制冷系統(tǒng)損壞是我校冰箱報廢的主要原因之一，但其箱體是完好的，而且許多實驗室需要恒溫培養(yǎng)箱，把廢舊冰箱改造成恒溫培養(yǎng)箱具有重要的實際意義。筆者在將報廢冰箱改造為恒溫培養(yǎng)箱（簡稱恒溫箱）的實踐中，利用單片機電路，通過優(yōu)化編程提高了溫控精確度，使其技術性能指標達到或超過了目前市場上恒溫培養(yǎng)箱的要求。其主要技術指標如下：溫控范圍：5-40℃；溫度波動性允差：±0.2℃；溫度均勻性允差；±0.5℃。

在將報廢冰箱改造為恒溫培養(yǎng)箱時，要先拆除冰箱的制冷系統(tǒng)，拆除時要注意保護好箱體，然后將溫控器、風扇安裝在適當位置。恒溫培養(yǎng)箱既要升溫也要降溫，而市售溫控器只具有升溫或降溫單一功能，不能滿足恒溫培養(yǎng)箱的要求，所以研制一種集升降溫控制功能于一體且具有較高控溫精度的溫控器是報廢冰箱改造的關鍵。本文介紹一種自制的恒溫培養(yǎng)箱溫度控制器（簡稱溫控器）。

一、工作原理

該溫控器以8031單片機為核心，利用電接點水銀溫度計進行溫度設置，通過對電接點水銀溫度計通、斷周期的調(diào)控，來實現(xiàn)對恒溫培養(yǎng)箱溫度的控制。單片機通過對電接點水銀溫度計的通、斷狀態(tài)檢測，自動識別升溫或降溫。當需要升溫時，采用電熱板加熱、單片機調(diào)控和雙向可控硅調(diào)功方式，當需要降溫時，采用半導體制冷器降溫、單片機調(diào)控方式，使控溫精度達到較高水平。

電路如圖1所示，主要由升、降溫自動識別電路，升溫控制電路、降溫控制電路和溫度異常報警電路等組成。

1.升、降溫自動識別電路

當需要升溫時，電接點水銀溫度計為斷開狀態(tài)（WDJ不導通），運算放大器LM358（IC9B）的⑤腳為高電平，其⑥腳為R9與RI1分壓后得到的2.5V，⑦腳輸出高電平，至單片機IC 1的?腳。當需要降溫時，根據(jù)上述分析，單片機IC 1的?腳為低電平。單片機初始化后，首先從?腳讀人數(shù)據(jù)，若?腳輸人為“1”，說明恒溫箱需要升溫，否則需要降溫。升溫時，單片機使P2口輸出高點平；降溫時，單片機使P2口輸出低電平。

2.升溫控制電路

當需要升溫時，IC9B的⑦腳輸出高電平，使與非門IC10B（74LS10）的③腳為高電平。同時，IC9B的⑦腳輸出的高電平經(jīng)過非門IC7B使與非門IC10C的⑨腳為低電平，將與非門IC10C關閉，降溫電路不能工作。當單片機自動識別出恒溫箱需要升溫時，將P2端置位（輸出高電平），并從PO端輸出占空比為1:1的方波，IC l OB的⑤腳為高電平，④腳為方波，其⑥腳輸出與⑤腳反相的方波，IC8得電工作，雙向可控硅SCR導通，電熱板開始對恒溫箱供熱。此時，雖然IC10C的⑨腳變?yōu)楦唠娖剑?腳為低電平，所以與非門IC10C保持關閉狀態(tài)，降溫電路仍不能工作。

當恒溫箱的溫度達到設定的溫度時，WDJ導通，此時，IC9B的⑤腳電位低于⑥腳，⑦腳輸出低電平，與非門IC10B被關閉，其⑥腳輸出高電平，IC8停止工作，電熱板停止加熱。同時，IC9B的⑦腳輸出的低電平送到IC 1的INTO C7，其下降沿引起IC 1中斷，外部中斷服務程序使IC 1的內(nèi)部定時器開始計數(shù)。

