恒温控制系统的研制

现代科学仪器
Modern Scientific Instruments
第4期2011年8月
N o.4 A u g. 201129
恒温控制系统的研制
吴　鹏1,2　孔宇阳1,3
（1中国地震局地震研究所;2武汉地震科学仪器研究院;3武汉地震工程研究院）
摘　要　本系统将传统的温度测量技术、制冷技术、神经网络技术与单片机技术结合起来，设计具有温度图形显示界面、报警的数字式智能精确恒温控制系统。

本系统以16位单片机MSP430F169作为微处理器、利用陶瓷平板型半导体致冷器件TEC1-12705的制冷特性实现对目标环境的温度制冷控制；结合模糊PID 控制算法和PWM 脉宽调制技术，解决了环境温度制冷过程中超调量和目标温度建立时间的矛盾。

利用高精度数字温度传感器DS18B20来对环境温度进行采集，温度最小分辨率可达到±0.0625℃；最后，采用由单色12864点阵型液晶实时温度变化曲线获得的信息等，通过按键实现相应的功能控制。

本系统具有比较友好的人机操作界面。

关键词　PID; 制冷技术; 脉宽调制（PWM）技术; 温度传感器; 恒温控制
中图分类号　TH17
Research of Temperature Controlled System
Wu Peng 1,2,Kong Yuyang 1,3
(1Institute of Seimology,CEA;2Wuhan Institute of Earthquake Engineering;3Wuhan Institute of Scienti fi c instrument)
Abstract Combining with micro-controller technology, the traditional temperature measurement technology,
refrigeration technology, neural network technology are used to design alarm digital intelligent accurate constant temperature control system with temperature graphic display interface. This system used the 16-bit single chip MSP430F169 and ceramic plate type semiconductor refrigerator TEC1-12705 to realize the temperature refrigeration control for the target environment ; Combining with the fuzzy PID control algorithm and PWM pulse width modulation technology, the con fl ict between the environment temperature refrigeration super adjustable amount and the settling time of target process was solved. The high accuracy digital temperature sensor DS18B20 was used for temperature collection. The minimum resolution of temperature collection can reach 0.0625 °C; Finally using monochromatic 12864 point real-time formation of liquid temperature variation curve and buttons for achieving control function, the sysytem havs more friend human-machine interface.
Key words PID; Refrigeration technology; Pulse width modulation (PWM) technology; Temperature sensor; Constant temperature control
收稿日期：2011-04-12
作者简介：吴鹏(1985-)，男，硕士，助理工程师，主要从事智能仪器的研究与设计；孔宇阳(1980-)，男，硕士，工程师，主要从事地震工程研究工作
在野外，气候条件比较复杂多变，精密仪器，例如：重力仪等，在野外工作时会因为周围环境温度的影响导致测量精度低甚至得到错误数据。

为了避免环境温度对仪器正常运行的影响，仪器在设计时都会考虑将其中的核心部件处在恒温的条件下。

因此，为了保证上述精密仪器的正常工作以及测量精度，需要专门设计一款温度控制系统，使仪器的核心部件处于恒温状态（一般设定在25℃）。

本文则专门针对恒温系统进行了研究，并以规格为10cm*10cm*10cm 的小木盒做为温度控制对象模型，在现实的温度控制过程中，往往由于周围环境温度的影响导致温度控制的反应速率缓慢，同时目标对象内的温度容易有一定的波动。

因此，在本系统的设计中选择了PID 算法来解决温度控制过程中温
度超调以及波动等问题；使得目标对象（小木箱）内的温度能处于一个恒温状态。

1　系统结构以及工作原理
本系统所控制的目标对象为一规格为10cm*10cm*10cm 的木盒，该木盒采用胶合板和有机玻璃制作（其中一面使用有机玻璃板），木板厚0.8cm，有机玻璃厚度为0.2cm，保证木盒密封性良好，通过控制温度调节器（陶瓷平板型半导体致冷致热器件TEC1-12705）来实现目标对象的温度调节，该器件最大制冷制热功率达33.4W，能够满足实验要求。

本系统主要包括以下几个部分：微处理器MSP430F169、温度传感器、128*64点阵显示器、控
Modern Scientific Instruments
30N o.4 A u g. 2011
制键盘、隔离控制开关、TEC 驱动电路以及电源等，整体结构框图如图1所示[2][3]。

整个系统的工作原理为：单片机MSP430F169将通过键盘设定目标对象（木盒）的制冷温度信息与当前木盒内通过温度传感器采集到的温度信息进行比较以得到温差的反馈信号，然后根据偏差和偏差变化率计算输入量，再由模糊PID 自整定控制算法得出输出空置量来对隔离控制驱动开关进行控制，从而驱动TEC 对木盒进行
温度调节。

