可在負壓條件下控制空間溫度的恒溫裝置制造方法
【專利摘要】本發明為可在負壓條件下控制空間溫度的恒溫裝置，能夠保持實時顯示水溫，顯示位數4位，分別為百位、十位、個位和小數位；（但由于規定不超過90度，所以百位也就沒有實現，默認的百位是不顯示的；）單片機軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種控制算法和邏輯控制；單片機系統通過溫度傳感器（ADC590）對水箱內水溫進行檢測，得到模擬的溫度信號，在經過A/D轉換成數字信號之后，則可用數碼管來顯示水溫的實際值，還能用鍵盤輸入設定值，也可實現打印功能。
【專利說明】可在負壓條件下控制空間溫度的恒溫裝置
[0001](一)簡介
溫度是工業對象中一個主要的被控參數，它是一種常見的過程變量，因為它直接影響燃燒、化學反應、發酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結晶以及空氣流動等物理和化學過程。溫度控制不好就可能引起生產安全，產品質量和產量等一系列問題。溫度控制是許多機器的重要的構成部分，它的功能是將溫度控制在所需要的溫度范圍內，然后進行工件的加工與處理。不論是在生活中還是在工業生產過程中，溫度的變化對生活、生產的某些細節環節都會造成不同程度的影響，所以適時地對溫度進行控制具有重要的意義。
溫度控制器是實現可測溫和控溫的電路，是對溫度進行控制的電開關設備，它主要分為機械式溫控器和電子式溫控器兩種，溫度器屬于信息技術的前沿尖端產品，已被廣泛用于工農業生產、科學研究和生活等領域，數量高居各種傳感器之首。現今社會，越來越多的環境需要對溫度進行控制，隨著溫控器應用領域和范圍的日益廣泛，溫控器的研究與應用正在市場中逐漸占有一席之地，并在日漸成熟中占有巨大的市場前景。隨著研究的發展與深入，溫控器現已陸續推出基本款的A系列、高功能的B系列、模塊化省配線的C系列等等齊全系列溫度控制器。溫度控制器的發展與研究已越來越勢不可擋，但目前溫控器行業進入門坎相對較低，如何為客戶提供更合適、性價比更好的產品，以及如何及時開發新的需求并實現它的價值已越來越重要，在這種情況下溫度控制器的研究十分必要.(二)定義
負壓:"風流的絕對壓力(壓強)小于井外或風筒外同標高的大氣壓力(壓強)，其相對壓力(壓強)為負值
簡單的說，“負壓”是低于常壓(即常說的一個大氣壓)的氣體壓力狀態。
[0002](I)低于現存的大氣壓力(取作參考零點)的壓力。
[0003](2)低于大氣壓的稀薄度。
[0004]抽出式通風的礦井中，風流的絕對壓力小于井外或風筒外同標高的絕對壓力，其相對壓力為負值，稱負壓。通常在工業上，特別是微型泵(如:微型真空泵、微型氣泵、微型氣體采樣泵、微型氣體循環泵、微型抽氣泵)選型中常要涉及到這個概念。
[0005]真空負壓安全閥
負壓的利用非常普遍，人們常常使某部分空間出現負壓狀態，便能利用無處不在的大氣壓替我們效力。
[0006]例如，人們呼吸時，當肺處于擴張狀態時出現負壓，在肺的內外形成了壓強差新鮮空氣就被壓入肺內。
[0007]通常在工業上，特別是微型泵(如微型真空泵，微型氣泵，微型氣體采樣泵，微型氣體循環泵，微型抽氣泵)選型中常要涉及到這個概念。例如:有一種微型真空泵，它能在抽氣端形成0.04MPA的負壓，意思是能將密閉容器內的氣體抽走40%，剩余60%，與外界大氣壓的壓力差為100*(l-0.6)=40KPA(即它的負壓值為:_40Kpa)，在常用的真空表上顯示就為-0.04Mpa。(假設當地大氣壓為0.1Mpa)
3.1.4晶振電路與復位電路的設計單片機內部帶有時鐘電路，只需要在片外通過XTAL1、XTAL2引腳接入定時控制單元(晶體振蕩和電容)，即可構成一個穩定的自激振蕩器。振蕩器的工作頻率一般在1.2"?2ΜΗζ之間，當然在一般情況下頻率越快越好，可以保證程序運行速度即保證了控制的實時性。
[0008]一般采用石英晶振作定時控制元件，在不需要高精度參考時鐘時，也可以用電感代替晶振，有時也可以引入外部時鐘脈沖信號。接在晶振上的電容雖然沒有嚴格要求，但電容的大小會影響振蕩器的穩定性和起振的快速性。
