王一幟，劉晏麟，王巖，李洋*，劉巖，劉可

(1.東北林業(yè)大學 工程技術(shù)學院，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

便攜智能恒溫箱的設計

王一幟1，劉晏麟1，王巖2，李洋1*，劉巖1，劉可1

(1.東北林業(yè)大學 工程技術(shù)學院，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

對冷鏈物流便攜存儲設備進行相關(guān)調(diào)查，結(jié)合當前市場需求，設計出一款適應性更強、精度更高、性能更穩(wěn)定的智能恒溫箱。該恒溫箱通過USB接口充電器作為電能來源，存儲于鋰電池中為恒溫箱提供電量，方便使用者攜帶；通過DS18B20數(shù)字溫度傳感器、半導體制冷材料以及單片機的相互連接與信號轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)恒溫控制及溫度顯示功能；利用模糊PID控制理論，對半導體制冷片電流進行控制，可實現(xiàn)該設備的自動檢測與溫度調(diào)節(jié)功能。繪制該設備電路原理圖以及外觀效果圖，提供箱體及性能參數(shù)。該設計可廣泛應用于物流、實驗室、工業(yè)、食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域，制冷制熱效率高，精度高，便于攜帶。

恒溫箱；溫度傳感器；半導體制冷；單片機；PID控制理論

0 引言

在現(xiàn)代社會中，恒溫箱被廣泛應用于各行各業(yè)，特別是物流、實驗室、工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)藥方面。為了得到精確的實驗數(shù)據(jù)，保持恒溫環(huán)境，市場對恒溫箱的要求十分嚴格。在當今市場上，已存在多種恒溫箱，但大多精度不高、溫度波動范圍大、制冷制熱效率低、適應性差，由此引發(fā)了一系列食品安全問題以及醫(yī)藥事故，譬如“毒疫苗”事件。

該設計在現(xiàn)有研究的基礎上，從節(jié)約能源、方便攜帶、提高效率的角度出發(fā)，通過DS18B20數(shù)字溫度傳感器與單片機，將溫度信號直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過模糊PID控制理論的高精度性對半導體制冷片的電流強度進行實時控制，從而實現(xiàn)溫度的自主調(diào)節(jié)，有效的解決恒溫箱溫度控制不當?shù)膯栴}，適應性更強。

1 方案設計

該項目在充分了解市場現(xiàn)有的恒溫箱[1-2]的恒溫原理、供電來源、各部件連接方式以及外形構(gòu)造的基礎上進行改進，采用便捷輕便、保溫性能高的材料進行設計。

該恒溫箱以在復雜多變的環(huán)境中保持溫度穩(wěn)定為目的，通過USB接口實現(xiàn)電量供應，并利用鋰電池實現(xiàn)對電路的存儲和釋放；首先通過DS18B20數(shù)字溫度傳感器感受溫度，將溫度信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳給單片機；單片機(控制系統(tǒng))通過溫度傳感器實時檢測溫度，將數(shù)據(jù)在顯示屏上顯示，當溫度低于設置的下限溫度時，半導體制冷片電流方向從N-P，模糊PID控制器增大半導體制冷片的電流，放熱量增多，溫度升高；當溫度高于上限值時，半導體制冷片電流方向從P-N，吸熱量增多，溫度下降。如此周而復始，實現(xiàn)恒溫箱的自動控制。具體原理圖如圖1所示。

圖1 便攜智能恒溫箱系統(tǒng)原理圖Fig.1 Portable intelligent thermostat system principle picture

