专利名称：一种小型恒温源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种恒温源，特别涉及一种具有体积小、重量轻，启动快、调温周期短、成本低等特点的小型恒温源。这种小型恒温源可作为标定红外温度计以及同类温度测量仪器的标准温度源。
背景技术：
标定温度对于温度测量仪器来说是一种经常而重要的工作，然而温度标定需要一种标准温度源。以往公知技术中，标定温度的仪器有很多，常用的莫过于黑体辐射恒温源了。这种恒温源通常由一个特别大的铸铁件构成，其表面涂有黑体，然后将其放入水域中加温，使铸铁件携带大量热量。为了获得恒温效果，在铸铁件上开设一个小孔，由于孔内环境受外界干扰小，因此将其作为恒温点。以往实践证明，尽管黑体辐射恒温源特别适合于标定红外体温计以及同类温度测量仪器，但它也存在一定的缺陷，比如笨重而且起动慢，特别是高达数万元的价格，不仅增加了温度仪器的生产成本，而且使其推广应用受到了很大限制。
当今，随着计算机和控制技术的发展，人们利用单片机、温度传感器、A/D转换电路、D/A转换电路以及发热元件，从硬件角度来构建一个恒温源是可以实现的，然而问题的关键是要想设计一种以单片机为核心的小型、精简式恒温源，而且具有体积小、重量轻，启动快、调温周期短、成本低等特点，从技术上存在很大难度。就目前公开的现有技术来看，尚未有报道。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种以单片机为核心的小型化、精简式恒温源。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是一种小型恒温源，包括PIC12F629型单片机、温度传感器、RC积分电路、RC滤波电路以及大功率三极管，其连接关系如下(1)、温度传感器紧贴大功率三极管的散热片安装，其输出电压信号端接单片机的第一个数字输入/输出端口；(2)、RC积分电路由电阻R1和电容C1构成，电源经电阻R1与电容C1串联后接地，积分电容C1的电压信号端经电阻R3接单片机的第二个数字输入/输出端口；(3)、RC滤波电路由电阻R2和电容C2构成，单片机的第三个数字输入/输出端口一路经电阻R2接大功率三极管的基极，另一路经电容C2接地；(4)、大功率三极管的发射极接地，集电极接电源。
上述技术方案的有关内容解释如下1、PIC12F629型单片机是Mictochip公司生产的，它只有八条引脚，仅仅需要35个单字(14位)指令，可谓麻雀虽小，五脏俱全，是名符其实的单片机，特别适合构造嵌入式系统。该单片机可以通过写内部寄存器，对八条引脚中的六个数字输入输出端口(I/O端口)进行定义(另外两个引脚一个是供电端VDD，另一个是接地端VSS)，也就是说可以将这些端口定义为输出端口或输入端使用。除了可以设置为标准的数字输入输出端口(I/O端口)外，许多脚还有复用功能，它们是(1)六个标准数字输入输出端口GPIO port；(2)两个定时器/计数器TMR0和TMR1；(3)模拟比较器Comparator；(4)内部点可擦写存储器EEPROM。
2、上述方案中，发热元件采用大功率三极管，比如采用D880大功率三极管。这种大功率三极管通常用在较大电流的稳压电路中，由于电流较大，D880上装有散热片。这里应用它在通过大电流时本身发热的副作用，以及发热量与电流的正相关特性，把D880作为恒温源的发热元件使用。D880的电流放大倍数β＝100。
3、上述方案中，温度传感器作为一种换能器，它能将发热元件产生的热量转化为电压，比如采用AnalogDevices公司生产的TMP37为电压输出型温度传感器。它具有很好的线性度，见图3所示，可以作为单片机中A/D转换器的直接输入，而不用经过放大过程。
4、上述方案中，为了显示温度值，还可以设置一显示器，单片机的第四和第五个数字输入/输出端口与显示器连接。所述显示器可以采用SMS0401LCM四位液晶显示器。
本实用新型工作原理是以PIC12F629单片机为核心，利用单片机中比较器构造的A/D模块采集温度传感器转化的温度输入信号，经单片机的脉宽调制PWM处理输出控制信号至大功率三极管，使其发热至给定的温度。恒温源的工作过程由单片机的程序来控制。
