鄒熾導(dǎo) 呂恩利 陸華忠 曾志雄 趙俊宏

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642；2. 廣東省農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510642)

半導(dǎo)體制冷式果蔬配送箱控制系統(tǒng)

鄒熾導(dǎo)1,2呂恩利1,2陸華忠1,2曾志雄1,2趙俊宏1,2

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642；2. 廣東省農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510642)

保鮮配送環(huán)境中溫度是保障果蔬品質(zhì)的重要因素。以半導(dǎo)體制冷式果蔬配送箱為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)基于AVR系列ATmega16微處理器為核心的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)基于ICCV7 for AVR開發(fā)環(huán)境，通過(guò)C語(yǔ)言進(jìn)行軟件編程，采集果蔬配送箱的保鮮環(huán)境溫度與半導(dǎo)體制冷器散熱系統(tǒng)水溫，使用雙限值控制方法，控制半導(dǎo)體制冷器、風(fēng)機(jī)、水泵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體制冷式果蔬配送箱保鮮環(huán)境的溫度調(diào)控和散熱系統(tǒng)高溫保護(hù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)獲取果蔬配送箱內(nèi)保鮮環(huán)境溫度與半導(dǎo)體制冷器散熱系統(tǒng)水溫的動(dòng)態(tài)變化，根據(jù)控制邏輯精確、有效地進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定。

果蔬；保鮮；半導(dǎo)體制冷；控制系統(tǒng)

近年來(lái)，順豐優(yōu)選、京東商城、天貓商城等知名電商紛紛進(jìn)軍鮮活農(nóng)產(chǎn)品商場(chǎng)。冷鏈宅配的興起，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品從產(chǎn)地到客戶的無(wú)縫冷鏈對(duì)接，減少了超市百貨實(shí)體采辦的中間流通環(huán)節(jié)，降低了物流中轉(zhuǎn)時(shí)間，提升了新鮮農(nóng)產(chǎn)品的可獲得性[1]14-29 [2-3]。據(jù)估算[1]32-56 [4-5]，2013～2015年冷鏈宅配年復(fù)合增速達(dá)80%～120%。但就目前來(lái)看，開發(fā)可控溫的果蔬宅配配送設(shè)備，確保果蔬“最后一公里”低溫運(yùn)輸，保證果蔬品質(zhì)，降低配送成本等關(guān)鍵問(wèn)題還有待進(jìn)一步深入研究。

保鮮配送環(huán)境中溫度是保障果蔬品質(zhì)的重要因素[6-7]。半導(dǎo)體制冷(thermoelectric cooling，TEC)又稱為熱電制冷，是在帕爾貼效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的一種人工制冷技術(shù)[8-10]。該技術(shù)具有體積小、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性強(qiáng)等特性[11-13]，符合果蔬保鮮配送的制冷系統(tǒng)要求。現(xiàn)有的果蔬配送箱，多采用冰袋冷凍方式，存在溫度控制粗放、溫度場(chǎng)不均勻、局部冷害等缺點(diǎn)，難以滿足果蔬保鮮配送的要求[14-15]。

保證配送箱的智能控溫和散熱系統(tǒng)的高溫保護(hù)是研究半導(dǎo)體制冷式果蔬配送箱需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本研究擬以半導(dǎo)體制冷式果蔬配送箱為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)以AVR系列ATmega16微處理器為核心的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)借助ICCV7 for AVR開發(fā)環(huán)境，通過(guò)C語(yǔ)言編寫程序與函數(shù)，采集果蔬配送箱的保鮮環(huán)境溫度與半導(dǎo)體制冷器散熱系統(tǒng)水溫，控制TEC、風(fēng)機(jī)、水泵等執(zhí)行設(shè)備工作，進(jìn)行保鮮環(huán)境的溫度調(diào)控和散熱系統(tǒng)高溫保護(hù)，為半導(dǎo)體制冷式果蔬運(yùn)輸設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 果蔬配送箱試驗(yàn)平臺(tái)組成

