将报废冰箱改造为恒温培养箱（简称恒温箱）的实践中，利用单片机电路，通过优化编程提高了温控精确度，使其技术性能指标达到或超过了目前市场上恒温培养箱的要求。其主要技术指标如下：温控范围；5～40℃；温度波动性允差：±0.2℃；温度均匀性允差；±0.5℃。
在将报废冰箱改造为恒温培养箱时，要先拆除冰箱的制冷系统，拆除时要注意保护好箱体，然后将温控器、风扇安装在适当位置。恒温培养箱既要升温也要降温，而市售温控器只具有升温或降温单一功能，不能满足恒温培养箱的要求，所以研制一种集升降温控制功能于一体且具有较高控温精度的温控器是报废冰箱改造的关键。下面介绍一种自制的恒温培养箱温度控制器（简称温控器）。
一、工作原理
该温控器以8031单片机为核心，利用电接点水银温度计进行温度设置，通过对电接点水银温度计通、断周期的调控，来实现对恒温培养箱温度的控制。单片机通过对电接点水银温度计的通、断状态检测，自动识别升温或降温。当需要升温时，采用电热板加热、单片机调控和双向可控硅调功方式，当需要降温时，采用半导体制冷器降温、单片机调控方式，使控温精度达到较高水平。
电路如下图所示，主要由升、降温自动识别电路，升温控制电路、降温控制电路和温度异常报警电路等组成。
1.升、降温自动识别电路
当需要升温时，电接点水银温度计为断开状态（WDJ不导通），运算放大器LM358（IC9B）的⑤脚为高电平，其⑥脚为R9与R11分压后得到的2.5V，⑦脚输出高电平，至单片机IC1的脚。
当需要降温时，根据上述分析，单片机IC1的脚为低电平。单片机初始化后，首先从脚读入数据，若脚输入为“1”，说明恒温箱需要升温，否则需要降温。升温时，单片机使P2口输出高点平：降温时，单片机使P2口输出低电平。
2.升温控制电路
当需要升温时，IC9B的⑦脚输出高电平，使与非门IC10B（74LS10）的③脚为高电平。同时，IC9B的⑦脚输出的高电平经过非门IC7B使与非门IC10C的⑨脚为低电平，将与非门IC10C关闭，降温电路不能工作。当单片机自动识别出恒温箱需要升温时，将P2端置位（输出高电平），并从PO端输出占空比为1：1的方波，IC10B的⑤脚为高电平，④脚为方波，其⑥脚输出与⑤脚反相的方波，IC8得电工作，双向可控硅SCR导通，电热板开始对恒温箱供热。此时，虽然IC10C的⑨脚变为高电平，但其脚为低电平，所以与非门IC10C保持关闭状态，降温电路仍不能工作。
当恒温箱的温度达到设定的温度时，WDJ导通，此时，IC9B的⑤脚电位低于⑥脚，⑦脚输出低电平，与非门IC10B被关闭，其⑥脚输出高电平，IC8停止工作，电热板停止加热。同时，IC9B的⑦脚输出的低电平送到IC1的INT0口，其下降沿引起IC1中断，外部中断服务程序使IC1的内部定时器开始计数。
电热板停止加热后，恒温箱的温度开始下降，经过一段时间后，WDJ断开，电热板又开始对控温设备加热。当加热到设定温度时，WDJ导通，IC9的⑦脚输出低电平，一方面使电热板停止加热；另一方面触发INT0中断，使T0停止计数，在对WDJ的通、断周期进行分析判断并置相应的标志位后，T0开始重新计数，并将本次WDJ的通、断周期存储起来，用来与下次通、断周期相比较。T0工作于方式2，低位计时单元溢出时，将触发T0中断，完成由低位计时单元向高位计时单元的进位，即T0构成了电子表式的计时器。主程序根据标志位进行计算处理，在基本周期（WDJ一次通、断周期）内按一定比例增大或减小P0端输出方波的占空比，按此时间比输出控温脉冲。这样，在一定时间内，改变了双向可控硅SCR的导通周波数，控制了电热板的功率。
控制算法如下：若WDJ本次通、断周期小于上次，则在基本周期内减小P0端输出的高、低电平时间比，否则在基本周期内增大P0端输出高、低电平时间比，最后使得WDJ的通、断周期最短。
P0端按由此确定的占空比脉冲输出控温脉冲，恒温箱散失的热量与电热板提供的热量基本达到动态平衡，使控制精度达到较高水平。可见，电热板不仅受WDJ的控制，而且还受P0输出脉冲的控制。WDJ控制是否对控温设备加热，P0输出的脉冲控制双向可控硅通、断的时间比，从而控制电热板功率的大小。
3.降温控制电路
当需要降温时，IC9B的⑦脚输出低电平，经过非门IC7B反相后，一方面使与非门IC10C（74LS10）的⑨脚为高电平，一方面使IC10B的③脚为低电平，将IC10B关闭，升温电路不工作。单片机识别出恒温箱需要降温时，将P2端复位（输出低电平），P0端输出占空比1：1的方波。P2输出的低电平经IC7A反相后送到IC10C的⑩脚，使IC10C的⑧脚输出方波。三极管9013、大功率场效应管Q1随方波断续工作，半导体制冷器得电工作，恒温箱开始降温。
当温度降到设定值时，WDJ断开，降温电路停止工作。由于此时恒温箱仍处于降温工作状态：
单片机的P2端为低电平，与非门IC10B关闭，电热板不工作。半导体制冷器停止制冷后，温度开始上升，经过一段时间后，WDJ导通，半导体制冷器又开始进行降温。降温过程与升温控温过程相似，不同的是，降温控温电路用单片机PO端输出的调整后的方波控制半导体制冷器的工作时间，最后恒温箱从外界吸收的热量与半导体制冷器从箱内吸收的热量基本达到动态平衡，使控制精度达到较高水平。
4.温度异常报警电路
控温电路正常工作时，电接点水银温度计的通断周期一般为数十秒。若升、降温控制电路发生故障，此周期必然出现异常。根据恒温箱体积的大小设定周期的上限值（在计时程序中设定）。
当该周期超过上限值时，单片机的P3端输出低电平，经IC7F反相后使Q2饱和导通，自带音源微型直流音响器SP得电工作，发出报警声。
二、软件设计
控制软件由主程序、外部中断INT0 服务程序、定时器T0 中断服务程序等三部分组成，程序流程如上图、中图、下图所示
三、可靠性设计
该温控器对电热板和半导体制冷器等升、降温元件的控制采用可控硅和场效应管等半导体器件，消除了继电器触点容易因氧化接触不良，易造成温度失控的弊端。
本应用还采用了MAX公司生产的微处理器监控电路。当程序跑飞后，在1.68内WDI端得不到脉冲信号，WDO端就会输出低电平，使IC10A的⑩脚输出高电平，将IC1复位，有效地防止程序跑飞造成温度失控的现象。另外，在未使用的中断入口处和程序存储器的空白区的适当地方加入了软件陷阱，防止程序跑飞。
升、降温误判的自动纠正。当单片机处于升温状态且刚刚达到预定温度而停机时，若正遇停电又突然来电，单片机将重新启动并误判恒温箱应处于降温状态，当单片机处于降温状态时也有类似情况。单片机对此误判自动进行纠正的做法是，单片机复位后，根据检测的升、降温状态自动控制升、降温设备工作。若数分钟（根据箱体容积大小由软件设定）内电接点水银温度计的状态未发生变化，说明判别有误，单片机随即改变P2端的电平，从而改变升、降温的状态。
上一篇：自制水泵自控装置
