一种基于USB总线的主从式恒温实验装置的制作方法

本实用新型涉及恒温实验装置领域，尤其涉及一种基于USB总线的主从式恒温实验装置。

背景技术：

在工业生产和科研实验中，经常需要保持生产环境或者实验环境中的温度在一个预定的范围内。如果温度超过预定的范围，则会对生产或者实验造成不良的后果。

目前，传统的恒温装置往往是通过温度传感器检测恒温腔内的温度，然后在利用设置于恒温腔外壁的循环水腔，对恒温腔内的温度进行实时调节，从而将恒温腔内的温度保持在一个正常范围内。

然而现有技术中的这种传统的恒温装置无法满足远程测控系统的需求，无法充分利用上位PC机的计算资源，影响了控制效果的进一步提升。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于USB总线的主从式恒温实验装置，可实现上下位机间的快速数据通信，进而实现对温度的远程精确控制。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于USB总线的主从式恒温实验装置，所述装置包括PC机、型号为CY7C68013A的主控单片机、功率驱动电路、直流加热棒、测温热电阻、热电阻温度变送器、采样电阻、模数转换器以及电源模块，其中，所述PC机与所述主控单片机之间通过USB通信线相连，所述直流电加热棒和所述测温热电阻均位于预设水杯中，所述主控单片机通过所述功率驱动电路与所述直流电加热棒相连，所述测温热电阻通过依次相连的所述热电阻温度变送器、所述采样电阻、所述模数转换器与所述主控单片机相连，所述电源模块用于将5V电压转换为3.3V电压并向所述主控单片机供应3.3V的电压。

进一步地，所述功率驱动电路包括达林顿三极管、续流二极管、第一发光二极管和继电器，所述达林顿三极管的基极与所述主控单片机的引脚30相连，所述达林顿三极管的集电极与所述续流二极管的正极相连，所述续流二极管的负极与所述第一发光二极管的正极以及所述继电器的一端相连，所述第一发光二极管的负极通过第十一电阻与所述继电器的另一端相连，所述主控单片机的引脚30和所述续流二极管的负极之间还连接有第六电阻。

进一步地，所述装置还包括与所述主控单片机相连的液晶显示器和按键电路。

进一步地，所述按键电路包括结构相同的第一按键支路、第二按键支路、第三按键支路以及第四按键支路，其中，每个按键支路均包括相串联的电阻和按键开关，每个按键支路的一端均与直流电源相连，所述第一按键支路的另一端与所述主控单片机的引脚40相连，所述第二按键支路的另一端与所述主控单片机的引脚41相连，所述第三按键支路的另一端与所述主控单片机的引脚42相连，所述第四按键支路的另一端与所述主控单片机的引脚43相连。

进一步地，所述装置还包括与所述主控单片机相连的用于存储USB配置参数和所述主控单片机工作参数的存储器。

进一步地，所述电源模块使用AMS1117三端稳压器，输入所述三端稳压器的5V电压取自于所述PC机的USB端口，所述5V电压通过保险丝与所述稳压器的输入端口相连，所述稳压器的输入端口与地之间以及输出端口与地之间分别连接有第六电容和第七电容，所述稳压器的输入端口与地之间还依次连接有第二发光二极管和第十二电阻，所述稳压器的输出端口与地之间还依次连接有第三发光二极管和第十三电阻。

由以上本实用新型提供的技术方案可见，本装置以USB总线为通信纽带，能够连接主控单片机和PC机，从而便于实验者了解与体验基于USB的主从式恒温系统的构建与运行方式。本装置所构建的主从式恒温系统，以CY7C68013A主控单片机为核心，可实现对温度装置的数据采集、闭环控制、数据通信等功能，配合PC机以USB通信为纽带，可实现对温度的远程监测、数据通信、参数设置及过程曲线显示。本实用新型中的恒温实验装置采用主从式的结构，不但能够快速地对温度变化做出响应，还能够精确地对温度进行控制。

附图说明

图1为本实用新型中恒温实验装置的结构示意图；

图2为本实用新型中恒温实验装置的电路示意图；

图3为本实用新型中电源模块的电路示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方式，都应当属于本申请保护的范围。

图1为本实用新型中恒温实验装置的结构示意图。请参阅图1，所述装置包括PC机1、型号为CY7C68013A的主控单片机2、功率驱动电路3、直流加热棒4、测温热电阻5、热电阻温度变送器6、采样电阻7、模数转换器8以及电源模块9，其中，所述PC机1与所述主控单片机2之间通过USB通信线10相连，所述直流电加热棒4和所述测温热电阻5均位于预设水杯11中，所述主控单片机2通过所述功率驱动电路3与所述直流电加热棒4相连，所述测温热电阻5通过依次相连的所述热电阻温度变送器6、所述采样电阻7、所述模数转换器8与所述主控单片机2相连，所述电源模块9用于将5V电压转换为3.3V电压并向所述主控单片机2供应3.3V的电压。

此外，所述装置还包括与所述主控单片机2相连的液晶显示器12和按键电路13，所述装置还包括与所述主控单片机2相连的用于存储USB配置参数和所述主控单片机工作参数的存储器14。

在本实用新型中，CY7C68013A主控单片机实现装置的主控功能，用于控制装置完成测控、USB通讯、人机接口等功能。CY7C68013A主控单片机内置的USB控制功能配合相应的硬件、软件及固件设计以及PC机侧的驱动程序、应用程序设计，最终可实现USB数据通信。