根據(jù)TEC技術(shù)的特點(diǎn)和果蔬配送的要求，搭建半導(dǎo)體制冷式果蔬配送箱試驗(yàn)平臺(tái)[16-18]。如圖1所示，果蔬配送箱試驗(yàn)平臺(tái)由冷卻水箱、水排散熱器、風(fēng)機(jī)、水泵、水冷傳熱模塊、TEC片、聚氨酯保溫板、保溫箱體、導(dǎo)冷鋁板等組成。配送箱箱體長(zhǎng)×寬×高為540 mm×240 mm×320 mm，外覆20 mm厚的聚氨酯保溫材料，內(nèi)覆熱反射膜，箱體側(cè)面中部的壁面上留有矩形凹槽，用以安裝半導(dǎo)體制冷器。試驗(yàn)采用的半導(dǎo)體制冷片(TEC-12706型，廣東奧冷科技有限公司)，外形尺寸為40 mm×40 mm×4 mm，額定工作電壓為12 V，最大電流為6 A。TEC片兩端分別接導(dǎo)冷鋁板和水冷傳熱模塊，熱端與水冷傳熱模塊貼合，TEC片冷端與導(dǎo)冷鋁板聯(lián)接。冷卻水通過(guò)水泵驅(qū)動(dòng)，流經(jīng)水冷傳熱模塊與TEC片熱端傳熱換熱，經(jīng)過(guò)水排散熱器散熱后流入水箱中并在水路中循環(huán)。散熱風(fēng)機(jī)位于水冷散熱器前方，采用12 V直流風(fēng)機(jī)，額定工作電流為0.5 A。當(dāng)配送箱工作時(shí)，導(dǎo)冷風(fēng)機(jī)強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)氣流循環(huán)，氣流在導(dǎo)冷鋁板處吸收冷能，并導(dǎo)流到果蔬保鮮環(huán)境內(nèi)，與果蔬實(shí)現(xiàn)傳熱后重新經(jīng)風(fēng)機(jī)流入導(dǎo)冷鋁板處，如此實(shí)現(xiàn)了制冷降溫過(guò)程。風(fēng)機(jī)為TPOMOTOR牌DF1204SH，額定電壓為12 V，額定電流為0.08 A。水泵型號(hào)為JAVTOP牌JT-180，額定工作電壓為12 V，額定功率為5 W。

1. 冷卻水箱 2. 水溫傳感器 3. 冷卻水管 4. 水排散熱器 5. 散熱風(fēng)機(jī) 6. 水泵 7. 控制系統(tǒng) 8. 水冷傳熱模塊 9. 半導(dǎo)體制冷片 10. 聚氨酯保溫板 11. 保溫箱體 12. 熱反射膜 13. 導(dǎo)冷鋁板 14. 導(dǎo)冷風(fēng)機(jī) 15. 保鮮環(huán)境溫度傳感器 16. 開關(guān)電源 17. 數(shù)據(jù)記錄儀 18. 計(jì)算機(jī)

1.2 控制系統(tǒng)組成

在半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)中，熱端散熱是影響制冷效率的關(guān)鍵因素。在果蔬配送箱的保鮮環(huán)境和散熱系統(tǒng)的冷卻水箱各布置一枚Pt100傳感器，控制系統(tǒng)通過(guò)繼電器控制風(fēng)機(jī)、水泵和TEC片開關(guān)?？刂芓EC模塊，將箱體內(nèi)溫度維持在(7±1)℃的范圍內(nèi)，使得箱內(nèi)保鮮環(huán)境的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)熱端溫度不超過(guò)40℃，超過(guò)40℃則停止TEC工作從而保護(hù)半導(dǎo)體制冷模塊，避免燒蝕。

控制系統(tǒng)主要由溫度采集模塊、繼電器、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤輸入模塊以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模塊組成，系統(tǒng)整體框圖見(jiàn)圖2。以AVR系列微處理器ATmega16單片機(jī)為核心，溫度傳感器電阻變化經(jīng)過(guò)變送器和傳感器采集模塊轉(zhuǎn)為模擬電壓信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)自帶ADC通道[19]采集保鮮環(huán)境與散熱系統(tǒng)溫度的模擬信號(hào)。通過(guò)ATmega16進(jìn)行邏輯判斷、分析后，利用功放電路控制對(duì)應(yīng)的繼電器通斷而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)冷風(fēng)機(jī)、散熱風(fēng)機(jī)、水泵和TEC片等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。

