一种基于物联网的温控模拟实验箱装置的制作方法

本实用新型涉及一种温控模拟实验箱装置，尤其是涉及一种基于物联网的温控模拟实验箱装置。

背景技术：

目前，物联网的概念已经被提及多年，但一直没有为大众所熟悉，近两年，移动互联网与智能硬件的结合发展，慢慢地拉开了物联网发展的序幕。作为国家倡导的新兴战略性产业，物联网备受各界重视，并成为就业前景广阔的热门领域，使得物联网成为各家高校争相申请的一个新专业。教育部审批设置的高等学校战略性新兴产业本科专业中有“物联网工程”、“传感网技术”和“智能电网信息工程”三个与物联网技术相关的专业，此三个专业从2011年才开始首次招生。我国物联网发展的十年目标是把我国初步建成物联网技术创新国家。教育部工信部授权理工科高校开设物联网课程，为学生传授物联网相关课程，但凸显劣势的是，师资相对缺乏，教学设备也不够齐全。

现今市场上的一些物联网教学实验箱，利用传感器对环境信息进行监测时，只能够读取环境参数，而不能实现自动控制环境的变化情况。而且不能实现与智能终端如手机、电脑等连接，应用场景与范围不够广泛。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于物联网的温控模拟实验箱装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于物联网的温控模拟实验箱装置，该装置包括控制单元和分别与之连接的温度检测单元、温度调节单元、显示单元和数据传输单元，所述的数据传输单元包括用于与监控终端连接的RS485通信模块以及与移动终端连接的无线通信模块。

所述的温度检测单元包括温度传感器。

所述的温度调节单元包括分别与控制单元连接的升温模块和降温模块。

升温模块包括24V开关电源、调压电路和电热板，所述的24V开关电源通过调压电路连接电热板。

所述的调压电路包括数字控制可变电阻芯片AD8400、稳压芯片LM2596和反馈网络，可变电阻芯片AD8400输入端连接控制单元，可变电阻芯片AD8400输出端连接至反馈网络，所述的稳压芯片LM2596输入端连接24V开关电源，稳压芯片LM2596输出端连接反馈网络输入端，反馈网络输出端连接稳压芯片LM2596反馈端，进而形成反馈电路，稳压芯片LM2596输出端电压V_OUT与可变电阻芯片AD8400输出端电阻R_x至呈下述关系：

其中，V_REF为稳压芯片LM2596内部参考电压。

所述的降温模块包括电风扇和直流驱动电机，所述的控制单元通过直流驱动电机连接所述的电风扇。

所述的显示单元包括LED显示屏。

该装置还包括用于报警的蜂鸣器，所述的蜂鸣器连接所述的控制单元。

所述的控制单元包括基于ARM的嵌入式处理器。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

(1)设置的温度检测单元、温度调节单元和温度控制单元不仅能够实现温度的检测，同时还能进行温度的智能控制，使得该模拟实验箱装置功能多样；

(2)设置RS485通信模块可以实现监控终端的实时联网监控，设置的无线通信模块能够实现移动终端的查看，形式多样，方便监控人员进行监控；

(3)通过调压电路输出不同电压的值，从而通过调压开关电源的输出电压不同来控制电热板的发出的热量，调节可靠。

附图说明

图1为本实用新型温控模拟实验箱装置的结构框图；

图2为本实用新型数字可变电阻电路的电路原理图；

图3为本实用新型电源电路的电路原理图；

图4为本实用新型反馈网络的电路原理图。

图中，1为控制单元，2为温度传感器，3为调压电路，4为24V开关电源，5为电热板，6为电风扇，7为直流驱动电机，8为LED显示屏，9为无线通信模块，10为移动终端，11为RS485通信模块，12为监控终端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于物联网的温控模拟实验箱装置，该装置包括控制单元1和分别与之连接的温度检测单元、温度调节单元、显示单元和数据传输单元，数据传输单元包括用于与监控终端12连接的RS485通信模块11以及与移动终端10连接的无线通信模块9，控制单元1采用基于ARM的嵌入式处理器，本实施例中采用STM32F103ZET6，温度检测单元包括温度传感器2，该实施例中温度传感器2采用ds18B20，直接采集环境的温度信息，显示单元包括LED显示屏8，STM32F103ZET6处理器控制LED屏显示温度传感器2实时检测到到的环境温度值，无线通信模块9采用WIFI模块，具体采用ESP8266，可以通过移动终端10如手机、PAD等实现温度的实时监控，另外采用RS485通信模块11实现控制单元1和监控终端12的有线通信，监控终端12为PC机，在PC机上利用labview软件设计上位机监测界面，从而实现温度的有效监控，采用有线通信的方式能够实现一台监控终端12同时监控多个试验箱装置，从而对不同空间的环境温度进行监控。

温度调节单元包括分别与控制单元1连接的升温模块和降温模块，当控制单元1监控到温度低于设定值时，通过升温模块进行升温，当控制单元1监控到温度高于设定值时，通过降温模块进行降温。