测温热电阻和热电阻温度变送器能够配合实现温度测量，测温热电阻将待测温度转化为电阻变化，热电阻温度变送器则将电阻变化转换为4-20mA的电流，再利用一个100Ω的电阻将电流转换为0.4-2.0V的电压送入模数转换器，以配合主控单片机实现数据采样，最终实现PC机侧的本地温度控制。

在本实用新型中，由于主控单片机不直接支持模数转换，因此必须为其扩展模数转换器。常见的模数转换器有基于并行接口、SPI接口及I2C接口的，所述主控单片最方便的是使用I2C接口。因此在本实用新型中可以使用型号为MOC3021的模数转换器。该器件采用SOT23封装，体积小巧，支持I2C接口，最高转换速率为22Ksps，转换精度为10位分辨率，使用非常方便灵活。

所述存储器的型号可以是AT24C128，该存储器用于存储主控单片机的工作参数及USB配置参数(VID、PID、DID等)，与MOC3021模数转换器均采用相同的I2C总线通信，连接到主控单片机的SCL及SDA引脚。为了保证数据通信过程的互不干扰，MOC3021模数转换器的设备地址可以为1010001，而存储器的设备地址则可以为1001101。

所述直流加热棒可以采用12V，75W的低压安全产品，而不使用220V的加热器，以保证使用者的人身安全。由于所需功率较大，可以通过所述功率驱动电路对其进行驱动。这样，既达到了功率驱动的目的，也达到了控制电路与驱动功率电路隔离的作用，以尽量提高装置的抗干扰能力，并保护主控单片机的安全。

所述液晶显示器的型号可以为LCD5110，所述液晶显示器和所述按键电路可以构成PC机的人机接口，用于本地监测及参数设置。

请参阅图2，在本实用新型中，所述功率驱动电路包括达林顿三极管Q1、续流二极管D1、第一发光二极管LED1和继电器J1，所述达林顿三极管Q1的基极与所述主控单片机的引脚30相连，所述达林顿三极管的集电极与所述续流二极管D1的正极相连，所述续流二极管D1的负极与所述第一发光二极管LED1的正极以及所述继电器J1的一端相连，所述第一发光二极管LED1的负极通过第十一电阻R11与所述继电器J1的另一端相连，所述主控单片机的引脚30和所述续流二极管D1的负极之间还连接有第六电阻R6。

在本实用新型中，所述三极管组可以将所述主控单片机的引脚30输出的控制信号放大后驱动所述继电器J1。所述继电器J1从而可以通过开关K1，来控制所述直流加热棒是否处于工作状态。所述直流加热棒是否处于工作状态可以通过所述第一发光二极管LED1来指示。所述续流二极管D1用来为了防止继电器J1在断开时产生反电动势损坏电路元件。所述第六电阻用来为所述三极管组提供驱动电压。

请参阅图2，所述按键电路包括结构相同的第一按键支路、第二按键支路、第三按键支路以及第四按键支路，其中，每个按键支路均包括相串联的电阻和按键开关。例如，第一按键支路中包括相串联的电阻R3和按键开关BTN2。每个按键支路的一端均与直流电源相连，所述第一按键支路的另一端与所述主控单片机的引脚40相连，所述第二按键支路的另一端与所述主控单片机的引脚41相连，所述第三按键支路的另一端与所述主控单片机的引脚42相连，所述第四按键支路的另一端与所述主控单片机的引脚43相连。这样，通过控制各个按键支路中按键开关的通断，从而可以向所述主控单片机发送控制命令。。

请参阅图3，所述电源模块使用AMS1117三端稳压器U3，输入所述三端稳压器的5V电压取自于所述PC机的USB端口P1，所述5V电压通过保险丝F1与所述稳压器U3的输入端口VIN相连，所述稳压器U3的输入端口VIN与地之间以及输出端口VOUT与地之间分别连接有第六电容C6和第七电容C7，所述稳压器U3的输入端口VIN与地之间还依次连接有第二发光二极管LED2和第十二电阻R12，所述稳压器U3的输出端口VOUT与地之间还依次连接有第三发光二极管LED3和第十三电阻R13。所述稳压器U3可以将5V输入电压转换为3.3V的电压，从而能够为所述主控单片机供电。在本实施方式中，所述第六电容C6和第七电容C7可以为滤波电容，从而保证电路输出电压的稳定。所述第二发光二极管LED2和第三发光二极管LED3能够用来分别指示输入端口VIN和输出端口VOUT的工作状态。

由以上本实用新型提供的技术方案可见，本装置以USB总线为通信纽带，能够连接主控单片机和PC机，从而便于实验者了解与体验基于USB的主从式恒温系统的构建与运行方式。本装置所构建的主从式恒温系统，以CY7C68013A主控单片机为核心，可实现对温度装置的数据采集、闭环控制、数据通信等功能，配合PC机以USB通信为纽带，可实现对温度的远程监测、数据通信、参数设置及过程曲线显示。本实用新型中的恒温实验装置采用主从式结构，不但能够快速地对温度变化做出响应，还能够精确地对温度进行控制。

上面对本申请的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。其不旨在是穷举的、或者不旨在将本实用新型限制于单个公开的实施方式。如上所述，本申请的各种替代和变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本申请旨在包括在此已经讨论过的本实用新型的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其它实施方式。

本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。

虽然通过实施方式描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。