图1 系统总体框图
2　硬件部分电路设计介绍
对于整个恒温控制系统来说，硬件电路核心部件为温度采集电路以及制冷制热片TEC 的隔离驱动电路。

温度采集电路：使用美信公司的数字温度传感器DS18B20，数字温度传感器具有集成度高，灵敏度高，外围电路少等优点。

DS18B20的最小精度可以
达到0.0625℃，工作温度范围在-50℃～150℃之
间。

根据本设计要求：控制温度范围为5℃～25℃，分辨率为0.1℃，因此，DS18B20足够满足本设计的需要。

制冷片TEC 的隔离驱动电路：TEC 驱动电路使用IRF540场效应管作为PWM 的驱动开关，其电路图如图2所示。

由于MSP430F169供电电压只有3.3V，而控制对象工作电压是12V，为提高系统工作可靠性，需在单片机与大功率工作电路模块之间用光耦隔离控制，光耦选用TLP521_2，为保证控制系统更加稳定可靠的工作，在光耦和场效应管之间再加一级三极管8050作为开关管使用。

为满足TEC 器件供电电压纹波系数不大于10%的要求，需在输出端加一LC 滤波电路，这种滤波电路综合了电容滤波电路纹波小和电感滤波电路带负载能力强的优点，L 选4000μH 的开关电源专用电感，电容选用4700μF/50V。

这里的肖特基二极管MBR2045CTG 是为了提供场效应管关断时TEC 的驱动电流回路，MBR2045CTG 最大可承受20A 电流，满足这里的应用要求。

C3、C4是作为消除驱动电流中的高频噪声的滤波电容，可减小驱动电路部
分的电磁辐射干扰[2，
4]。

图2 制冷制热片TEC 隔离驱动电路
3　软件框架设计介绍
软件设计主要包括系统初始化、键盘管理、
NS12864J 显示界面、温度信息采集和模糊自整定PID 等模块。

软件的主要流程是：单片机MSP430F169将用户设定的温度信息与当前木盒内
温度信息进行比较以得到温差的反馈信号，然后根据偏差和偏差变化率计算输入量，再由模糊PID 自整定控制算法得出输出空置量，以此控制TEC 对木盒进行制冷。

软件的具体主体框图如图3所示。

用户可通过按键随时控制改变目标温度值。

31
第4期2011年
8月图3 系统软件流程图
4　测试方案与测试结果
以下测试环境均在室温32℃下进行；测试仪器：（1）数字示波器 TDS1002；（2）万用表my61；（3）温度计DT-615 。

4.1　系统控温性能
4.1.1　降温特性测定
盒内温度与外界温度保持相当水平，对木盒进行全速制冷，测得温度数据如表1所示。

表1 降温特性
时间（10s）0102030405060708090温度（℃）33.327.623.019.616.513.611.910.910.1
9.4
4.1.2　恒温特性测定
通过键盘设定盒内预期温度，等待适当时间后，
待盒内温度稳定后，测得温度数据如表2所示。

表2 恒温特性
当前温度
（℃）预设温度（℃）稳定温度（℃）波动范围（℃）耗时（min）超调量（℃）30.31010.0±0.1110.135
20
20.0
±0.1
4
0.2
4.2　系统误差分析
通过表1，可以看出本系统的制冷的响应是比较快的，在90s 内能实现温度的20℃的下降，反应速度比较理想。

通过表2，可以分析出本系统的温度稳定性良好，温度波动范围在±0.1℃。

5　结论
本文所研制的制冷恒温控制系统可以实现在5℃～30℃范围内实现温度制冷控制，并能在用户设定的温度使目标环境的温度保持恒定，波动范围在±0.1℃，基本实现设计目标，具有一定的应用范围。

由于实验条件的限制，只能以特定的木盒作为实验对象，接下来在实验条件有所改善的情况下，将会使该系统应用于具体的某一领域来进一步验证其经济价值。

参考文献
[1] 王浩坤，尚群立.一阶时滞对象的最优内模PID 控制[J].机电
工程，2008，25(1)[2] 余锡存，曹国华.单片机原理及接口技术[M].西安：西安电子
科技大学，2000[3] 傅丰林等.电子线路基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，
2002，3
[4]　谢自美.电子线路设计[M].华中科技大学出版社，2000，7
吴鹏 等：恒温控制系统的研制
改造美产气相色谱仪以一当二仅需2000元
8个多月的运行结果显示，经河南煤业化工集团煤气化公司技改后的美国瓦里安GC-3800型气相色谱仪，性能试验、技术参数全部符合标准。

改造后的仪器能够提供及时可靠的煤气全分析数据，为装置“安稳长满优”运行发挥了重要作用。

因现有气体分析仪器——气相色谱仪数量有限，无法满足准确、快速的分析需要，煤气化公司技术人员经过反复论证和实践，于去年10月15日完成了美国瓦里安GC-3800型气相色谱仪的改造。

改造后，两台气相色谱仪承担的分析任务可在一台气相色谱仪上完成，所用材料只需2000余元。