[0009]因此，通常選擇在l(T30pF左右，在此次設計時鐘電路時，晶振頻率選用(12MHz)，電容選用(20pF)，并且它們應盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩定性。
為防止電源之間的相互干擾，需對電路進行獨立供電，本系統采用雙電源輸出，一個正常之用，一個應急備用。因此電源電路設計輸出兩路為+5V的穩壓電源，同時主電路的開關元件為固態繼電器，其直流側的供電電源可選擇為+5V。
[0010]由于固態繼電器內部帶有光耦，其直流側與交流側相互隔離，因此其直流側的供電電源可與數字電路的+5V電源共用，另外DS18B20也用+5V的穩壓電源供電，另外一個+5V的穩壓電源用來備用，當遇到系統斷電時可以把那個備用的穩壓電源來應急，這樣可以給系統增加了一道應急保險。本裝置的直流穩壓電源采用通常的橋式全波整流、電容濾波、三端固定輸出的集成穩壓器件進行設計，并且所有的集成穩壓芯片均裝有充分裕量的散熱片。
[0011]由于在傳統的模擬信號遠距離溫度測量系統中，需要很好的解決引線誤差補償問題、多點測量切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術問題，才能夠達到較高的測量精度。而且一般監控現場的電磁環境都非常惡劣，各種干擾信號較強，模擬溫度信號容易受到干擾而產生測量誤差，影響測量精度。
顯示模塊
用單片機驅動LED數碼管有很多方法，按顯示方式分，有靜態顯示和動態(掃描)顯示，按譯碼方式可分硬件譯碼和軟件譯碼之分。靜態顯示數據穩定，使用的硬件較多。
動態顯示需要CPU時刻對顯示器件進行數據刷新，顯示數據有閃爍感，占用的CPU時間多。
[0012]這兩種顯示方式各有利弊:
靜態顯示雖然數據穩定，占用很少的CPU時間，但每個顯示單元都需要單獨的顯示驅動電路；
動態顯示雖然有閃爍感，占用的CPU時間多，但使用的硬件少，能節省線路板空間。
使用單片機系統串行輸出，利用其串/并轉換功能，送入數碼管顯示。
[0013]基本的半導體數碼管是有7個條狀發光二極芯片排列而成的，也稱為七段數碼顯示器，可實現O?9、A?F以及H、P的顯示。
[0014]從各發光電極連接方式分為共陽極和共陰極兩種。共陽極是指筆畫顯示器各段發光管的陽極(即P區)是公共的，而陰極互相隔離。共陰極型是筆畫顯示器各段發光管的陰極(即N區)是公共的，而陽極是互相隔離的，共陰極LED數碼管的a?g及小數點位dp八個發光二極管加陽極加高電平(“I”)發亮，加低電平(“O”)發暗，而共陽極的LED的數碼管的a?g及小數點位dp八個發光二極管正好相反。
[0015]本電路采用共陽極數碼管LG5641A進行動態顯示，LG5641A具有四位數碼管，這四個數碼管的段選a、b、C、d、e、f、g分別接在一起，每一個都擁有一個共陽的位選端，通過動態顯示可輪流顯示設置溫度與測量溫度，這有利于節省I/O 口。
[0016]用P2.0?P2.7 口作為位選控制，P0.0?P0.7 口傳輸要顯示的數據，數據線和位選線直接接AT89C51單片機的I/O 口即可，因為I/O 口輸出電流很小并且加上了上拉電阻，這樣可以對LED進行驅動，它的電壓值足以驅動LED。
[0017]因此，本系統采用一種新型的可編程溫度傳感器(DS18B20)，不需復雜的信號處理電路和A / D轉換電路就能直接與單片機完成數據采集和處理，實現方便、精度高，可根據不同需要用于各種場合。在日常生活中，也經常用到電烤箱、微波爐、電熱水器、烘干箱等需要進行溫度檢測與控制的家用電器。采用單片機實現溫度控制不僅具有控制方便、簡單、靈活等優點，而且可以大幅度地提高被控溫度的技術指標，從而大大提高產品的質量，現以恒溫水箱控制系統的設計進行介紹。
設計一個溫度反饋通道的控制系統，主要包括主電路和控制電路。控制電路又包括巡回檢測、跟蹤比較、PID調節、執行輸出、加熱裝置等多個環節。以下為該恒溫控制系統的技術指標:
(1)預置時顯示設定溫度，達到定溫度時顯示實時溫度，顯示精確到rc。
(2)恒溫箱溫度可預置，在誤差范圍內恒溫控制，溫度控制誤差<±1°C。
