液氮降温的霜冻模拟自动记录控制器的制作方法

本发明属于气象灾害防灾减灾技术设备领域，特别涉及一种液氮降温的霜冻模拟自动记录控制器。

背景技术：

霜冻是我国农业生产中面临的最主要低温灾害，其本质为低温(一般-8℃~0℃)，致使植物叶片、茎干、花朵、果实等细胞结构破坏，失去生物活性或死亡。霜冻是制约经济林果生产的主要农业气象灾害，无论是小麦、玉米等大宗粮食作物，还是杏、桃、梨、苹果、葡萄等特色经济林果，都会受到霜冻的威胁。

研究霜冻灾害对经济林果影响的规律是促进生产的第一步。探究不同农林作物的种类、不同生长期霜冻指标，可为霜冻预报、监测预警、霜冻灾害风险评估和灾害防御提供科学决策依据。目前，霜冻监测和研究普遍使用常规自动气象站作为数据收集的主要手段，支撑霜冻自动化研究设备困乏成为制约霜冻灾害指标研究的重要瓶颈。

现阶段产品霜冻试验箱属于固定场地使用产品，现在市场相关产品保有量和使用范围较小，目前主要集中在医疗、试验室环境模拟、生物培育及食品保鲜等领域。其主要制冷原理以电力为能量来源，使用压缩制冷剂的方法进行热量转移。该类试验箱存在以下缺点：①体积和重量大，野外搬运和移动困难；②需要市电供电，耗能较大，在野外不能提供市电条件下，无法进行正常试验。

根据知网专利“野外霜冻试验箱”检索结果，国外现阶段没有相似产品发布，国内具有初步研究应用并申请专利的有如下三项：

专利申请号为：cn200420000137.9的中国发明专利，公开了“移动式温度控制箱”，该装置设计为上下结构，采用传统电机压缩制冷剂方式，组合式结构移动较为方便，但由于野外电力条件受限，制约该设备的广泛使用。

专利申请号为：cn201510768288.1的中国发明专利，公开了“野外霜冻试验箱”，该装置具有液氮制冷、体积小、重量轻、采用野外蓄电池供电等特点，从机制和结构上实现了液氮制冷和温度调节控制功能。但该设备主要靠人工调节，操作流程繁琐，控制精度依赖于人工熟练程度，没有实现自动温度控制。

专利申请号为：cn201610683310.7的中国发明专利，公开了“一种野外霜冻模拟控制试验箱”。该装置使用了液氮制冷和热水加热方法实现降温和升温控制，并使用了野外蓄电池供电，外挂简便温度记录仪，初步具备了预设固定温度（0℃，-1℃，-2℃）恒温控制。但该装置依然依靠人工观察温度记录仪测量值，进行调节控制，没有建立闭环温度控制系统，观测精度依赖人工经验。

以上三种产品中，“移动式温度控制箱”控制器基于控制电机压缩制冷剂转移热量的传统方式进行控制，没有使用液氮释放原理进行制冷温度控制；第二种和第三种专利产品虽然基于液氮释放进行温度控制，但是控制过程依赖于人工调整控制温度，并且仅适用于某些霜冻温度指标点（0℃，-1℃，-2℃），没有实现霜冻全过程自动化跟踪调整。根据百度和淘宝搜素结果，目前并未有适用于液氮释放降温原理的霜冻模拟自动记录控制器产品。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有野外霜冻试验装置温度控制器存在的不足之处，提供一种液氮降温的霜冻模拟自动记录控制器。