由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有以下特点1、从技术角度，本实用新型的核心技术是采用了的PIC12F629单片机作为恒温源的控制器。众所周知，在许多应用和设计中都要用到数据采集和实时控制，然而市场上并没有看到专门用于采集加控制的芯片。如果分别采用A/D转换模块、D/A转换模块和必要的智能芯片来实现同样的功能，无疑是对资源和资金的浪费，成本相应就会提高。本方案设计中，PIC12F629单片机的输入和输出端，没有专门的A/D转换模块、D/A转换模块，而是利用单片机内置的模拟比较器和定时器与RC积分电路构造了一个单积分式A/D转换模块；并且在单片机内部软件定义了一个脉宽调制(PWM)模块，使单片机输出一定脉宽和周期的方波，经RC滤波后得到直流信号，实际上完成了D/A转换功能。因此，可以说本方案硬件设计中没有专门的A/D转换模块、D/A转换模块，是真正意义上的最小控制系统。
2、本实用新型利用大功率三极管在通过大电流时本身发热的副作用，以及发热量与电流的正相关特性，将大功率三极管作为恒温源的发热元件使用，从效果方面不仅结构简单可靠，而且成本很低。
3、本实用新型与现有技术相比具有成本低、体积小、重量轻，启动快、调温周期短等优点。特别是它的成本仅十元左右，不到黑体辐射恒温源的千分之一。
附图1为本实用新型电路结构图；附图2为本实用新型单积分式A/D转换原理图；附图3为TMP37温度传感器电压与温度线性关系图；附图4为本实用新型软件流程图；附图5为本实用新型中断服务子程序流程图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述实施例参见附图1所示，一种小型恒温源，由PIC12F629型单片机、TMP37电压输出型温度传感器、RC积分电路、RC滤波电路、D880大功率三极管、SMS0401LCM四位液晶显示器和设定按钮K组成。
PIC12F629型单片机作为恒温源的控制器，有八条引脚，其中六个为数字输入输出端口GP0～GP5，一个为供电端VDD，另一个为接地端VSS。
TMP37温度传感器紧贴D880大功率三极管的散热片安装，其输出电压信号端接单片机的第一个数字输入端口GP0，将大功率三极管产生的热量转化为电压信号。
单片机利用其内置的模拟比较器和定时器与RC积分电路构造成一个单积分式A/D转换模块。RC积分电路由电阻R1和电容C1构成，电源经电阻R1与电容C1串联后接地，积分电容C1的电压信号端经电阻R3接单片机的第二个数字输入/输出端口GP1。具体如下见图2所示，PIC12F629单片机的数字输入/输出端口GP0、GP1、GP2，这三个端子除了可用作标准的数字输入/输出端口外，还可作为模拟比较器用，其中GP0比较器的输入端(+)，接温度传感器变送传来的电压信号；GP1比较器的输入端(-)，接积分电容的电压信号；GP2比较器的输出端。
单积分式A/D转换模块的工作过程如下1、定义GP1为输出，并将“0”写入GP1，使电容C1彻底放电，同时定时/计数器内容清0；2、定义GP1、GP0为模拟比较器输入，电容C1开始充电，电容C1上的电压为Uc=Vcc(1-e-1RC)]]>只要电阻R1、电容C1选择恰当，Uc与积分时间就能成正比。与此同时，启动定时/计数器T0。当比较器两端电压相等时，停止计数，此时定时/计数器的内容Count实际上就为此刻的检测值。
单片机利用其内部定义的脉宽调制(PWM)模块与RC滤波电路构造了一个D/A转换模块，具体为单片机内部由软件定义了一个脉宽调制(PWM)模块，通过写内部寄存器ccpr11或ccpr21可以使单片机数字输出端口GP5输出一定脉宽和周期的方波，经RC滤波电路后输出直流信号。PWM(脉宽调制)+FILTER(滤波)实际上完成了D/A转换的功能。RC滤波电路由电阻R2和电容C2构成，单片机的第三个数字输入/输出端口GP5一路经电阻R2接大功率三极管的基极，另一路经电容C2接地；大功率三极管的发射极接地，集电极接电源。