圖2 系統(tǒng)整體框圖Figure 2 Structure of control system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度采集電路

果蔬配送箱控制參數(shù)包括配送箱保鮮環(huán)境的空氣溫度和散熱系統(tǒng)的水溫。所使用的溫度傳感器為Pt100溫度傳感器，精度為±0.3℃。Pt100是鉑熱電阻，它的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。本設(shè)計(jì)中采用三線制方法，通過(guò)連接變送器轉(zhuǎn)為4～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，再傳輸至溫度采集模塊，見(jiàn)圖3。

控制系統(tǒng)采用5 V參考電壓。溫度采集電路采樣電阻為220 Ω，則輸入電壓范圍為0.88～4.40 V，在參考電壓范圍之內(nèi)。

2.2 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括半導(dǎo)體制冷器、散熱風(fēng)機(jī)、導(dǎo)冷風(fēng)機(jī)和水泵。ATmega16微處理器芯片的驅(qū)動(dòng)能力為20～30 mA，不能直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，硬件設(shè)計(jì)時(shí)選用驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003A驅(qū)動(dòng)繼電器控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電路見(jiàn)圖4。ULN2003A驅(qū)動(dòng)芯片具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能直接驅(qū)動(dòng)繼電器[22]。

圖3 溫度傳感器采集模塊電路圖Figure 3 Circuit diagram of temperature sensor acquisition module

圖4 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊電路圖Figure 4 Circuit diagram of relay drive module

2.3 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路

為呈現(xiàn)單片機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行用戶體驗(yàn)，系統(tǒng)中加入4位數(shù)碼管作為信息顯示。4位共陰數(shù)碼管有12個(gè)引腳，由于I/O口限制，使用2個(gè)74HC595芯片，實(shí)現(xiàn)3個(gè)引腳控制數(shù)碼管，節(jié)省I/O口資源，見(jiàn)圖5。74HC595含有數(shù)據(jù)移位寄存器和三態(tài)輸出鎖存器，具有串行移位輸入、8位并行輸出的功能[23]。

圖5 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)模塊電路Figure 5 Circuit diagram of digital drive module

2.4 鍵盤輸入模塊

為手動(dòng)改變箱內(nèi)保鮮環(huán)境溫度控制范圍，設(shè)計(jì)了鍵盤輸入模塊，見(jiàn)圖6。MAX端與單片機(jī)PD2引腳連接，按下后PD2引腳電平拉低，觸發(fā)中斷INT0，設(shè)置溫度上限。MIN端與單片機(jī)PD3引腳連接，按下后PD2引腳電平拉低，觸發(fā)中斷INT1，設(shè)置溫度下限。通過(guò)UP、DOWN、MOVE 3個(gè)鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)溫度上下限的調(diào)整。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體制冷式果蔬配送箱控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)配送箱內(nèi)保鮮環(huán)境的溫度和半導(dǎo)體制冷器水冷散熱系統(tǒng)水溫的實(shí)時(shí)控制。通過(guò)傳感器采集的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分析、決策，輸出控制信號(hào)，控制導(dǎo)冷風(fēng)機(jī)、散熱風(fēng)機(jī)、水泵、TEC片等執(zhí)行機(jī)構(gòu)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了果蔬配送箱內(nèi)保鮮環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)在最優(yōu)范圍。由于配送箱需要保鮮運(yùn)輸不同種類的果蔬，控制系統(tǒng)需提供保鮮參數(shù)范圍的選擇功能，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互與鍵盤輸入，并通過(guò)顯示屏呈現(xiàn)溫度值。主控制流程圖見(jiàn)圖7。