其中，升温模块包括24V开关电源4、调压电路3和电热板5，所述的24V开关电源4通过调压电路3连接电热板5。

调压电路3包括数字控制可变电阻芯片AD8400、稳压芯片LM2596和反馈网络，数字控制可变电阻芯片AD8400组成数字可变电阻电路，具体如图2所示，可变电阻芯片AD8400输入端连接控制单元1，即图中可变电阻芯片AD8400的3脚、4脚和5脚分别连接PB12、PB11和PB10，PB12、PB11和PB10连接至STM32处理器的IO口，用于输出0～255之间的二级制数字信号，可变电阻芯片AD8400的7脚和8脚用于输出与输入端数字信号对应的电阻，其中7脚记作W1端，8脚记作A1端，W1端和A1端的电阻记作R_x，通过输入端输入的数字信号的变化来调节输出端输出电阻的变化，可变电阻芯片AD8400输出端连接至反馈网络，稳压芯片LM2596输入端连接24V开关电源4，稳压芯片LM2596输出端连接反馈网络输入端，反馈网络输出端连接稳压芯片LM2596反馈端，进而形成反馈电路。

LM2596组成电源电路，具体如图3所示，LM2596的1号脚分别通过电容C1和电容C2接地，LM2596的2号脚和3号脚均接地，LM2596的1号脚和3号脚连段并联连接24V开关电源4，LM2596的4号脚连接二极管D1阳极，二极管D1阴极接地，LM2596的4号脚还通过电感L1一端，电感L1另一端即为电压输出端，图中用OUT表示，电压输出端分别通过电容C3和C4接地，LM2596的5号脚通过电阻R1接地，且LM2596的5号脚连接返回网络输出端，记作FB，其中电容C1为100uF，电容C2为0.1uF，二极管D1为1N5824，电容C3为100uF，电容C2为0.1uF，

如图4所示，反馈网络为由4级运算放大器组成的反馈网络，通过两个LM358实现，稳压芯片LM2596的OUT端通过电阻R41连接至第一LM358的3号脚，第一LM358的3号脚还通过电阻R40接地，第一LM358的1号脚和2号脚相互连接并通过电阻R42连接至第一LM358的6号脚，第一LM358的6号脚还通过电阻R43连接第一LM358的7号脚，第一LM358的5号脚接地，第一LM358采用±5V双电源供电，第二LM358也采用±5V双电源供电，第二LM358的6号脚通过电阻R44连接第一LM358的7号脚，第二LM358的6号脚通过电阻R45连接可变电阻芯片AD8400的A1端，第二LM358的7号脚连接可变电阻芯片AD8400的W1端，第二LM358的5号脚接地，第二LM358的7号脚还连接至第二LM358的3号脚，第二LM358的2号脚通过电阻R51接地，第二LM358的1号脚通过电阻R50连接第二LM358的2号脚，第二LM358的1号脚记作FB，FB连接至LM2596的FB端。其中，电阻R40阻值为1K，电阻R41阻值为10K，电阻R42阻值为10K，电阻R43阻值为10K，电阻R44阻值为5K，电阻R50阻值为30K，电阻R51阻值为10K。稳压芯片LM2596输出端电压V_OUT与可变电阻芯片AD8400输出端电阻R_x至呈下述关系：

其中，V_REF为稳压芯片LM2596内部参考电压。

首先STM32F103ZET6处理器通过IO口PB10、PB11、PB12控制可变电阻芯片AD8400的A1端与W1端之间的电阻R_x的大小，然后反馈网络将输出端OUT反馈到稳压芯片LM2596的FB端，FB端电压与内部参考电压V_REF比较，就可以改变调压输出端的电压。通过采集不同的STM32F103ZET6处理器发出的信号与输出电压值，得到它们的函数关系，就可以实现准确的电压可调。通过实验得到STM32F103ZET6处理器发出的数字信号0～255与对应的稳压芯片LM2596输出端电压V_OUT的对应值，通过曲线拟合，可以得出：

y＝0.0009x⁵-0.071x⁴+2.0767x³-29.908x²+218.87x-460.78；

其中x为STM32F103ZET6处理器输出的数字信号，y为稳压芯片LM2596输出端电压V_OUT的值。

利用调压电路3来调节电压的输出值，来实现调节电热板5的发热量，而STM32F103ZET6处理器通过温度传感器2采集到环境的温度信息，将采集到的温度信息作为反馈量，将设定的温度值作为输入量，实现闭环控制，利用PID控制算法，计算出输出量，来设定调压电路3的输出量，从而实现温度自动控制系统。

降温模块包括电风扇6和直流驱动电机7，控制单元1通过直流驱动电机7连接电风扇6，当温度高于设定的值时，通过控制单元1控制直流驱动电机7，进而直流驱动电机7驱动风扇转动，实现降温效果。

另外，该装置还包括用于报警的蜂鸣器，蜂鸣器连接控制单元1，当温度传感器2检测到的环境温度值超过控制单元1设定的温度的上下限，控制单元1就会控制蜂鸣器和LED显示屏8工作，实现警报的功能。