将废旧冰箱巧改为恒温培养箱

　　许多冰箱报废仅仅是制冷系统损坏，其箱体仍完好。本文介绍的升降温一体化智能温控器就是利用废旧冰箱的箱体来制作恒温培养箱，许多实验室需要恒温培养箱进行种子的发芽、组织细胞、微生物的培养等恒温实验，这对保护环境和节约资源有重要意义。该温控器自动化程度高、控温误差小、可靠性好。测试表明，用废旧冰箱改造的恒温培养箱具有良好性能。其主要性能指标如下：

　　1．控温范围：5℃～40℃

　　2．温度波动性允差：±0.2℃

　　3．温度均匀性允差：±0.5℃

　　废旧冰箱改造为恒温培养箱，首先将冰箱的制冷系统拆除，拆除过程中注意保护好箱体，然后将温控器、风扇安装在适当位置即可。恒温培养箱有时需要升温，有时需要降温，而目前市场上销售的温控器只具有升温或降温单一控制功能，而且控温精度低，不能满足恒温培养箱对控温的要求，为此笔者设计这个集升温与降温控制功能于一体的温控器，解决了废旧冰箱改造的技术问题。下面介绍该温控器的工作原理。

　　工作原理

　　恒温培养箱温控器的电路以单片机IC1 AT89C2051为控制单元，由其对电接点水银温度计WDJ(结构和工作原理见下文“元件选择”部分)的通、断状态进行检测，然后控制加热或制冷部件进行升温或降温。升温时，采用电热板加热；降温时，采用半导体制冷器降温，控温精度达到了较高水平。

　　恒温培养箱的电路原理图如上图所示。该电路主要由升、降温自动识别电路、升温和升温控制电路、降温和降温控制电路以及温度异常报警电路等组成。

　　1．升、降温自动识别电路

　　对电接点水银温度计WDJ设置一定的温度值后，可能出现两种情况：

　　(1)箱内温度未达到设置的温度值。此时WDJ为断开状态(不导通)，运算放大器LM358(IC2A)的2脚为高电平，其3脚为R9与R11分压后得到的固定电压，此时2脚电位高于3脚电位，1脚输出高电平。该高电平输入到IC1的6脚(INTO端);

　　(2)箱内温度已达到或超过设置的温度值。此时WDJ为导通状态，IC1的6脚为低电平。 温控器工作时，IC1上电复位初始化后，首先从6脚读入数据，并根据6脚电平高低识别需升温还是降温。由上述两种情况可知，若从6脚输入的数据为“1”，则说明恒温培养箱需要升温，否则需要降温。

　　2．升温和升温控制电路

当单片机识别出恒温培养箱需要升温时,IC1将P1.2端置位(输出高电平)，该高电平输入到与非门IC5B(74LS10)的5脚，升温控制与非门IC5B被打开，而P1.2端输出的高电平经过反相器IC6A使IC5C的11脚为低电平，降温控制与非门IC5C被关闭，降温电路不能工作。当单片机识别出恒温培养箱需要升温时，IC1的P1.4端输出占空比为1:1的方波，即IC5B的5脚为高电平，4脚为方波，其6脚输出与4脚反相的方波，三极管VT3随方波断续导通，IC3得电工作，MOC3042内含的发光二极管导通，双向晶闸管导通，电热板开始对恒温培养箱供热。

　　当恒温培养箱的温度达到设定的温度值时，WDJ导通，此时IC2A的2脚电位低于3脚电位，1脚输出低电平，与非门IC5B被关闭，其6脚输出高电平，三极管VT3截止，IC3停止工作，电热板停止加热。与此同时．IC2A的1脚输出的低电平同时送到IC1的中断控制输入引脚INTO端，其下降沿引起IC1中断，外部中断服务程度使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，根据上述分析可知，电热板又开始对恒温培养箱进行供热。当加热到设定温度值时，WDJ导通，使IC2A的1脚再一次输出低电平。根据前面的分析可知，此低电平一方面使电热板停止加热；另一方面其下降沿又一次引起IC1中断，外部中断服务程序使IC1内部定时器TO停止计数。并对WDJ的通、断周期进行分析判断，根据不同情况置相应的标志位，然后中断服务程序使IC1内部定时器TO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。IC1内部定时器TO工作于方式2，当低位计时单元溢出时，将发出定时器TO中断，定时器TO中断服务程序完成由低位计时单元向高位计时单元的进位，总之，定时器TO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P1.4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VS的导通周波数，从而控制了电热板的功率。控制算法如下：若WDJ本次通、断周期小于上次通断周期，则在基本周期内减小P1.4端输出的高、低电平时间比，否则在基本周期内增大P1.4端输出高、低电平时间比，最后使得WDJ的通、断周期最短。P1.4端按由此确定的占空比脉冲输出控温脉冲，恒温培养箱散失的热量与电热板提供的热量基本达到动态平衡，从而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P1.4输出脉冲的控制，其中WDJ用来控制是否对恒温培养箱加热，P1.4输出的脉冲用来控制双向晶闸管通、断的时间比，从而控制电热板功率的大小。 还有一点需要说明，当恒温培养箱处于升温状态时，IC2A的1脚将随着WDJ的通、断输出高、低电平交替变化的方波，此方波经过非门IC6B输入到IC5C的9脚。由于此时单片机的P1.2端输出高电平，此高电平经过非门IC6A反相后，IC5C的11脚得到低电平，降温控制与非门IC5C被关闭，降温电路不能工作，所以输入到IC5C的9脚的方波不能输入到降温电路。可见即使IC5C的9脚出现高电平，降温电路也不能工作。

