单片机的低温柜远程监测系统设计【字数：14641】
摘 要在医学、生物学研究中经常需要对血液、疫苗、生物材料、生物制品、菌种、生物样本、化学试剂等进行低温长时间保存，在一些低温试验的场合也需要低温装置。这种低温不同于家用冰箱、冰柜的温度范围，往往需要达到-80℃甚至更低，就需要用到低温柜。本课题主要研究利用单片机为控制核心替代传统的机械式温度控制系统，实现对-50℃~-86℃低温柜的控制；增设无线通信模块，能将低温柜的温度、异常报警等信息传到后台，能将温度调节等控制指令从后台或手机APP传给低温柜，实现远程监控。控制系统采用STM32F103单片机，Pt100为温度传感器，W22S为WiFi模块；采用了Keil5软件进行了编程，根据复叠制冷循环系统的控制逻辑，实现对高低温压缩机、风机等的控制，采集和显示温度，远程监视报警等功能。
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 课题的研究现状发展 2
1.2.1 制冷技术的发展 2
1.2.2 超低温技术的发展 3
1.2.3 国内低温柜的发展 3
1.3 主要研究内容及章节安排 4
2. 系统的硬件设计 5
2.1 需求分析 5
2.2 总体设计 6
2.3 硬件选型 7
2.3.1 STM32F103单片机 7
2.3.2 传感器 7
2.3.3 WiFi无线通讯模块 10
2.3.4 继电器模块 10
2.3.5 蜂鸣器模块 11
2.3.6 按键模块 11
2.4 本章小结 12
3. 系统的软件设计 13
3.1 主程序设计 13
3.2 压缩机控制模块 13
3.3 温度监测模块 15
3.3.1 温度检测 15
3.3.2 WiFi模块 15
3.4 本章小结 17
4. 系统的实现 18
4.1 PCB板的调试 18
4.2 软件调试 19
4.2.1 WiFi模块配置 19
4.2.2 程序部分的调试 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
22
4.3 功能实现 24
4.4 本章小结 24
5. 总结 25
参考文献 26
附录 27
附录一 低温柜远程监测系统设计原理图 27
附录二 系统程序 28
致谢 59
绪论
课题研究背景及意义
在医学、生物学研究中的血液、疫苗、生物材料、菌种、生物样本、化学试剂等都是需要进行长时间的低温保存，另外在一些低温实验的场合也需要低温的环境，它们要求的环境温度往往需要达到80℃甚至更低，低温柜恰恰能满足这些低温保存的需求。
低温柜在市面上相对还是较少的。它与普通的冰柜工作原理上就有本质的区别。
普通冰柜的制冷系统主要是由压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器这四个部分组成的。工作原理主要是从蒸发器中已经吸收到了的热量并转换成气态的制冷剂，通过压缩机吸入，将制冷剂压缩成高温高压的气体，气体进入到冷凝器中，冷凝器即作为一个热换的设备，高温高压的气态制冷剂换热成低温高压的液态制冷剂。液态制冷剂因流出通过毛细管被遏制节流，制冷剂的压力降低，从而使得温度降低，成为气液两态进入到蒸发器里面。即电机将电能转化为机械能，又通过压缩机转化为热能的一个原理。
低温柜制冷剂蒸发的温度远远比环境的温度来的低，其蒸发温度降低、压力下降需要压缩机提供更高的压缩比来完成。这是一个压缩机很难做到的。这就需要采用复叠式的制冷方式，来达到超低温的效果。在低温柜中一般会有两个全封闭式的压缩机作为高温级压缩机和低温级压缩机来使用。该制冷模式具备两个独立的回路，通过冷凝挥发器连接。 高温级制冷回路中注入的高温制冷剂通过了高温级压缩机压缩成高温高压的气体，经冷凝器液化、干燥过滤器去除杂质和水分、毛细管节流后形成低温低压的液体进入到冷凝蒸发器中，高温制冷剂通过冷凝蒸发器汽化吸热，使得低温制冷剂温度降低。降低温度后的低温制冷剂又通过另外的干燥过滤器干燥、毛细管节流后，进入冰柜里面的蒸发器吸热制冷。上面的整个系统在低温柜内部不断的运行循环，借助制冷剂物态变化，热量转移来达到超低温的制冷模式。