電熱板停止加熱后，恒溫箱的溫度開始下降，經(jīng)過一段時間后，WDJ斷開，電熱板又開始對控溫設備加熱。當加熱到設定溫度時，WDJ導通，IC9的⑦腳輸出低電平，一方面使電熱板停止加熱；另一方面觸發(fā)INTO中斷，使TO停止計數(shù)，在對WDJ的通、斷周期進行分析判斷并置相應的標志位后．TO開始重新計數(shù)，并將本次WDJ的通、斷周期存儲起來，用來與下次通、斷周期相比較。TO工作于方式2，低位計時單元溢出時，將觸發(fā)TO中斷，完成由低位計時單元向高位計時單元的進位，即TO構成了電子表式的計時器。主程序根據(jù)標志位進行計算處理，在基本周期（WDJ一次通、斷周期）內(nèi)按一定比例增大或減小PO端輸出方波的占空比，按此時間比輸出控溫脈沖。這樣，在一定時間內(nèi)，改變了雙向可控硅SCR的導通周波數(shù)，控制了電熱板的功率。控制算法如下：若WDJ本次通、斷周期小于上次，則在基本周期內(nèi)減小PO端輸出的高、低電平時間比，否則在基本周期內(nèi)增大PO端輸出高、低電平時間比，最后使得WDJ的通、斷周期最短。PO端按由此確定的占空比脈沖輸出控溫脈沖，恒溫箱散失的熱量與電熱板提供的熱量基本達到動態(tài)平衡，使控制精度達到較高水平。可見，電熱板不僅受WDJ的控制，而且還受PO輸出脈沖的控制。WDJ控制是否對控溫設備加熱，PO輸出的脈沖控制雙向可控硅通、斷的時間比，從而控制電熱板功率的大小。

3.降溫控制電路

當需要降溫時，IC9B的⑦腳輸門出低電平，經(jīng)過非門IC7B反相后，一方面使與非門IC10C（74LS10）的⑨腳為高電平，一方面使IC10B關閉，升溫電路不工作。單機片識別出恒溫箱需要降溫時，將P2端復位（輸出低電平），P0端輸出占空比1：1的方波。P2輸出的低電平經(jīng)IC7A反相和送到IC10C的?腳，使IC10C的⑧腳輸出放波。三極管9013、大功率場效應管Q1隨放波繼續(xù)工作，半導體制冷器得電工作，恒溫箱開始降溫。

當溫度降到設定值時，WDJ斷開，，降溫電路停止工作。由于此時恒溫箱仍處于降溫工作狀態(tài)，單片機的P2端為低電平，與非門IC10B關閉，電熱板不工作。半導體制冷器停止制冷后，溫度開始上升，經(jīng)過一段時間后WDJ導通，半導體制冷器又開始進行降溫。降溫過程與升溫控溫過程相似，不同的是，降溫控溫電路用單片機PO端輸出的調(diào)整后的方波控制半導體制冷器的工作時間，最后恒溫箱從外界吸收的熱量與半導體制冷器從箱內(nèi)吸收的熱量基本達到動態(tài)平衡，使控制精度達到較高水平。

4.溫度異常報警電路

控溫電路正常工作時，電接點水銀溫度計的通斷周期一般為數(shù)十秒。若升、降溫控制電路發(fā)生故障，此周期必然出現(xiàn)異常。根據(jù)恒溫箱體積的大小設定周期的上限值（在計時程序中設定）。當該周期超過上限值時，單片機的P3端輸出低電平，經(jīng)IC7F反相后使Q2飽和導通，自帶音源微型直流音響器SP得電工作，發(fā)出報警聲。

二、軟件設計

控制軟件由主程序、外部中斷INTO服務程序、定時器TO中斷服務程序等三部分組成，程序。

三、可靠性設計

該溫控器對電熱板和半導體制冷器等升、降溫元件的控制采用可控硅和場效應管等半導體器件，消除了繼電器觸點容易因氧化接觸不良，易造成溫度失控的弊端。

本應用還采用了MAX公司生產(chǎn)的微處理器監(jiān)控電路。當程序跑飛后，在1.6s內(nèi)WDI端得「不到脈沖信號，WDO端就會輸出低電平，使IC10A的⑩腳輸出高電平，將IC 1復位，有效地防止程序跑飛造成溫度失控的現(xiàn)象。另外，在未使用的中斷人口處和程序存儲器的空白區(qū)的適當?shù)胤郊尤肆塑浖葳澹乐钩绦蚺茱w。

升、降溫誤判的自動糾正。當單片機處于升溫狀態(tài)且剛剛達到預定溫度而停機時，若正遇停電又突然來電．單片機將重新啟動并誤判恒溫箱應處于降溫狀態(tài)，當單片機處于降溫狀態(tài)時也有類似情況。單片機對此誤判自動進行糾正的做法是，單片機復位后，根據(jù)檢測的升、降溫狀態(tài)自動控制升、降溫設備工作。若數(shù)分鐘（根據(jù)箱體容積大小由軟件設定）內(nèi)電接點水銀溫度計的狀態(tài)未發(fā)生變化，說明判別有誤，單片機隨即改變P2端的電平，從而改變升、降溫的狀態(tài)。