(3)恒溫水箱由IKW電爐加熱。
(4)啟動后有運行指示,溫度低于預置溫度5°C時進行220V全加熱。
(5)有較強的抗干擾性能，對升降溫過程的線性沒有要求。
(6)具有相應的保護功能。
系統功能
(1)可以對溫度進行自由設定，但必須在O?100°C內，設定時可以實時顯示出設定的溫度值。
(2)加熱由I臺IKW電爐來實現，如果溫度不在60°C時，根據設定的溫度值與實際檢測的溫度值之差來采取不同的加熱方式。
(3)能夠保持實時顯示水溫，顯示位數4位，分別為百位、十位、個位和小數位。(但由于規定不超過90度，所以百位也就沒有實現，默認的百位是不顯示的。)
單片機軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種控制算法和邏輯控制。單片機系統通過溫度傳感器(ADC590)對水箱內水溫進行檢測，得到模擬的溫度信號，在經過A/D轉換成數字信號之后，則可用數碼管來顯示水溫的實際值，還能用鍵盤輸入設定值，也可實現打印功能。
[0018]本方案還可選用51單片機(內部含有4KB的EEPR0M)，不需要外擴展存儲器可使系統整體結構較為簡單。但是它是一種傳統的模擬控制方式，而模擬控制系統難以實現復雜控制規律，控制方案的修改也比較麻煩。
[0019]此方案采用單片機為控制核心的控制系統，尤其對溫度控制，它可達到核心的控制作用，并且可方便實現數碼顯示、鍵盤設定及利用PID算法來控制PWM波形的產生，進而控制電爐的加熱來實現恒溫控制，其所測結果精度也大大的得到了提高，在利用PID算法來控制PWM波形的產生，是有效的控制數字脈沖的輸出寬度，使固態繼電器得到有效和有序的邏輯控制，不會使固態繼電器產生誤動作。
[0020]因此利用PWM技術進行脈寬調制的優點是:
(1)從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無需進行數模轉換。
(2)讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小，并且噪聲只有在強到足以將邏輯“ I ”改變為邏輯“O”或將邏輯“O”改變為邏輯“ I ”時，才能對數字信號產生影響。
(3)對噪聲抵抗能力的增強也是PWM相對于模擬控制的另外一個優點，而且這也是在某些時候將PWM用于通信的主要原因。
(4)PWM經濟、節約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設計應用中使用的有效技術。
再加上單片機的軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種控制算法和邏輯控制。
[0021]它可以通過用數字溫度傳感器采集到的實際水溫溫度直接進行數碼管顯示，還能用鍵盤輸入設定值，并且內部含有4KB的EEPR0M，不需要外擴展存儲器，可使系統整體結構更為簡單，由于方案一和方案二是傳統的模擬控制方式，而模擬控制系統難以實現復雜控制規律，控制方案的修改也比較麻煩，而方案三是采用單片機為控制核心的控制系統，利用PID控制原理和PWM技術實現對水箱內水溫的控制。基于這樣的控制原理和PWM技術的優越性，在對溫度控制的系統中，它可達到采用其他控制系統所達不到的控制效果，并且可方便實現數碼實時顯示、鍵盤設定、直接可以驅動固態繼電器，其測量結果的準確性和精度是非常高的，故經過對三種方案的比較論證，本設計采用方案三，利用單片機按增量式的PID控制算法對采集的溫度數據進行處理，得到控制量，利用增量式的PID控制算法來控制PWM波形的產生進行控制固態繼電器，從而達到控制電爐的功率進行加熱，實現對水箱內水溫的恒溫控制。
恒溫水箱控制系統工作原理
根據恒溫水箱控制系統的設計任務和要求，確定了系統總體方案之后，現對該方案的具體原理進行詳細介紹，它是采用閉環控制結構進行控制的。
[0022]1.制冷系統:制冷系統是恒溫恒濕機的關鍵部分之一。
[0023]一般來說，制冷方式都是機械制冷以及輔助液氮制冷，機械制冷采用蒸汽壓縮式制冷，它們主要由壓縮機，冷凝器，節流機構和蒸發器組成。如果我們試驗的溫度低溫要達到_55°C，單級制冷難以滿足要求，因此恒溫恒濕機的制冷方式一般采用復疊式制冷。