随着技术的发展，在低温制冷功能方面的要求也在不断的提高，传统的机械式电子控制在现今的社会上已经落伍了。以往的低温柜采用常规压力表和常规机械仪表以及平衡电桥相结合的方法，实现对低温柜运行的监控，存在约束保护条件的不齐全、应急响应的速度太低以及保护功能的拓展难等缺陷，因此对低温柜运行保护不够彻底及时，操作也不够简便。为了更有效地发挥低温柜的作用，避免对重要参数和重要操作的失误，课题开发STM32F103单片机的远程监测系统，实现低温柜运行的自动化和智能化。STM32F103单片机作为低温柜控制的核心，对低温柜的工作过程进行主要的控制，通过Pt100温度传感器对低温柜柜内的温度进行检测，将产生的相对模拟信号经过A/D转换输送进单片机中，经过单片机的处理后方便用于调节压缩机和加热器的工作，满足客户对温度要求的设置。
由于课题设计的低温柜温度设定范围设置为50~86℃，环境的工作温度在30℃以内，工作要求制冷要强、精度要高，所以需要温度的检测来确定其柜体内部的温度在所需要的设定上，倘若内部的温度偏离所设定偏离温度（可设置5℃~20℃），超过设置的延时警报时间，警报灯会闪烁，蜂鸣器响，并且会远程报警联系。温度测量方面而言，在设计课题中，要制作出提高温度测量精度的方案。
长时间运行的低温柜往往会出现各种的问题,例如制冷效果变差、散热管不热、蒸发器发出很小的气流声等，这些问题要及时发现并解决，以避免问题严重化。这样就能保障低温柜柜体内部温度的稳定。低温柜方面加入远程监控技术将会让管理人员随身携带的手机变成了监控器。低温柜一旦断电、温度一旦超标、柜门一旦被非法打开或其他内部会出现的问题，系统都会及时给相关人员的手机发出提示信息进行报警，管理人员也可随时发信息指令查询当前监控量的状态。远程监测系统的使用，将有助于提高低温柜工作的安全系数，提高安全预警效率，降低潜在危险和损失。
课题的研究现状发展
制冷技术的发展
冰块的降温、清水的蒸发吸热，这是最早期的制冷，但是真正意义上的制冷技术是随着工业革命开始的机械制冷。1755年学生布拉克从库仑发现乙醚的蒸发使水可以结冰中，在本质上分析了融化和汽化的概念，冰量热器从而产生。1834年比尔金斯申请了乙醚在封闭的循环内能够膨胀制冷的英国专利，蒸气压缩式的制冷器雏形出现了。随后是戈里发明出了第一台制冷和空调用的空气制冷器，卡列随后又发明了第一台氨吸收式的制冷器。随着各式各样的制冷机器的出世，要数压缩式制冷机的发展最为快速普遍。随着波义尔发明出了氨压缩机，林德建造出第一台氨制冷机以后，氨压缩式制冷机已经有了比较广泛的使用。制冷剂也随着制冷机器的发展品种也越来越多，从最早的空气、二氧化碳、乙醚发展到甲烷、二氧化硫、氨等气体。压缩式制冷机超越氨制冷机、较为发展快速的阶段，当属氟利昂制冷剂的出现开始的。但是后来的研究表明，由于氟利昂对臭氧层会有破坏，之后氟利昂这类的物质受到了一定的控制。
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 课题的研究现状发展 2
1.2.1 制冷技术的发展 2
1.2.2 超低温技术的发展 3
1.2.3 国内低温柜的发展 3
1.3 主要研究内容及章节安排 4
2. 系统的硬件设计 5
2.1 需求分析 5
2.2 总体设计 6
2.3 硬件选型 7
2.3.1 STM32F103单片机 7
2.3.2 传感器 7
2.3.3 WiFi无线通讯模块 10
2.3.4 继电器模块 10
2.3.5 蜂鸣器模块 11
2.3.6 按键模块 11
2.4 本章小结 12
3. 系统的软件设计 13
3.1 主程序设计 13
3.2 压缩机控制模块 13
3.3 温度监测模块 15
3.3.1 温度检测 15
3.3.2 WiFi模块 15
3.4 本章小结 17
4. 系统的实现 18
4.1 PCB板的调试 18
4.2 软件调试 19
4.2.1 WiFi模块配置 19
4.2.2 程序部分的调试 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
22
4.3 功能实现 24
4.4 本章小结 24
5. 总结 25
参考文献 26
附录 27
附录一 低温柜远程监测系统设计原理图 27
附录二 系统程序 28
致谢 59
绪论
课题研究背景及意义
在医学、生物学研究中的血液、疫苗、生物材料、菌种、生物样本、化学试剂等都是需要进行长时间的低温保存，另外在一些低温实验的场合也需要低温的环境，它们要求的环境温度往往需要达到80℃甚至更低，低温柜恰恰能满足这些低温保存的需求。
低温柜在市面上相对还是较少的。它与普通的冰柜工作原理上就有本质的区别。
