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      一種小型恒溫源的制作方法

      文檔序號:425494閱讀:538來源:國知局
      專利名稱:一種小型恒溫源的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本實用新型涉及一種恒溫源,特別涉及一種具有體積小、重量輕,啟動快、調(diào)溫周期短、成本低等特點的小型恒溫源。這種小型恒溫源可作為標(biāo)定紅外溫度計以及同類溫度測量儀器的標(biāo)準(zhǔn)溫度源。
      背景技術(shù)
      標(biāo)定溫度對于溫度測量儀器來說是一種經(jīng)常而重要的工作,然而溫度標(biāo)定需要一種標(biāo)準(zhǔn)溫度源。以往公知技術(shù)中,標(biāo)定溫度的儀器有很多,常用的莫過于黑體輻射恒溫源了。這種恒溫源通常由一個特別大的鑄鐵件構(gòu)成,其表面涂有黑體,然后將其放入水域中加溫,使鑄鐵件攜帶大量熱量。為了獲得恒溫效果,在鑄鐵件上開設(shè)一個小孔,由于孔內(nèi)環(huán)境受外界干擾小,因此將其作為恒溫點。以往實踐證明,盡管黑體輻射恒溫源特別適合于標(biāo)定紅外體溫計以及同類溫度測量儀器,但它也存在一定的缺陷,比如笨重而且起動慢,特別是高達(dá)數(shù)萬元的價格,不僅增加了溫度儀器的生產(chǎn)成本,而且使其推廣應(yīng)用受到了很大限制。
      當(dāng)今,隨著計算機和控制技術(shù)的發(fā)展,人們利用單片機、溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路以及發(fā)熱元件,從硬件角度來構(gòu)建一個恒溫源是可以實現(xiàn)的,然而問題的關(guān)鍵是要想設(shè)計一種以單片機為核心的小型、精簡式恒溫源,而且具有體積小、重量輕,啟動快、調(diào)溫周期短、成本低等特點,從技術(shù)上存在很大難度。就目前公開的現(xiàn)有技術(shù)來看,尚未有報道。

      發(fā)明內(nèi)容
      本實用新型的目的是提供一種以單片機為核心的小型化、精簡式恒溫源。
      為達(dá)到上述目的,本實用新型采用的技術(shù)方案是一種小型恒溫源,包括PIC12F629型單片機、溫度傳感器、RC積分電路、RC濾波電路以及大功率三極管,其連接關(guān)系如下(1)、溫度傳感器緊貼大功率三極管的散熱片安裝,其輸出電壓信號端接單片機的第一個數(shù)字輸入/輸出端口;(2)、RC積分電路由電阻R1和電容C1構(gòu)成,電源經(jīng)電阻R1與電容C1串聯(lián)后接地,積分電容C1的電壓信號端經(jīng)電阻R3接單片機的第二個數(shù)字輸入/輸出端口;(3)、RC濾波電路由電阻R2和電容C2構(gòu)成,單片機的第三個數(shù)字輸入/輸出端口一路經(jīng)電阻R2接大功率三極管的基極,另一路經(jīng)電容C2接地;(4)、大功率三極管的發(fā)射極接地,集電極接電源。
      上述技術(shù)方案的有關(guān)內(nèi)容解釋如下1、PIC12F629型單片機是Mictochip公司生產(chǎn)的,它只有八條引腳,僅僅需要35個單字(14位)指令,可謂麻雀雖小,五臟俱全,是名符其實的單片機,特別適合構(gòu)造嵌入式系統(tǒng)。該單片機可以通過寫內(nèi)部寄存器,對八條引腳中的六個數(shù)字輸入輸出端口(I/O端口)進行定義(另外兩個引腳一個是供電端VDD,另一個是接地端VSS),也就是說可以將這些端口定義為輸出端口或輸入端使用。除了可以設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字輸入輸出端口(I/O端口)外,許多腳還有復(fù)用功能,它們是(1)六個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字輸入輸出端口GPIO port;(2)兩個定時器/計數(shù)器TMR0和TMR1;(3)模擬比較器Comparator;(4)內(nèi)部點可擦寫存儲器EEPROM。