[0024]恒溫恒濕機的制冷系統由兩部分組成，分別稱為高溫部分和低溫部分，每一部分是一個相對獨立的制冷系統。
[0025]高溫部分中制冷劑的蒸發吸收來自低溫部分的制冷劑的熱量而汽化；低溫部分制冷劑的蒸發則從被冷卻的對象(試驗機內的空氣)吸熱以獲取冷量。
[0026]高溫部分和低溫部分之間是用一個蒸發冷凝器聯系起來，它既是高溫部分的冷凝器，也是低溫部分的冷凝器。
[0027]2.加熱系統:加熱系統相對制冷系統而言，是比較簡單。
[0028]它主要有大功率電阻絲組成，由于試驗要求的升溫速率較大，因此加熱系統功率都比較大，而且在試驗機的底板也設有加熱器。
[0029]3.控制系統:控制系統是綜合試驗箱的核心，它決定了試驗機的升溫速率，精度等重要指標。現在試驗機的控制器大都采用PID控制，也有少部分采用PID與模糊控制相組合的控制方式。
[0030]由于控制系統基本上屬于軟件的范疇，而且此部分在使用過程中，一般不會出現問題。
[0031]4.濕度系統:溫度系統分為加濕和除濕兩個子系統。
[0032]加濕方式一般采用蒸汽加濕法，即將低壓蒸汽直接注入試驗空間加濕。這種加濕方法加濕能力，速度快，加濕控制靈敏，尤其在降溫時容易實現強制加濕。
[0033]特殊試驗的處理:
1.本機于機側附有測試孔，可接于箱內測試線路時使用。
[0034]2.測試中若欲觀察箱內變化狀況時，可將室內燈(LIGHT)開關開啟，經由窗口知悉內部之變化情形。
[0035]3.本機若在0°C以下運轉時，應盡量避免打開箱門，因為做低溫時，若開啟箱門易造成內部蒸發器及其它部位之封冰現象，尤以溫度愈低狀況愈嚴重，若必須打開，則應盡量縮短開門時間。
[0036]4.當完成低溫運轉時，務必設定溫度條件60°C施行干燥處理約半小時，以免影響下一作業條件之測定時間或結冰現象。
[0037]5.冰凍機之散熱器(冷凝器)應定期保養，保持清潔。
[0038]6.加濕桶入水管，必須將所存留之空氣完全排出，以防水無法進入。
[0039](三)應用
溫度是工業對象中主要的被控參數之一，象冶金、機械、食品、化工各類工業中，廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等，對工件的處理溫度要求嚴格控制，計算機溫度控制系統使溫度控制指標得到了大幅度提高。
溫度是工業上常見的被控參數之一，特別是在冶金、化工、建材、食品加工、機械制造等領域，恒溫控制系統被廣泛應用于加熱爐、熱處理爐、反應爐等。在一些溫控系統電路中，廣泛采用的是通過熱電偶、熱電阻或PN結測溫電路經過相應的信號調理電路，轉換成A / D轉換器能接收的模擬量，再經過采樣/保持電路進行A / D轉換，最終送入單片機及其相應的外圍電路，完成監控。但是由于傳統的信號調理電路實現復雜、易受干擾、不易控制且精度不高。
【權利要求】
1.負壓:"風流的絕對壓力(壓強)小于井外或風筒外同標高的大氣壓力(壓強)，其相對壓力(壓強)為負值 簡單的說，“負壓”是低于常壓(即常說的一個大氣壓)的氣體壓力狀態； (1)低于現存的大氣壓力(取作參考零點)的壓力； (2)低于大氣壓的稀薄度； 抽出式通風的礦井中，風流的絕對壓力小于井外或風筒外同標高的絕對壓力，其相對壓力為負值，稱負壓；通常在工業上，特別是微型泵(如:微型真空泵、微型氣泵、微型氣體采樣泵、微型氣體循環泵、微型抽氣泵)選型中常要涉及到這個。
2.真空負壓安全閥 負壓的利用非常普遍，人們常常使某部分空間出現負壓狀態，便能利用無處不在的大氣壓替我們效力； 它能在抽氣端形成0.04MPA的負壓，意思是能將密閉容器內的氣體抽走40%，剩余60%，與外界大氣壓的壓力差為100*(l-0.6)=40KPA(即它的負壓值為:_40Kpa)，在常用的真空表上顯示就為-0.04Mpa ；(假設當地大氣壓為0.1Mpa) 單片機內部帶有時鐘電路，只需要在片外通過XTAL1、XTAL2引腳接入定時控制單元(晶體振蕩和電容)，即可構成一個穩定的自激振蕩器；振蕩器的工作頻率一般在1.2"?2ΜΗζ之間，當然在一般情況下頻率越快越好，可以保證程序運行速度即保證了控制的實時性； 