基于STC89C51单片机的自制保温箱

林至成

【摘 要】保温箱在如今生活中已经得到广泛应用，其便携性与新颖性也越来越受到大众的重视，论文设计了一种基于STC89C51单片机的保温箱设计，旨在解决民用保温箱价格偏高，不易携带的问题。该保温箱通过继电器作为温度的主要控制元件，使用按键设置调节保温箱上下限温度，LCD显示屏显示当前温度，并可自主设计外观美化实现造价低廉且携带性强的保温箱。该保温箱主要用于家用邻域，论文给出了系统硬件电路和软件程序的设计，实现了可调节温度的保温箱设计。

【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.

【关键词】保温箱；低成本；小体积；自主设计

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

【中图分类号】TP273.5 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）04-0171-04

1 引言

保溫箱的温控系统不论是在科学研究领域，还是在与生活息息相关的工业、医药、农业领域以及日常生活中都得到广泛应用。在研发科技成果时，特别是生物化学类别的项目，常常需要恒温环境监控变量，保温箱的作用显得相当重要，保温箱的精度往往决定了科研项目的成败。在工业生产中，产品的质量往往也在很大程度取决于对其进行的热加工和冷加工处理，所以恒温箱的精密度也相对严格。在医药领域更是常见，最广为人知的就是药品、疫苗与血液的冷冻保鲜储藏，透析液与生理盐水等的加温等。对于农业方面，农业的温室大棚就相当于一个大型的“恒温箱”，依靠温控系统对作物进行光合影响。由以上我们可以明显看出保温箱的重要作用。在我们日常的生活中，随着生活节奏的加快，也越来越需要保温箱提供更便捷的生活方式，我们的生活早已离不开保温箱。

论文所述保温箱选用继电器作为温度的主要控制元件，继电器可以直接驱动2500W功率的负载，适用于家庭、小型工厂等小电量用电设备，应用方向十分广泛。该产品采用蜂鸣器为电元器件的报警部件，LED灯指示相应的加热或制冷工作运行。这种保温箱的温控系统构造简单，造价低廉，可自定义性高，应用度高，且较为简易可自我装配并进行美化外观设计。工作时，温度若高于或低于设定温度，蜂鸣器都将报警提醒，若温度低于设定温度下限，则加热片开始加热，达到设定温度后停止加热；若温度高于设定温度上限，则风扇开始工作，降温到设定温度后停止降温，以此循环达到保温的效果。

2 基于单片机的温度控制系统简述

该保温箱使用温度传感器DS18B20阐述单片机的温度控制系统的工作流程，流程框图如图1所示。

2.1 温度控制系统的工作原理分析

当温度控制系统开始工作时，温度系数振荡器开始工作，低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，当检测到温度过低，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器减到0，再用计数比较器将温度逐步升高至控制指数范围内，此时需要关闭计数门，之后再输入系统预置的温度控制指数，一旦温度过高，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器的脉冲输入，关闭计数门后对温度进行相应的调节，直到温度到达指定的指数内。从以上步骤可以看出，当计数门开启时，DS18B20 就对低温度系数振荡器发出的时钟脉冲后进行计数，以此往复进而完成温度测量和控温[1]。DS18B20 系统构成框图如图 2所示。

2.2 温度控制系统的精度分析

为了提高效率减少耗能，不论是企业还是家用保温箱都会采用合适的温度控制系统。温度控制系统的有效性主要通过温度控制系统的精度来实现，而控温精度则需要提前预置的控制指数，当温控环境温度处于高温状态时能有效控制温度，将温度降低到预置的控制指数，同时凭借准确的控制算法来加快温度控制系统的响应速度和控制精度的精密性。笔者设计的保温箱精度为0.1℃，为了使保温箱内的温度控制更加准确，笔者采用了分布式温度采集的方式来进行温度的测量与数据采集，通过在保温箱内安置多个不同角度的温度采集点[2]，并将数据汇总经过数据融合处理后才形成保温箱内的最终测量温度。采集到的温度再送往上层的只能控制系统，由温度控制单元进行加热/冷却的调节，最终使保温箱将温度控制在预期设定的范围之内。