      2、上述方案中,發(fā)熱元件采用大功率三極管,比如采用D880大功率三極管。這種大功率三極管通常用在較大電流的穩(wěn)壓電路中,由于電流較大,D880上裝有散熱片。這里應(yīng)用它在通過大電流時本身發(fā)熱的副作用,以及發(fā)熱量與電流的正相關(guān)特性,把D880作為恒溫源的發(fā)熱元件使用。D880的電流放大倍數(shù)β=100。
      3、上述方案中,溫度傳感器作為一種換能器,它能將發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為電壓,比如采用AnalogDevices公司生產(chǎn)的TMP37為電壓輸出型溫度傳感器。它具有很好的線性度,見圖3所示,可以作為單片機中A/D轉(zhuǎn)換器的直接輸入,而不用經(jīng)過放大過程。
      4、上述方案中,為了顯示溫度值,還可以設(shè)置一顯示器,單片機的第四和第五個數(shù)字輸入/輸出端口與顯示器連接。所述顯示器可以采用SMS0401LCM四位液晶顯示器。
      本實用新型工作原理是以PIC12F629單片機為核心,利用單片機中比較器構(gòu)造的A/D模塊采集溫度傳感器轉(zhuǎn)化的溫度輸入信號,經(jīng)單片機的脈寬調(diào)制PWM處理輸出控制信號至大功率三極管,使其發(fā)熱至給定的溫度。恒溫源的工作過程由單片機的程序來控制。
      由于上述技術(shù)方案運用,本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下特點1、從技術(shù)角度,本實用新型的核心技術(shù)是采用了的PIC12F629單片機作為恒溫源的控制器。眾所周知,在許多應(yīng)用和設(shè)計中都要用到數(shù)據(jù)采集和實時控制,然而市場上并沒有看到專門用于采集加控制的芯片。如果分別采用A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊和必要的智能芯片來實現(xiàn)同樣的功能,無疑是對資源和資金的浪費,成本相應(yīng)就會提高。本方案設(shè)計中,PIC12F629單片機的輸入和輸出端,沒有專門的A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊,而是利用單片機內(nèi)置的模擬比較器和定時器與RC積分電路構(gòu)造了一個單積分式A/D轉(zhuǎn)換模塊;并且在單片機內(nèi)部軟件定義了一個脈寬調(diào)制(PWM)模塊,使單片機輸出一定脈寬和周期的方波,經(jīng)RC濾波后得到直流信號,實際上完成了D/A轉(zhuǎn)換功能。因此,可以說本方案硬件設(shè)計中沒有專門的A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊,是真正意義上的最小控制系統(tǒng)。
      2、本實用新型利用大功率三極管在通過大電流時本身發(fā)熱的副作用,以及發(fā)熱量與電流的正相關(guān)特性,將大功率三極管作為恒溫源的發(fā)熱元件使用,從效果方面不僅結(jié)構(gòu)簡單可靠,而且成本很低。
      3、本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有成本低、體積小、重量輕,啟動快、調(diào)溫周期短等優(yōu)點。特別是它的成本僅十元左右,不到黑體輻射恒溫源的千分之一。


      附圖1為本實用新型電路結(jié)構(gòu)圖;附圖2為本實用新型單積分式A/D轉(zhuǎn)換原理圖;附圖3為TMP37溫度傳感器電壓與溫度線性關(guān)系圖;附圖4為本實用新型軟件流程圖;附圖5為本實用新型中斷服務(wù)子程序流程圖。
      具體實施方式
      以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述實施例參見附圖1所示,一種小型恒溫源,由PIC12F629型單片機、TMP37電壓輸出型溫度傳感器、RC積分電路、RC濾波電路、D880大功率三極管、SMS0401LCM四位液晶顯示器和設(shè)定按鈕K組成。
      PIC12F629型單片機作為恒溫源的控制器,有八條引腳,其中六個為數(shù)字輸入輸出端口GP0~GP5,一個為供電端VDD,另一個為接地端VSS。
