热学实验是大学物理实验中的一个重要组成部分, 在大学物理实验《温差电偶的定标和测温实验》中, 我校使用的是“材料与器件温度特性综合仪”, 它采用集成温度传感器AD590与电压比较控制电路, 该仪器温度调节部分经常出现故障且不方便维修, 经常需要对控制电路进行校准;其温控精度存在较大偏差, 从学生实验数据中我们发现温度控制波动能达2~3℃.针对上述种种不足, 通过分析研究提出了新的恒温箱设计.新的温控箱将克服及改善以上问题, 改进控温腔并运用单片机和继电器模拟脉冲宽度调制实现智能控温, 新恒温箱控制电路简单, 控温准确, 并在软件中加入了高温限制措施, 保障实验的安全.

原恒温箱控温腔构造如图1所示, 铝质的控温腔外壁绕置 加热电阻 丝, 电阻丝加 热电压20~24V, 功率50 W.腔壁中部 开孔插入 测温传感 器AD590, 监测控温腔的实时温度.

影响该仪器控温精度的主要因素有:1) 热惯性.当传感器AD590检测到腔体达到控温温度后电热丝停止加热, 但由于被加热腔体的温度变化因热惯性而具有一定的滞后性, 电热丝停止加热后腔体的温度往往会继续增加而发生过冲.热惯性的大小取决于腔体材质的比热容和质量大小, 因此需要改进腔体材质, 采用铜质腔体且壁厚改薄使质量与原来相当, 从而使腔体的比热容由约895J/ (kg·K) 降到385J/ (kg·K) , 导热系数 由约2.38×10-2W/ (m·K) 增加到4.0×10-2W/ (m·K) [1], 此改进能有效降低热惯性的影响.2) 原仪器中AD590未完全放置到位, 测量的仅是腔体外表面温度.改进的仪器将 开孔加深 让更高精 度的温度 传感器DS18B20尽量放置至腔体内壁.3) 原仪器加热丝加热功率不可调与控制电路的反馈有延时.改进后采用单片机模拟脉冲宽度调制 (PWM) 方式, 让加热丝功率可变, 进一步减小恒温时的温度波动.

基于单片机的恒温箱电路图, 如图2所示, 采用简单的STC89C52[2]单片机.数码管与DS18B20数字传感器接单片机P2口, 继电器、蜂鸣器接P3口, 各种按键接单片机P1口.

DS18B20传感器模 块:一种常用 的温度传 感器, 它利用低温度系数晶振的振荡频率与高温度系数晶振的振荡率的计数差进行温度测量.该传感器抗干扰能力强, 精度高达0.062 5℃.使用时不需要任何外围元件, 供电电压3.0~5.5 V, 测温范围-55~+125℃.在仪器中用于测量控温腔温度.设计的控温程序通过对继电器的通断来模拟脉冲宽度调制.在加热过程中通过继电器控制加热功率, 在接近设定温度时减小导通时间来减小电热丝的加热功率, 让温度缓慢提升, 可防治停止加热时因控温腔的热惯性而导致腔内温度过冲.

恒温箱主面板由2个数码管和3个按键组成.打开电源开关, 单片机给DS18B20发出读取温度的指令, DS18B20得到指令 后返回实 时温度给 单片机, 单片机转换实时温度并显示在数码管上;使用者通过加减按键来改变设定温度, 设定温度传给单片机, 单片机转换后显示在另一个数码管上;加热按钮按下后, 单片机对比设定温度和实时温度来控制加热状态, 通过继电器导通、断开模拟脉冲宽度调制, 控制加热功率, 如:远小于设定温度时, 继电器保持接通, 电热丝全功 率加热;接近设定 温度5℃左右时, 启用模拟脉冲宽度调制方式, 通过通断的时间比来控制加热丝功率, 如图3所示.当单片机调节出来的加热功率与控温腔散热功率相当时, 恒温箱温度基本无波动.

单片机主程序采用C语言设计[3]:主程序循环执行读DS18B20温度值、扫描按键、执行控温3个子程序.读取温度值时, 首先复位DS18B20再发出读取命令, 读取的温度为2个字节, 单片机根据数码管的段位显示原理, 将温度格式换算成当前温度并显示, 在程序中用变量w表示;单片机检测按键, 根据按键信号执行温度设定加减操作, 换算成设定温度, 通过数码管显示设定温度, 在程序中设定温度保存于变量S中;为了实验安全, 程序中对设定温度与实时温度进行限制, 最高可设定为100℃.根据实际测量、调试的数据分析, 温度差大于5℃时继电器常闭, 加热丝用最大功率进行加热, 当温度与设定温度的温度差小于5℃时, 开始采用模拟脉冲宽度调制控制继电器的导通时间防止温度过冲的效果最好.程序流程如图4所示.改进后的温控腔在进行单片机控温程序调试, 如图5所示.

模拟脉冲宽度调制部分程序代码:

改造后的样机与原仪器多次测试结果如表1所示.测试环境温度27.5℃.

表格中第一列为设定温度, 下面为仪器恒温时控温腔温度的波动值.从数据可以看出:采用单片机模拟脉宽调制的恒温箱温度虽然有一定的波动偏差但基本都在0.5℃范围内, 而原仪器, 加热时温度上升更快, 控温时温度过冲现象明显, 恒温时温度波动大温差较大.

该设计较好地控制了温度的过冲与波动, 可推广改造旧仪器.除《温差电偶的定标和测温实验》的改进外, 可推广用于《导热系数》、《铁磁材料居里点测量》、《线胀系数》等热学实验仪器, 提升各实验的测量精度.由于继电器的寿命有限如能改成可控硅或晶体管, 可进一步增加控温的可靠性与精度.

总之, 利用单片机对传统模拟控温装置的改进, 具有一定的先进性和广泛的应用价值.