普通冰柜的制冷系统主要是由压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器这四个部分组成的。工作原理主要是从蒸发器中已经吸收到了的热量并转换成气态的制冷剂，通过压缩机吸入，将制冷剂压缩成高温高压的气体，气体进入到冷凝器中，冷凝器即作为一个热换的设备，高温高压的气态制冷剂换热成低温高压的液态制冷剂。液态制冷剂因流出通过毛细管被遏制节流，制冷剂的压力降低，从而使得温度降低，成为气液两态进入到蒸发器里面。即电机将电能转化为机械能，又通过压缩机转化为热能的一个原理。
低温柜制冷剂蒸发的温度远远比环境的温度来的低，其蒸发温度降低、压力下降需要压缩机提供更高的压缩比来完成。这是一个压缩机很难做到的。这就需要采用复叠式的制冷方式，来达到超低温的效果。在低温柜中一般会有两个全封闭式的压缩机作为高温级压缩机和低温级压缩机来使用。该制冷模式具备两个独立的回路，通过冷凝挥发器连接。 高温级制冷回路中注入的高温制冷剂通过了高温级压缩机压缩成高温高压的气体，经冷凝器液化、干燥过滤器去除杂质和水分、毛细管节流后形成低温低压的液体进入到冷凝蒸发器中，高温制冷剂通过冷凝蒸发器汽化吸热，使得低温制冷剂温度降低。降低温度后的低温制冷剂又通过另外的干燥过滤器干燥、毛细管节流后，进入冰柜里面的蒸发器吸热制冷。上面的整个系统在低温柜内部不断的运行循环，借助制冷剂物态变化，热量转移来达到超低温的制冷模式。
随着技术的发展，在低温制冷功能方面的要求也在不断的提高，传统的机械式电子控制在现今的社会上已经落伍了。以往的低温柜采用常规压力表和常规机械仪表以及平衡电桥相结合的方法，实现对低温柜运行的监控，存在约束保护条件的不齐全、应急响应的速度太低以及保护功能的拓展难等缺陷，因此对低温柜运行保护不够彻底及时，操作也不够简便。为了更有效地发挥低温柜的作用，避免对重要参数和重要操作的失误，课题开发STM32F103单片机的远程监测系统，实现低温柜运行的自动化和智能化。STM32F103单片机作为低温柜控制的核心，对低温柜的工作过程进行主要的控制，通过Pt100温度传感器对低温柜柜内的温度进行检测，将产生的相对模拟信号经过A/D转换输送进单片机中，经过单片机的处理后方便用于调节压缩机和加热器的工作，满足客户对温度要求的设置。
由于课题设计的低温柜温度设定范围设置为50~86℃，环境的工作温度在30℃以内，工作要求制冷要强、精度要高，所以需要温度的检测来确定其柜体内部的温度在所需要的设定上，倘若内部的温度偏离所设定偏离温度（可设置5℃~20℃），超过设置的延时警报时间，警报灯会闪烁，蜂鸣器响，并且会远程报警联系。温度测量方面而言，在设计课题中，要制作出提高温度测量精度的方案。
长时间运行的低温柜往往会出现各种的问题,例如制冷效果变差、散热管不热、蒸发器发出很小的气流声等，这些问题要及时发现并解决，以避免问题严重化。这样就能保障低温柜柜体内部温度的稳定。低温柜方面加入远程监控技术将会让管理人员随身携带的手机变成了监控器。低温柜一旦断电、温度一旦超标、柜门一旦被非法打开或其他内部会出现的问题，系统都会及时给相关人员的手机发出提示信息进行报警，管理人员也可随时发信息指令查询当前监控量的状态。远程监测系统的使用，将有助于提高低温柜工作的安全系数，提高安全预警效率，降低潜在危险和损失。
课题的研究现状发展
制冷技术的发展
冰块的降温、清水的蒸发吸热，这是最早期的制冷，但是真正意义上的制冷技术是随着工业革命开始的机械制冷。1755年学生布拉克从库仑发现乙醚的蒸发使水可以结冰中，在本质上分析了融化和汽化的概念，冰量热器从而产生。1834年比尔金斯申请了乙醚在封闭的循环内能够膨胀制冷的英国专利，蒸气压缩式的制冷器雏形出现了。随后是戈里发明出了第一台制冷和空调用的空气制冷器，卡列随后又发明了第一台氨吸收式的制冷器。随着各式各样的制冷机器的出世，要数压缩式制冷机的发展最为快速普遍。随着波义尔发明出了氨压缩机，林德建造出第一台氨制冷机以后，氨压缩式制冷机已经有了比较广泛的使用。制冷剂也随着制冷机器的发展品种也越来越多，从最早的空气、二氧化碳、乙醚发展到甲烷、二氧化硫、氨等气体。压缩式制冷机超越氨制冷机、较为发展快速的阶段，当属氟利昂制冷剂的出现开始的。但是后来的研究表明，由于氟利昂对臭氧层会有破坏，之后氟利昂这类的物质受到了一定的控制。
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