　　3．降温和降温控制电路

降温控制电路的工作原理与升温控制电路的工作原理相似。当单片机识别出恒温培养箱需要降温时，将P1.2端复位(输出低电平)，该低电平输入到与非门IC5B(74LS10)的5脚，升温控制与非门IC5B被关闭，其6脚输出高电平，三极管VT3截止，升温电路不能工作。同时P1.2端输出的低电平经过反相器IC6A反相后输入到IC5C的11脚，使其为高电平，降温控制与非门IC5C被打开。另外，当单片机识别出恒温培养箱需要降温时，单片机P1.4端输出占空比为1:1的方波，即IC5C的11脚为高电平，10脚为方波，其8脚输出与10脚反相的方波，三极管VT1、VT2随方波断续导通，半导体制冷器得电工作，恒温培养箱开始降温。

　　当恒温培养箱的温度降到设定的温度值时，WDJ断开，IC2A的1脚将输出高电平。由上述对降温控制电路的分析可知，WDJ断开后降温电路停止工作。此时恒温培养箱仍处于降温工作状态，单片机的P1.2端为低电平，此低电平将与非门IC5B关闭。因此虽然IC2A的1脚输出高电平，但与非门IC5B仍被关闭，电热板仍不能工作。半导体制冷器停止制冷后，恒温培养箱的温度开始上升，经过一段时间后，WDJ导通，根据上述分析可知，半导体制冷器又开始对恒温培养箱进行降温。以后的降温控温过程与升温控温过程相似，其不同点是：对于升温电路来说，单片机P1.4端输出的调整后的方波用于控制电热板；对于降温电路来说，单片机P1.4端输出的调整后的方波用于控制半导体制冷器。最后恒温培养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，从而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。根据恒温培养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P1.3端输出低电平，三极管VT5饱和导通，自带音源微型直流音响器BL得电工作，发出报警声。

　　软件设计

　　该控制软件由主程序、外部中断服务程序、内部定时器中断服务程序等三部分组成。各程序的流程图如下面三图所示。

可靠性设计

1．控制执行元件的改进

恒温培养箱的控制电路对电热板和半导体制冷器这些升、降温元件的控制采用晶闸管和场效应管等半导体器件，改变了用继电器控温的传统做法，消除了继电器触点容易氧化而接触不良易造成温度失控的弊端。

　　2．硬件对程序的监控

　　采用了MAX公司生产的微处理器监控电路，当程序跑飞后，在1.6s内WDI端得不到脉冲信号，WDO端输出低电平，使IC5A的12脚输出高电平，IC1被复位，有效地防止了程序跑飞后而造成温度失控的现象。

　　3．软件陷并

程序设计中，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井，可有效地防止程序跑飞。

　　4．自动纠正升、降温误判

如果单片机处于升温状态且刚刚达到预定温度值而停机，而此时又突然开机使控温电路工作，那么单片机将重新启动并误判恒温培养箱应处于降温状态。同理当单片机处于降温状态时也有类似情况。单片机能够对此误判自动进行纠正。其做法是单片机复位后，根据检测的升、降温状态自动控制升、降温电路工作。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，则说明升、降温判别有误，单片机随即改变P1.2端的电平，从而改变了升、降温的状态。

　　元器件的选择

　　MOC3042：光电耦合器，其输入部分是一只砷化镓发光二极管，输出部分相当于一个带有过零检测器的光敏开关。当发光二极管通过5mA～15mA的正向电流时，发出红外光，而输出部分只有受到红外光照射，并且输出端电压接近零时才导通。

　　WDJ：电接点水银温度计，用来设置恒温培养箱的控制温度值。其外形图如上图所示，上端是调节温度的旋纽，顺时针旋转时，位于电接点水银温度计内部的触丝将上升，设置的温度值增大；逆时针旋转时，设置的温度值减小。其内部设有温度刻度标尺，可方便地设置温度值。其下端是水银柱，当温度升高时，水银与触丝连通，电接点水银温度计导通，否则电接点水银温度计断开。电接点水银温度计的上端还设有两个接线端子。

　　MAX705：该器件具有上电、掉电状态下的复位和看门狗输出功能。当看门狗输入端WDI维持高电平、低电平时间达1.6S时，其内部看门狗定时器则被清零。当上电或掉电时，RESET端会输出一个200ms低脉冲。

　　BL：YMD-12015-05型自带音源微型直流音响器。VS：双向晶闸管，可根据负载功率大小选择额定电流，其耐压应大于600V。 VT1：IRF9230型大功率MOS管，使用时应加散热片。

　　电热板：根据箱体大小选购适当功率的电热板。

　　半导体制冷器选用洛阳市夏林电子电器厂生产的TECI-7103型半导体制冷器。该制冷器的最大温差是67℃，其外形图如下图所示。

　　其他元器件按图中所示选择，无特殊要求。