3 经济化与小体积设计原则

3.1 散热器的选型

散热器的选型对于整个恒温箱设计是一个关键模块，散热器性能的好坏直接影响着温控系统的工作性能，对温度控制效果有着决定性的作用。散热器根据其原理，可分为：利用空气的散热器、液态散热器以及散热管等不同的散热器，如何选择主要根据各个芯片主要的实际功率来决定。笔者本着低成本、能自主组装、小体积便于携带的原则，设计的保温箱在正常工作过程中选用的芯片功率不大，温度变化量很小，因此仅需要给保温箱加一个较小的温度调节量，便可以达到预期的效果，所以笔者采用的是翅片式散热片的散热器，同时散热片上层附加风扇来增强，通过空气来达到散热的效果。风扇在选型时，也需根据实物体积大小和所需的散热量来选择其排风量，笔者选择的风扇为DC BRVSHLESS风扇，约排风量0.04m3/min。

3.2 加热器的选择

加热器与散热器相对应，所以和散热器同样是不可缺少、不可忽视的模块。加热器可根据形状、材质、加热介质分为多种加热器，同样处于低成本考虑，笔者选用了电加热片来经行组装，若想要更好地发挥保温箱的功能，使用效率更高可升级该装置可选用电磁加热。电加热片是将电阻发热丝缠绕在云母片上，实际是通过电阻加热的方式加热。电阻加热属于最原始的加热方式，热度仅会传递70%～80%，大量的热能会流失在空气中，但属于最廉价且易使用的加热方式；电磁加热器工作时受热物体被保温层包裹，通过磁场透过保温层直接加热物体本身，所以热效率几乎热能没有流失，其热效率超过95%以上，是所有加热方式中最高效的[2]。

3.3 外观的设计

笔者所制作保温箱适用于家庭领域，倾向于广大上班族人群，故以小体积为主要特点来设计外观，笔者选用的万用板规格为9×15，即整体装置结构最大仅需20cm×10cm×5cm的空間即可，高度空间可由个人所需自行扩容，外用隔热板等材料隔热，大可做成中型车载保温箱，小则可作为饭盒保温器使用等。在外观上也可自主设计出使用者喜爱的图案使之更为美观。

4 详细硬件设计方案

4.1 系统整体设计方案与布局

鉴于采用尽可能使保温箱体积小的方案，所以对电路板的器件布置提出了要求，部件的摆放应当尽可能密集，同时为了焊接时不杂乱无章，也应该大致整理出合理的器件分布方案，如图3给出了重要器件的摆放位置。

4.2 控制器部分

控制器部分选用的是STC89C51单片机，该单片机价格便宜且功能强大，非常适合学习与开发实验，其实际工作频率主频为12MHz，并且拥有17种功能，而其中就包含了温度采集功能。芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元[3]，具有在系统可编程特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快[3]。

通过STC89C51的18b20采集环境温度，并且与设定的温度数值做比较，采集温度大于所设定温度上限时，控制蜂鸣器模块发出警报，通过控制两路继电器来模拟环境升温，以及风扇降温，其所设定的温度上下限通过I2C总线存储于AT24C02 EEROM中，以实现掉电设置数据任保存功能，避免每次开机都需要设置温度。其核心控制部分电路图如图4所示。

5 总结

论文介绍了保温箱系统的基本工作原理，并经过实际组装，本设计全部的器件价格总额不超过一百元，体积最小成品比市场上的大部分保温器体积小了50%以上，达到了最初的要求。高精度的保温箱在科学和工业领域都得到了广泛的应用，而家用保温箱的便携性尚未被开发完善，笔者用51单片机与传统的制冷与加热方式实现了低价便携的保温箱，基于保温箱的开发研究有一定的工程价值。

【参考文献】

【1】钱超，王福明.基于单片机的多功能电子万年历设计[J].世界电子元器件，2012（5）：54-58.

【2】廖阳明.基于半导体制冷的小型保温箱设计[J].广西民族大学学报（自然科学版），2013（1）：82-85.

【3】王锋.基于STC89C51RC单片机的电子秤设计[J].电子世界，2016（6）：77-78.