圖6 鍵盤輸入模塊電路圖Figure 6 Circuit diagram of keyboard input module

對(duì)箱體內(nèi)的保鮮環(huán)境溫度采用雙限值法控制。當(dāng)箱體內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，開啟水泵、TEC片、散熱風(fēng)機(jī)和導(dǎo)冷風(fēng)機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度下限時(shí)，停止TEC片以及導(dǎo)冷風(fēng)機(jī)，水泵和散熱風(fēng)機(jī)繼續(xù)工作進(jìn)行熱端散熱。這是因?yàn)楫?dāng)TEC片停止工作時(shí)，熱端和冷端易形成熱橋，應(yīng)盡量減少冷熱端溫差。同時(shí)由于降低熱端冷卻水溫度對(duì)TEC片的工作效率有極大的幫助，因此在TEC片停止工作時(shí)，熱端仍保持散熱。

圖7 主程序控制流程圖Figure 7 Structure of main program

TEC片的熱端高溫保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)是通過(guò)監(jiān)測(cè)水箱內(nèi)冷卻水溫度，當(dāng)冷卻水溫度高于上限時(shí)，停止TEC片和導(dǎo)冷風(fēng)機(jī)工作，維持水泵以及散熱風(fēng)機(jī)工作，從而對(duì)熱端以及冷卻水降溫。當(dāng)水溫降至下限時(shí)，則停止保護(hù)。這是由于當(dāng)TEC片熱端溫度較高時(shí)，TEC片制冷效率會(huì)大幅降低，甚至燒毀。

3.2 溫度設(shè)定程序

為提高系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)便性[21,24]，設(shè)計(jì)了溫度設(shè)定程序，程序流程圖見(jiàn)圖8。用戶根據(jù)具體配送的果蔬設(shè)定保鮮環(huán)境溫度上下限。按下限、上限設(shè)定鍵后進(jìn)入中斷，設(shè)定程序啟動(dòng)，數(shù)碼管第一位進(jìn)行閃爍進(jìn)入設(shè)定程序。當(dāng)用戶按下鍵盤按鍵后，系統(tǒng)讀取鍵值。當(dāng)按下結(jié)束鍵，退出中斷；當(dāng)按下增加鍵后，所選位數(shù)值增加1，當(dāng)數(shù)值原值為9，再按當(dāng)位歸0，并寫入限值；當(dāng)按下減少鍵后，所選位數(shù)值減少1，當(dāng)數(shù)值原值為9，再按當(dāng)位歸0，并寫入限制；當(dāng)按下移位，下一位閃爍，當(dāng)移到第四位再移位，第一位閃爍。

圖8 溫度設(shè)定程序控制流程圖Figure 8 Structure of temperature setting program

4 半導(dǎo)體制冷式果蔬配送箱試驗(yàn)

4.1 傳感器校驗(yàn)

分別在果蔬配送箱保鮮環(huán)境溫度傳感器檢測(cè)點(diǎn)(圖1中位置15)和半導(dǎo)體制冷器散熱系統(tǒng)水溫傳感器檢測(cè)點(diǎn)(圖1中位置2)位置處布置相同型號(hào)的溫度傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)，啟動(dòng)TEC片、風(fēng)機(jī)與水泵，記錄兩組溫度數(shù)據(jù)的變化。

校驗(yàn)結(jié)果顯示，溫度在控制過(guò)程中測(cè)試值與數(shù)據(jù)記錄儀獲取的數(shù)據(jù)基本一致。這表明該系統(tǒng)的傳感器特征滿足控制要求。

4.2 綜合控制試驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證半導(dǎo)體制冷式果蔬配送箱控制系統(tǒng)控制過(guò)程的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在半導(dǎo)體制冷式果蔬配送箱試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)的自動(dòng)控制試驗(yàn)。保鮮參數(shù)設(shè)定范圍：配送箱內(nèi)保鮮環(huán)境控制溫度設(shè)置為6～8℃；外界環(huán)境為(25±1)℃。箱體內(nèi)、冷端導(dǎo)冷鋁板、熱端散熱系統(tǒng)的冷卻水箱各布置Pt100溫度傳感器，溫度傳感器與數(shù)據(jù)記錄儀相連，數(shù)據(jù)記錄儀與計(jì)算機(jī)連接用于記錄箱體內(nèi)實(shí)時(shí)溫度變化。