本发明采用的技术方案如下：

液氮降温的霜冻模拟自动记录控制器，包括mcu、数码管、旋转编码开关、usb接口、显示屏、电压转换器、电源开关、继电器、pwm发生器、外壳组成。mcu、数码管、旋转编码开关、电压转换器、电源开关、继电器、pwm发生器安装在外壳内。u盘插接在usb接口，usb接口通过数据线与mcu相连，显示屏通过数据线与mcu相连，电压转换器与电源开关电性连接，蓄电池通过电缆与电源开关电性连接，pwm发生器与数码管、旋转编码开关电性连接，控制器设有iic接口、单总线接口，通过数据线与温度探头相连，并通过数据线与显示屏相连；继电器与pwm发生器电性连接，再通过电缆与制冷风扇、加热风扇相连；控制器通过温度探头采集实验箱内部当前温度，经电缆送至mcu，计算温度调节指标；同时经数据线连接的usb接口保存到u盘；u盘保存用户预设霜冻降温曲线和时间数据，电源开关接通后mcu读取数据，进入温度调节状态；mcu计算当前温度与目标温度的偏离指标，并决定是否启动继电器，开启制冷风扇或加热风扇；mcu获取温度变化速度，计算温度调节指标并转换为pwm值，经数据总线发送pwm指令至pwm发生器，产生的pwm信号调节制冷风扇和加热风扇转速，最终调节实验箱内部温度达到用户目标温度，并维持温度平衡。

为了使控制器适用于液氮蒸发原理，完成制冷、加热过程，支持用户自定义霜冻过程模拟，同时完成全过程温度跟踪控制和自动记录。本发明选择stm32单片机作为信息采集处理器件，在温度探头、mcu、继电器、pwm发生器、制冷制热风扇之间建立了采集、跟踪、控制闭环反馈机制。

该控制器通过温度探头采集实验箱内部当前温度，mcu实时计算当前温度与目标温度间的偏差，通过温度偏差评估指标模型，转换为对应的继电器开关变量和速度调节pwm值。进一步，mcu发送继电器动作指令，启动继电器工作，完成制冷制热状态转换。同时，mcu发送波形占空比指令指示pwm发生器对应通道1（或2）产生相应的占空比波形，驱动制冷（制热）风扇调节速度（改变液氮挥发速度或改变外部空气混合速度），完成制冷和加热两个功能，使箱内温度逐渐逼近目标温度。用户预置模拟霜冻温度变化曲线数据保存于u盘，通过usb接口经数据线与mcu完成数据交换。实验数据开始后，控制器定时更新下一个目标温度，引导控制器逐步完成霜冻全过程温度跟踪，直到实验结束。实验期间，mcu持续采集数据，并通过数据线将观测数据写回到u盘，完成数据全过程自动记录。旋转编码开关完成启动观测和时钟调整辅助功能，实验过程中，实验时间和数据通过显示屏和数码管进行实时显示。

本发明的有益效果是：

1、该装置在stm32单片机的基础上附加温度偏差评估指标模型，完成制冷、加热状态自动转换过程；本发明在温度探头、mcu、继电器、pwm发生器、制冷制热风扇之间建立了采集、跟踪、控制闭环反馈机制，控制当前温度逐渐逼近目标温度，使该控制器适用于液氮挥发原理。

2、采用外置u盘作为预置霜冻模拟数据载体，方便用户更新霜冻过程温度变化曲线，支持用户进行多类型强度霜冻实验。

3、本控制器根据预置温度时间变化曲线，定时更新下一个目标温度，引导控制器逐步完成霜冻全过程温度跟踪，直到实验结束。实验期间，mcu持续采集数据，并通过数据线将观测数据写回到u盘，完成数据全过程数据记录。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1：mcu，2：数据线，3：usb接口，4：u盘，5：数码管，6：旋转编码开关，7：显示屏，8：电压转换器，9：蓄电池，10：电源开关，11：iic接口，12：单总线接口，13：继电器ⅰ，14：继电器ⅱ，15：pwm发生器，16：ⅰ型温度探头，17：ⅱ型温度探头，18：制冷风扇，19：加热风扇，20：电缆21：外壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案具体实施方式做进一步描述。