      TMP37溫度傳感器緊貼D880大功率三極管的散熱片安裝,其輸出電壓信號端接單片機的第一個數(shù)字輸入端口GP0,將大功率三極管產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為電壓信號。
      單片機利用其內(nèi)置的模擬比較器和定時器與RC積分電路構(gòu)造成一個單積分式A/D轉(zhuǎn)換模塊。RC積分電路由電阻R1和電容C1構(gòu)成,電源經(jīng)電阻R1與電容C1串聯(lián)后接地,積分電容C1的電壓信號端經(jīng)電阻R3接單片機的第二個數(shù)字輸入/輸出端口GP1。具體如下見圖2所示,PIC12F629單片機的數(shù)字輸入/輸出端口GP0、GP1、GP2,這三個端子除了可用作標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字輸入/輸出端口外,還可作為模擬比較器用,其中GP0比較器的輸入端(+),接溫度傳感器變送傳來的電壓信號;GP1比較器的輸入端(-),接積分電容的電壓信號;GP2比較器的輸出端。
      單積分式A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作過程如下1、定義GP1為輸出,并將“0”寫入GP1,使電容C1徹底放電,同時定時/計數(shù)器內(nèi)容清0;2、定義GP1、GP0為模擬比較器輸入,電容C1開始充電,電容C1上的電壓為Uc=Vcc(1-e-1RC)]]>只要電阻R1、電容C1選擇恰當(dāng),Uc與積分時間就能成正比。與此同時,啟動定時/計數(shù)器T0。當(dāng)比較器兩端電壓相等時,停止計數(shù),此時定時/計數(shù)器的內(nèi)容Count實際上就為此刻的檢測值。
      單片機利用其內(nèi)部定義的脈寬調(diào)制(PWM)模塊與RC濾波電路構(gòu)造了一個D/A轉(zhuǎn)換模塊,具體為單片機內(nèi)部由軟件定義了一個脈寬調(diào)制(PWM)模塊,通過寫內(nèi)部寄存器ccpr11或ccpr21可以使單片機數(shù)字輸出端口GP5輸出一定脈寬和周期的方波,經(jīng)RC濾波電路后輸出直流信號。PWM(脈寬調(diào)制)+FILTER(濾波)實際上完成了D/A轉(zhuǎn)換的功能。RC濾波電路由電阻R2和電容C2構(gòu)成,單片機的第三個數(shù)字輸入/輸出端口GP5一路經(jīng)電阻R2接大功率三極管的基極,另一路經(jīng)電容C2接地;大功率三極管的發(fā)射極接地,集電極接電源。
      為了顯示溫度值,恒流源設(shè)有SMS0401 LCM四位液晶顯示器,穩(wěn)定時的檢測值會通過SMS0401 LCM四位液晶顯示器顯示。該顯示器只占用單片機的兩個數(shù)字量輸出端口GP3、GP4。對于顯示器來說,CLK串行數(shù)據(jù)輸入;SDI串行移位脈沖輸入。這樣極大的節(jié)約了單片機有限的接口資源。其地址映射表如下

      單片機的輸入/輸出端口GP2與一個設(shè)定按鈕K連接。
      總之,單片機中使用了4個數(shù)字輸入端口GP0、GP1、GP2、GP5,其中有3個與A/D、D/A復(fù)用。這些數(shù)字輸入端口用來作為人機對話端口采集溫度設(shè)定值、PID參數(shù)的設(shè)定值。單片機中使用了2個數(shù)字輸出端口GP3、GP4,用來作為人機對話端口對各種參數(shù)的顯示。
      本實施例的控制原理如下PIC12F629單片機的內(nèi)部由軟件構(gòu)造了一個脈寬調(diào)制(PWM)模塊。PWM單片機數(shù)字輸出端口GP5輸出一定脈寬和周期的方波信號,經(jīng)RC濾波后輸出直流信號,可以控制通過D880大功率三極管平均電流大小,當(dāng)通過三極管的電流達(dá)到一定值時,三極管就開始發(fā)熱,同時其熱量很快就被周圍的導(dǎo)熱膠以及散熱片金屬體所吸收。TMP37溫度傳感器緊貼在散熱片金屬體上,它可以把檢測到的溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號傳送給單積分式A/D轉(zhuǎn)換模塊,并與用戶輸入的預(yù)期溫度相比較后,調(diào)整PWM的占空比即改變D880大功率三極管的電流。當(dāng)單片機輸出一個電壓uo,就能在基極b產(chǎn)生較小的電流ib,由于三極管的放大作用,就能得到較大的集電極電流ic而使散熱片發(fā)熱。所以,T=f(uo)。這樣發(fā)熱元件的溫度與發(fā)熱電流就實現(xiàn)了一個動態(tài)平衡,使發(fā)熱元件溫度穩(wěn)定。