一般采用石英晶振作定時控制元件，在不需要高精度參考時鐘時，也可以用電感代替晶振，有時也可以引入外部時鐘脈沖信號；接在晶振上的電容雖然沒有嚴格要求，但電容的大小會影響振蕩器的穩定性和起振的快速性； 因此，通常選擇在l(T30pF左右，在此次設計時鐘電路時，晶振頻率選用(12MHz)，電容選用(20pF)，并且它們應盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩定性； 為防止電源之間的相互干擾，需對電路進行獨立供電，本系統采用雙電源輸出，一個正常之用，一個應急備用；因此電源電路設計輸出兩路為+5V的穩壓電源，同時主電路的開關元件為固態繼電器，其直流側的供電電源可選擇為+5V ； 由于固態繼電器內部帶有光耦，其直流側與交流側相互隔離，因此其直流側的供電電源可與數字電路的+5V電源共用，另外DS18B20也用+5V的穩壓電源供電，另外一個+5V的穩壓電源用來備用，當遇到系統斷電時可以把那個備用的穩壓電源來應急，這樣可以給系統增加了一道應急保險； 本裝置的直流穩壓電源采用通常的橋式全波整流、電容濾波、三端固定輸出的集成穩壓器件進行設計，并且所有的集成穩壓芯片均裝有充分裕量的散熱片。
3.由于在傳統的模擬信號遠距離溫度測量系統中，需要很好的解決引線誤差補償問題、多點測量切換誤差問題和放大電路零點漂移誤差問題等技術問題，才能夠達到較高的測量精度；而且一般監控現場的電磁環境都非常惡劣，各種干擾信號較強，模擬溫度信號容易受到干擾而產生測量誤差，影響測量精度； 從各發光電極連接方式分為共陽極和共陰極兩種；共陽極是指筆畫顯示器各段發光管的陽極(即P區)是公共的，而陰極互相隔離；共陰極型是筆畫顯示器各段發光管的陰極(即N區)是公共的，而陽極是互相隔離的，共陰極LED數碼管的a?g及小數點位dp八個發光二極管加陽極加高電平(“I”)發亮，加低電平(“O”)發暗，而共陽極的LED的數碼管的a?g及小數點位dp八個發光二極管正好相反； 采用共陽極數碼管LG5641A進行動態顯示，LG5641A具有四位數碼管，這四個數碼管的段選a、b、c、d、e、f、g分別接在一起，每一個都擁有一個共陽的位選端，通過動態顯示可輪流顯示設置溫度與測量溫度，這有利于節省I/O 口。
4.用P2.0?P2.7 口作為位選控制，P0.0?P0.7 口傳輸要顯示的數據，數據線和位選線直接接AT89C51單片機的I/O 口即可，因為I/O 口輸出電流很小并且加上了上拉電阻，這樣可以對LED進行驅動，它的電壓值足以驅動LED ； 預置時顯示設定溫度，達到定溫度時顯示實時溫度，顯示精確到1°C ； 恒溫箱溫度可預置，在誤差范圍內恒溫控制，溫度控制誤差< ±1°C ； (3)恒溫水箱由IKW電爐加熱； (4)啟動后有運行指示,溫度低于預置溫度5°C時進行220V全加熱； (5)有較強的抗干擾性能，對升降溫過程的線性沒有要求； (6)具有相應的保護功能。
5.(I)可以對溫度進行自由設定，但必須在O?100°C內，設定時可以實時顯示出設定的溫度值； (2)加熱由I臺IKW電爐來實現，如果溫度不在60°C時，根據設定的溫度值與實際檢測的溫度值之差來采取不同的加熱方式； (3)能夠保持實時顯示水溫，顯示位數4位，分別為百位、十位、個位和小數位；(但由于規定不超過90度，所以百位也就沒有實現，默認的百位是不顯示的；) 單片機軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種控制算法和邏輯控制；單片機系統通過溫度傳感器(ADC590)對水箱內水溫進行檢測，得到模擬的溫度信號，在經過A/D轉換成數字信號之后，則可用數碼管來顯示水溫的實際值，還能用鍵盤輸入設定值，也可實現打印功能。
【文檔編號】G05D23/20GK104423397SQ201310366877
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月21日 優先權日:2013年8月21日
【發明者】周曉蕾 申請人:上海雷盤電子科技有限公司