实施例1

如图1所示，液氮降温的霜冻模拟自动记录控制器，包括mcu1、数码管5、旋转编码开关6、usb接口3、显示屏7、电压转换器8、电源开关10、继电器、pwm发生器15、外壳21组成。mcu1、数码管5、旋转编码开关6、电压转换器8、电源开关10、继电器、pwm发生器15安装在外壳21内。u盘4插接在usb接口，usb接口通过数据线2与mcu相连，显示屏通过数据线与mcu相连，电压转换器8与电源开关10电性连接，蓄电池9通过电缆与电源开关电性连接，pwm发生器15与数码管5、旋转编码开关6电性连接，控制器设有iic接口11、单总线接口12，通过数据线与温度探头相连，并通过数据线与显示屏7相连；继电器与pwm发生器15电性连接，再通过电缆20与制冷风扇18、加热风扇19相连；控制器通过温度探头采集实验箱内部当前温度，经电缆送至mcu，计算温度调节指标；同时经数据线连接的usb接口保存到u盘；u盘保存用户预设霜冻降温曲线和时间数据，电源开关接通mcu读取数据，进入温度调节状态；mcu计算当前温度与目标温度的偏离指标，并决定是否启动继电器，开启制冷风扇或加热风扇；mcu获取温度变化速度，计算温度调节指标并转换为pwm值，经数据总线发送pwm指令至pwm发生器，产生的pwm信号调节制冷风扇和加热风扇转速，最终调节实验箱内部温度达到用户目标温度，并维持温度平衡。

所述温度探头包含（iic和单总线）两个协议类型，分别为ⅰ型温度探头16，ⅱ型温度探头17，iic接口11通过数据线连接ⅰ型温度探头16，单总线接口12通过数据线连接ⅱ型温度探头17。

所述的继电器有两个，分别为继电器ⅰ13和继电器ⅱ14，继电器ⅰ通过电缆与制冷风扇18相连接，继电器ⅱ通过电缆与加热风扇19相连接。

所述数码管5用于显示实验期间当前时间，所述显示屏7用于显示实验期间实验数据，用户可使用旋转编码开关校准当前时间。

所述蓄电池9安装于外壳21外部，通过电缆电性连接至控制器电源开关10。

实施霜冻实验前，用户编辑预设霜冻降温曲线和时间数据,并写入u盘后，插入控制器usb接口，接通电源开关10，按下旋转编码开关6启动霜冻实验数据采集和记录过程。mcu读取模拟霜冻过程的用户预置霜冻温度变化曲线数据，控制器在温度偏差评估指标模型下进行工作，控制进入温度调节状态。

控制器通过ⅰ型温度探头和ⅱ型温度探头采集实验箱内部当前温度，经电缆20，温度采集通过iic接口11、单总线接口12、数据线2送至mcu，计算温度调节指标。采集的当前温度t与用户预置目标温度t0进入温度偏差评估指标模型，并决定控制器响应状态。温度偏差评估指标模型（以下简称评估模型）工作原理如下：①当t=t0时，系统保持当前状态；②当t>t0时，mcu(1）发送制冷指令，通过数据线2，启动继电器ⅰ，进入降温状态。同时，评估模型根据当前温度变率，输出pwm值，并传输指令给pwm发生器15；pwm发生器输出占空比波形驱动制冷风扇18，控制液氮气化速度，调节当前温度逼近目标温度。③当t<t0时，mcu(1）发送加热指令，通过数据线2，启动继电器ⅱ，进入升温状态。同时，评估模型根据当前温度变率，输出pwm值，并传输指令给pwm发生器；pwm发生器输出占空比波形驱动制热风扇19，调节外部环境热空气混合速度，调节当前温度逼近目标温度。

实验数据开始后，控制器根据预置温度时间变化曲线，定时更新下一个目标温度，引导控制器逐步完成霜冻全过程温度跟踪，直到实验结束。实验期间，mcu持续采集数据，并通过数据线将观测数据写回到u盘，完成数据全过程自动记录。

对于本领域的技术人员来说，可以对上述所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但在本发明的权利要求范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。