      用戶可以通過系統(tǒng)界面上的按鈕,對預(yù)期溫度進行更改,更改值會通過SMS0401 LCM四位液晶顯示器實時顯示,再經(jīng)過一個較小的溫度調(diào)整周期,便達(dá)到恒溫狀態(tài)。內(nèi)部電可擦寫存儲器EEPROM,可以記錄用戶的溫度的前次設(shè)定值。開機時自動以該溫度為預(yù)期溫度進行控制,直到有新的溫度值寫入。
      本實施例軟件方案見圖4和圖5,但需要說明的是1、一般的溫度采集傳感器都不是線性的,而本實施例由于使用的TMP37溫度傳感器有很好的線性度,所以軟件實現(xiàn)就比較簡單,避免了很多計算過程。2、系統(tǒng)用到INT1中斷用來讓用戶設(shè)定預(yù)期值。3、每執(zhí)行一次中斷服務(wù)子程序,溫度設(shè)定值增加或減少0.1℃。然后系統(tǒng)會以新的溫度預(yù)期值為目標(biāo)調(diào)節(jié)。
      權(quán)利要求1.一種小型恒溫源,其特征在于包括PIC12F629型單片機、溫度傳感器、RC積分電路、RC濾波電路以及大功率三極管,其連接關(guān)系如下(1)、溫度傳感器緊貼大功率三極管的散熱片安裝,其輸出電壓信號端接單片機的第一個數(shù)字輸入/輸出端口;(2)、RC積分電路由電阻[R1]和電容[C1]構(gòu)成,電源經(jīng)電阻[R1]與電容[C1]串聯(lián)后接地,積分電容[C1]的電壓信號端經(jīng)電阻[R3]接單片機的第二個數(shù)字輸入/輸出端口;(3)、RC濾波電路由電阻[R2]和電容[C2]構(gòu)成,單片機的第三個數(shù)字輸入/輸出端口一路經(jīng)電阻[R2]接大功率三極管的基極,另一路經(jīng)電容[C2]接地;(4)、大功率三極管的發(fā)射極接地,集電極接電源。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型恒溫源,其特征在于還包括一顯示器,單片機的第四和第五個數(shù)字輸入/輸出端口與顯示器連接。
      3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的小型恒溫源,其特征在于所述顯示器采用SMS0401LCM四位液晶顯示器。
      4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型恒溫源,其特征在于所述溫度傳感器采用TMP37電壓輸出型溫度傳感器。
      5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型恒溫源,其特征在于所述大功率三極管為D880大功率三極管。
      專利摘要本實用新型涉及一種可作為標(biāo)定溫度計及同類儀器標(biāo)準(zhǔn)溫度的恒溫源,它以PIC12F629單片機為核心,利用單片機中比較器構(gòu)造的A/D模塊采集TMP37溫度傳感器轉(zhuǎn)化的溫度輸入信號,經(jīng)單片機的脈寬調(diào)制PWM處理輸出控制信號至D880大功率三極管,使其發(fā)熱至給定的溫度。恒溫源的工作過程由單片機的程序來控制。該裝置具有成本低、體積小、重量輕,啟動快、調(diào)溫周期短等優(yōu)點。特別是它的成本僅十元左右,不到黑體輻射恒溫源的千分之一。
      文檔編號G05D23/19GK2755660SQ2004200550
      公開日2006年2月1日 申請日期2004年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月20日
      發(fā)明者杜方迅 申請人:杜方迅
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