4.3 結(jié)果分析

由圖9可知：綜合試驗(yàn)耗時(shí)約50 min，實(shí)現(xiàn)4個(gè)循環(huán)的溫度變化過(guò)程。系統(tǒng)工作后，箱內(nèi)溫度到達(dá)保鮮參數(shù)下限用時(shí)9.7 min，停止TEC工作后，用時(shí)5 min到達(dá)保鮮參數(shù)上限。開啟TEC工作后的前3 min，冷端導(dǎo)冷鋁板的溫度下降較快，制冷效率較高。這是因?yàn)楣ぷ鞒跗冢鋮s水溫度接近室溫，溫度相對(duì)較低，散熱潛力大。當(dāng)冷卻水溫升高后，箱內(nèi)溫度下降速率減小。配送箱保鮮環(huán)境溫度在6～8℃波動(dòng)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：半導(dǎo)體制冷式果蔬配送箱控制系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)置的控制流程進(jìn)行邏輯判斷、決策，控制準(zhǔn)確、可靠，穩(wěn)定地將半導(dǎo)體制冷式果蔬配送箱的保鮮參數(shù)控制在設(shè)定的要求內(nèi)，誤差值在允許范圍內(nèi)。

圖9 箱內(nèi)溫度變化曲線圖Figure 9 Chart of temperature changing inside cabinet

5 結(jié)論

(1) 以半導(dǎo)體制冷式果蔬配送箱為平臺(tái)，通過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)，以及軟件的編寫，實(shí)現(xiàn)了保鮮環(huán)境溫度控制以及散熱系統(tǒng)水溫保護(hù)。

(2) 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)根據(jù)自身的需要來(lái)編輯相應(yīng)的保鮮參數(shù)范圍，通過(guò)顯示屏顯示和鍵盤輸入，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能。

(3) 控制系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)置的控制流程進(jìn)行邏輯分析、決策，工作準(zhǔn)確、穩(wěn)定，能有效地將半導(dǎo)體制冷式果蔬配送箱的保鮮參數(shù)控制在設(shè)定的要求內(nèi)。系統(tǒng)能夠保證連續(xù)穩(wěn)定的工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化控制。

(4) 半導(dǎo)體制冷式果蔬配送箱控制系統(tǒng)解決了箱內(nèi)果蔬智能控溫和散熱系統(tǒng)高溫保護(hù)等問(wèn)題。基于果蔬物性的分類模型控制策略以及制冷能耗優(yōu)化等問(wèn)題尚未完善，課題組后續(xù)將對(duì)此進(jìn)行深入研究。

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Control system of distributed cabinet based on thermoelectric cooler for fruits and vegetables

ZOU Chi-dao1,2LUEn-li1,2LUHua-zhong1,2ZENGZhi-xiong1,2ZHAOJun-hong1,2

(1.CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou,Guangdong510642,China; 2.GuangdongEngineeringResearchCenterofAgriculturalProductColdChainLogistics,Guangzhou,Guangdong510640,China)

Preservation of environment temperature is an important factor to protect distribution quality of fruits and vegetables. In this paper, distributed cabinet based on thermoelectric cooler (TEC) for fruits and vegetables was studied while control system based on ATmega16 microprocessor of AVR series was designed. By using ICCV7 for AVR software platform and C program, software of control system was researched. After ambient temperature of distributed cabinet and water temperature of TEC system were acquainted, executions such as TEC, fans and pumps were control automatically by using a dual limit control methods. Persevered temperature of distributed cabinet and high temperature protection of TEC system was realized. The results showed that control system could collect real-time monitoring parameters effectively and control executions according control logic, and the system is reliable.

fruit and vegetable; preservation; thermoelectric cooling; control system

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金(編號(hào)：CARS-33-13)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目課題(編號(hào)：2013BAD19B01)

鄒熾導(dǎo)，男，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀博士研究生。

陸華忠(1963-)，男，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授，博士，博士生導(dǎo)師。E-mail:huazlu@scau.edu.cn

2016-09-14

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.030