摘 要

 近年来关于低温环境的营造及低温环境的技术研发已经提高到的很高的地步，其中不乏包含超低温环境的保存环境、超低温医疗技术研发、超低温材料研究与发展、深海环境监测和航空领域的进展。随着信息技术的不断发展进步，这些电子技术及电子产品的性能及检测标准越来越高，检测环境的要求也越发严苛。本次的设计主要内容，综合考量社会需求，利用专业知识单片机进行开发设计超低温温控实验炉控制系统，采用模拟量采集技术和驱动技术，营造超低温设计环境。

本篇论文主要利用STC89C52为核心控制器，PCF8591进行模拟量输入和输出控制，并利用LCD1602液晶进行显示，电压实时输出信号对流量控制阀及流量混合阀进行控制。超低温温控实验炉控制系统的设计模块，主要分两个部分——结构设计和部件分析。软件部分设计主要是实现采集和控制功能，控制程序编写采用keil软件进行实现。硬件部分即为实现这一功能设计的模块和电路，比如采集电路、驱动电路等。

本文主要是采用一些电子信息技术，在单片机上设计一个超低温温控实验炉的控制系统，从设计上来说，结构比较简单，系统制作成本不高，但市场超低温器件价格偏贵，但它们的性能发挥稳定，使用起来比较方便，能搭建形成一个优异智能的超低温温控实验炉控制系统。

关键词：超低温；实验炉；单片机；控制系统

Abstract

In recent years, technology research and development on low temperature environment and low temperature environment has been raised to a very high level, including the preservation environment of ultra-low temperature environment, research and development of ultra-low temperature medical technology, research and development of ultra-low temperature materials, deep sea environment monitoring and aviation. With the continuous development and progress of information technology, the performance and testing standards of these electronic technologies and electronic products are getting higher and higher, and the requirements of testing environment are becoming more and more stringent. In this paper, the design content, comprehensive consideration of social needs, the use of professional knowledge single-chip microcomputer to develop and design ultra-low temperature control experimental furnace control system, using analog acquisition technology and driving technology, to create ultra-low temperature design environment.

This paper mainly uses STC89C52 as the core controller, pcf8591 for analog input and output control, and LCD1602 liquid crystal for display, voltage real-time output signal to control the flow control valve. The design module of the control system of ultra-low temperature control experimental furnace is mainly divided into two parts: structure design and component analysis. In the software part, we mainly implement the collection and control functions. In this part, we use keil software. The hardware part is the modules and circuits to realize this function, such as acquisition circuit, main control circuit and so on.

This paper mainly uses some electronic information technology to design an ultra-low temperature control experimental furnace control system on the single-chip microcomputer. From the design point of view, the structure is relatively simple, and the system manufacturing cost is not high, but the market price of ultra-low temperature devices is too high, but their performance is stable and easy to use, which can build a very good and intelligent ultra-low temperature control experiment Furnace control system.

Key Words：ultra-low temperature; experimental furnace; single chip microcomputer; control system

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容和设计指标要求 3

第2章 总体方案设计 4

2.1 结构方案设计 4

2.2 系统原理设计 5

2.3 单片机芯片设计与论证 5

2.4 显示模块设计与论证 6

2.5 按键设计与论证 7

2.6 本章小结 7

第3章 实验炉结构设计及模块选择 8

3.1 整体结构设计及工作原理 8

3.2 箱体设计及材料选用 9

3.3 实验炉流量控制阀体选用 11

3.3.1 流量控制阀 11

3.3.2 气体混合阀 12

3.4 低温电磁阀选型 13

3.5 温度传感器选型 14

3.6 压力传感器选型 16

第4章 电路设计 17

4.1 系统电路组成 17

4.2 电源电路 17

4.3 微处理器电路 19

4.4 按键电路 20

4.5 显示电路 21

4.6 模拟量采集及控制电路 22

4.7 光耦驱动电路 23

4.8 本章小结 25

第5章 程序设计 26

5.1 系统整体流程图 26

5.2 软件开发环境简介 27

5.3 程序设计流程 28

5.4 本章小结 29

第6章 系统调试及仿真分析 31

6.1 仿真软件选用 31

6.2 仿真电路设计分析 31

6.3 小结 33

第7章 结 论 34

参考文献 35

致 谢 37

第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

《高等学校中长期科学和技术发展规划（2006-2020）》^[1]一经发表，在社会各层次上都引起了一阵热议，文章中明确提出“发展装备”这一重大进步理念，特别在机械工程科学技术这一模块，提出了开发设计重大装备以满足特殊环境下的结构设计，即包含超高温、超低温、辐射等各类特殊环境，如何实现这一步跨越，各国都在不懈的在其领域开拓，力争在这一领域有所建树。第十八届国际低温工程会议^[2]在印度孟买举行，会议主要内容涉及众多超低温、低温环境设备的研发和探讨，不乏包含微型制冷设备的研发进展、低温电子计算机技术研发及应用，与此同时，大型低温制冷装置也成为了热议的话题，大会邀请报告就侧重介绍了大型空气分离装置和集成联合循环、制冷机冷却的超导磁体系统、低温膨胀机、小型制冷机最新进展、高温超导带材在射频技术中的应用。随着向前发展，我国建成世界一流的航天器空间实验装备，如何满足我国未来航天飞行器的空间环境试验的需求就显得愈发重要。因此，第六届国际低温与制冷会议^[3]于2018年4月12-14日，在上海交通大学顺利举办，本次大会不仅有利于国内外同行间在该领域上的交流与合作，还成为加快推动中国在低温制冷领域上发展的契机。除此之外，我国制冷低温学科在国际上的知名度和影响力也由此得到提升，如何继续前进于超低温领域就显得额外的重要，而对当前超低温环境下的检测条件也同样提出了更高的要求。

近年来关于低温环境的营造及低温环境的技术研发已经提高到的很高的地步，其中不乏包含超低温环境的保存环境、超低温医疗技术研发、超低温材料研究与发展，深海环境监测和航空领域的进展……例如：超低温保存下的植物细胞的生理生化活性研究、超低温条件下的超导材料研究情况、超低温粉碎技术^[4]应用等情况，在现今的研究发展中，超低温的保存及储藏技术完善，这就对超低温环境下的技术检测提出了更高的要求，因此本次设计将利用专业知识，设计超低温温控实验炉，用于低温工程领域的日益增长的研究和发展需求。

1.2 国内外研究现状

近年来，国内有对于超低温装置的性能研究在一定程度上取得了很大的进展，，但由于国内相关研究的开始时间较晚，又遭到发达国家（比如日本和欧美）的技术封锁，导致国内的核心技术较为落后。例如，新型环保制冷剂替代技术、超低温制冷压缩机制造技术均落后于发达国家。就目前而言，在实际操作中得到超低温系统设计一般所采取的制冷方式主要有以下三种，分别为复叠式制冷循环、双级压缩制冷循环以及自复叠式制冷循环系统，其中，低温段的温度最主要的获取方法是第一种复叠式制冷方式。