核心，它决定了试验机的升温速率，精度等重要指标。现在试验机的控制器大都采用PID控制，也有少部分采用PID与模糊控制相组合的控制方式。

由于控制系统基本上属于软件的范畴，而且此部分在使用过程中，一般不会出现问题。

4.湿度系统：温度系统分为加湿和除湿两个子系统。

加湿方式一般采用蒸汽加湿法，即将低压蒸汽直接注入试验空间加湿。这种加湿方法加湿能力，速度快，加湿控制灵敏，尤其在降温时容易实现强制加湿。

特殊试验的处理：

1. 本机于机侧附有测试孔，可接于箱内测试线路时使用。

2. 测试中若欲观察箱内变化状况时，可将室内灯(LIGHT)开关开启，经由窗口知悉内部之变化情形。

3. 本机若在0℃以下运转时，应尽量避免打开箱门，因为做低温时，若开启箱门易造成内部蒸发器及其它部位之封冰现象，尤以温度愈低状况愈严重，若必须打开，则应尽量缩短开门时间。

4. 当完成低温运转时，务必设定温度条件60℃施行干燥处理约半小时，以免影响下一作业条件之测定时间或结冰现象。

5. 冰冻机之散热器(冷凝器)应定期保养，保持清洁。

6. 加湿桶入水管，必须将所存留之空气完全排出，以防水无法进入。

（三）应用

温度是工业对象中主要的被控参数之一，象冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制，计算机温度控制系统使温度控制指标得到了大幅度提高。 

温度是工业上常见的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品加工、机械制造等领域，恒温控制系统被广泛应用于加热炉、热处理炉、反应炉等。在一些温控系统电路中，广泛采用的是通过热电偶、热电阻或PN结测温电路经过相应的信号调理电路，转换成A／D转换器能接收的模拟量，再经过采样／保持电路进行A／D转换，最终送入单片机及其相应的外围电路，完成监控。但是由于传统的信号调理电路实现复杂、易受干扰、不易控制且精度不高。

Claims (5)

1.负压："风流的绝对压力(压强)小于井外或风筒外同标高的大气压力(压强)，其相对压力(压强)为负值

简单的说，“负压”是低于常压（即常说的一个大气压）的气体压力状态；

(1) 低于现存的大气压力(取作参考零点)的压力；

(2) 低于大气压的稀薄度；

抽出式通风的矿井中，风流的绝对压力小于井外或风筒外同标高的绝对压力，其相对压力为负值，称负压；通常在工业上，特别是微型泵(如：微型真空泵、微型气泵、微型气体采样泵、微型气体循环泵、微型抽气泵)选型中常要涉及到这个。

2.  真空负压安全阀

负压的利用非常普遍，人们常常使某部分空间出现负压状态，便能利用无处不在的大气压替我们效力；

它能在抽气端形成0.04MPA的负压，意思是能将密闭容器内的气体抽走40%，剩余60%，与外界大气压的压力差为100*(1-0.6)=40KPA(即它的负压值为：-40Kpa)，在常用的真空表上显示就为-0.04Mpa；(假设当地大气压为0.1Mpa)

单片机内部带有时钟电路，只需要在片外通过XTAL1、XTAL2引脚接入定时控制单元（晶体振荡和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器；振荡器的工作频率一般在1.2~12MHz之间，当然在一般情况下频率越快越好，可以保证程序运行速度即保证了控制的实时性；

一般采用石英晶振作定时控制元件，在不需要高精度参考时钟时，也可以用电感代替晶振，有时也可以引入外部时钟脉冲信号；接在晶振上的电容虽然没有严格要求，但电容的大小会影响振荡器的稳定性和起振的快速性；

因此，通常选择在10~30pF左右，在此次设计时钟电路时，晶振频率选用（12MHz），电容选用（20pF），并且它们应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性； 

为防止电源之间的相互干扰，需对电路进行独立供电，本系统采用双电源输出，一个正常之用，一个应急备用；因此电源电路设计输出两路为+5V的稳压电源，同时主电路的开关元件为固态继电器，其直流侧的供电电源可选择为+5V；

由于固态继电器内部带有光耦，其直流侧与交流侧相互隔离，因此其直流侧的供电电源可与数字电路的+5V电源共用，另外DS18B20也用+5V的稳压电源供电，另外一个+5V的稳压电源用来备用，当遇到系统断电时可以把那个备用的稳压电源来应急，这样可以给系统增加了一道应急保险；

本装置的直流稳压电源采用通常的桥式全波整流、电容滤波、三端固定输出的集成稳压器件进行设计，并且所有的集成稳压芯片均装有充分裕量的散热片。

3.由于在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度；而且一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度； 

 从各发光电极连接方式分为共阳极和共阴极两种；共阳极是指笔画显示器各段发光管的阳极（即P区）是公共的，而阴极互相隔离；共阴极型是笔画显示器各段发光管的阴极（即N区）是公共的，而阳极是互相隔离的，共阴极LED数码管的a～g及小数点位dp八个发光二极管加阳极加高电平（“1”）发亮，加低电平（“0”）发暗，而共阳极的LED的数码管的a～g及小数点位dp八个发光二极管正好相反；

采用共阳极数码管LG5641A进行动态显示，LG5641A具有四位数码管，这四个数码管的段选a、b、c、d、e、f、g分别接在一起，每一个都拥有一个共阳的位选端，通过动态显示可轮流显示设置温度与测量温度，这有利于节省I/O口。

4.用P2.0～P2.7口作为位选控制，P0.0～P0.7口传输要显示的数据，数据线和位选线直接接AT89C51单片机的I/O口即可，因为I/O口输出电流很小并且加上了上拉电阻,这样可以对LED进行驱动，它的电压值足以驱动LED；

预置时显示设定温度，达到定温度时显示实时温度，显示精确到1℃； 

恒温箱温度可预置，在误差范围内恒温控制，温度控制误差≤±1℃； 

（3）恒温水箱由1KW电炉加热；  

（4）启动后有运行指示，温度低于预置温度5℃时进行220V全加热； 

（5）有较强的抗干扰性能，对升降温过程的线性没有要求； 

（6）具有相应的保护功能。

5.  (1)可以对温度进行自由设定，但必须在0～100℃内，设定时可以实时显示出设定的温度值； 

(2) 加热由1台1KW电炉来实现，如果温度不在60℃时，根据设定的温度值与实际检测的温度值之差来采取不同的加热方式； 

(3) 能够保持实时显示水温，显示位数4位，分别为百位、十位、个位和小数位；（但由于规定不超过90度，所以百位也就没有实现，默认的百位是不显示的；） 

单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制；单片机系统通过温度传感器（ADC590）对水箱内水温进行检测，得到模拟的温度信号，在经过A/D转换成数字信号之后，则可用数码管来显示水温的实际值，还能用键盘输入设定值，也可实现打印功能。