为了显示温度值，恒流源设有SMS0401 LCM四位液晶显示器，稳定时的检测值会通过SMS0401 LCM四位液晶显示器显示。该显示器只占用单片机的两个数字量输出端口GP3、GP4。对于显示器来说，CLK串行数据输入；SDI串行移位脉冲输入。这样极大的节约了单片机有限的接口资源。其地址映射表如下
单片机的输入/输出端口GP2与一个设定按钮K连接。
总之，单片机中使用了4个数字输入端口GP0、GP1、GP2、GP5，其中有3个与A/D、D/A复用。这些数字输入端口用来作为人机对话端口采集温度设定值、PID参数的设定值。单片机中使用了2个数字输出端口GP3、GP4，用来作为人机对话端口对各种参数的显示。
本实施例的控制原理如下PIC12F629单片机的内部由软件构造了一个脉宽调制(PWM)模块。PWM单片机数字输出端口GP5输出一定脉宽和周期的方波信号，经RC滤波后输出直流信号，可以控制通过D880大功率三极管平均电流大小，当通过三极管的电流达到一定值时，三极管就开始发热，同时其热量很快就被周围的导热胶以及散热片金属体所吸收。TMP37温度传感器紧贴在散热片金属体上，它可以把检测到的温度转换成电压信号传送给单积分式A/D转换模块，并与用户输入的预期温度相比较后，调整PWM的占空比即改变D880大功率三极管的电流。当单片机输出一个电压uo，就能在基极b产生较小的电流ib，由于三极管的放大作用，就能得到较大的集电极电流ic而使散热片发热。所以，T＝f(uo)。这样发热元件的温度与发热电流就实现了一个动态平衡，使发热元件温度稳定。
用户可以通过系统界面上的按钮，对预期温度进行更改，更改值会通过SMS0401 LCM四位液晶显示器实时显示，再经过一个较小的温度调整周期，便达到恒温状态。内部电可擦写存储器EEPROM，可以记录用户的温度的前次设定值。开机时自动以该温度为预期温度进行控制，直到有新的温度值写入。
本实施例软件方案见图4和图5，但需要说明的是1、一般的温度采集传感器都不是线性的，而本实施例由于使用的TMP37温度传感器有很好的线性度，所以软件实现就比较简单，避免了很多计算过程。2、系统用到INT1中断用来让用户设定预期值。3、每执行一次中断服务子程序，温度设定值增加或减少0.1℃。然后系统会以新的温度预期值为目标调节。
权利要求1.一种小型恒温源，其特征在于包括PIC12F629型单片机、温度传感器、RC积分电路、RC滤波电路以及大功率三极管，其连接关系如下(1)、温度传感器紧贴大功率三极管的散热片安装，其输出电压信号端接单片机的第一个数字输入/输出端口；(2)、RC积分电路由电阻[R1]和电容[C1]构成，电源经电阻[R1]与电容[C1]串联后接地，积分电容[C1]的电压信号端经电阻[R3]接单片机的第二个数字输入/输出端口；(3)、RC滤波电路由电阻[R2]和电容[C2]构成，单片机的第三个数字输入/输出端口一路经电阻[R2]接大功率三极管的基极，另一路经电容[C2]接地；(4)、大功率三极管的发射极接地，集电极接电源。
2.根据权利要求1所述的小型恒温源，其特征在于还包括一显示器，单片机的第四和第五个数字输入/输出端口与显示器连接。
3.根据权利要求2所述的小型恒温源，其特征在于所述显示器采用SMS0401LCM四位液晶显示器。
4.根据权利要求1所述的小型恒温源，其特征在于所述温度传感器采用TMP37电压输出型温度传感器。
5.根据权利要求1所述的小型恒温源，其特征在于所述大功率三极管为D880大功率三极管。
专利摘要本实用新型涉及一种可作为标定温度计及同类仪器标准温度的恒温源，它以PIC12F629单片机为核心，利用单片机中比较器构造的A/D模块采集TMP37温度传感器转化的温度输入信号，经单片机的脉宽调制PWM处理输出控制信号至D880大功率三极管，使其发热至给定的温度。恒温源的工作过程由单片机的程序来控制。该装置具有成本低、体积小、重量轻，启动快、调温周期短等优点。特别是它的成本仅十元左右，不到黑体辐射恒温源的千分之一。
文档编号G05D23/19GK2755660SQ2004200550
公开日2006年2月1日 申请日期2004年12月20日 优先权日2004年12月20日
发明者杜方迅 申请人:杜方迅