該便攜智能恒溫箱設計具體可分為 4大模塊：充電模塊、溫度控制模塊、數(shù)字顯示模塊和智能模塊，具體研究方案設計如圖2所示。

圖2 便攜智能恒溫箱設計方案Fig.2 Portable intelligent thermostat design program

2 設計原理

采用USB充電形式把電量存儲于鋰電池中，在物流途中給恒溫箱供電，恒溫箱的核心部分為驅(qū)動電路及半導體制冷部分。半導體制冷材料的制冷量由其所通過的電流大小決定，而吸熱和放熱是由電流的方向決定的。同時，為了使其滿足能夠自動進行溫度控制與調(diào)節(jié)的功能，需要用到模糊PID算法，通過其高精度性對半導體制冷片電流進行控制，從而達到對溫度的實時監(jiān)控與調(diào)節(jié)。

2.1 充電模塊設計

恒溫箱主要依靠USB充電器實現(xiàn)電量供應。利用USB充電器直接把220 V電壓轉(zhuǎn)換成12V電壓供給鋰電池，通過TP4054芯片對鋰電池進行充電，圖3為該型號芯片USB供電的典型應用圖，先檢測待充電電池的電壓，如果電壓低于8 V，應進行預充電，充電電流大小為設定電流的1/10，當電壓升至8 V后，進入標準充電過程。標準充電過程為：以設定電流進行恒流充電，電池電壓升到12 V時，改為恒壓充電，保持充電電壓為12 V，此時，充電電流逐漸下降，當電流下降至設定充電電流的1/10時，充電結(jié)束。

圖3 USB充電應用圖Fig.3 USB charging applications

2.2 溫度控制模塊設計

2.2.1 溫度傳感器

可用于該項設計的溫度傳感器主要有以下3種：

(1)采用熱敏電阻，熱敏電阻的測量范圍為40～90℃，但是熱敏電阻的可靠性差，測量準確度低，且不能直接轉(zhuǎn)化為可用數(shù)字信號。

(2)采用Pt100溫度傳感器，Pt100溫度傳感器的測量范圍在-80～500 ℃，A級測量精度為±(0.15+0.002|t|)℃，B級測量精度為±(0.30+0.005|t|)℃。Pt100溫度傳感器測量范圍廣、但其更適合單點高精度測量，不適合多點溫度檢測。

(3)采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器。它是數(shù)字接口支持一線總線的溫度傳感器，其具有體積小、硬件開銷低、可靠性高、測量精度高和連接簡單等優(yōu)點。不僅可直接將溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，而且可實現(xiàn)多點溫度檢測[3-6]。

綜合節(jié)約能源、簡捷性等因素考慮，選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器最為合適。如圖4和表1所示，DS18B20共有三個引腳，兩個引腳分別用于接地、接電源、中間引腳用于連接單片機。

圖4 DS18B20溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 DS18B20 temperature sensor structure表1 DS18B20引腳功能描述表Tab.1 DS18B20 pin function description table

序號名稱引腳功能描述1GND地信號2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當被用著在寄生電源下,也可以向器件提供電源。3VDD可選擇的VDD引腳。當工作于寄生電源時,此引腳必須接地。

如圖5所示，DS18B20溫度傳感器采用單總線協(xié)議，單片機接口只占用一個I/O接口，可直接將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號串行輸出，DS18B20的數(shù)據(jù)腳和電源之間加了一個4.7 KΩ的上拉電阻，用以保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。

2.2.2 半導體制冷材料

半導體制冷片是一個熱傳遞的工具。半導體制冷是利用半導體材料組成P-N結(jié)。當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對中有電流通過時，兩端之間就會產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端[7-8]。

如圖6所示，當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯(lián)結(jié)成熱電偶接上直流電源后，在接頭處就會產(chǎn)生溫差和熱量轉(zhuǎn)移，電流的方向是N-P，溫度下降并吸熱，這就是冷端，而下面的接頭處，電流方向P-N，這就是熱端。

圖5 DS18B20溫度傳感器電路圖Fig.5 DS18B20 temperature sensor circuit

圖6 半導體制冷原理圖Fig.6 Schematic diagram of semiconductor refrigeration

根據(jù)帕爾帖效應原理，半導體制冷片上產(chǎn)生的熱量與其通過電流強度成正比，其關(guān)系式為：

Q=I×π=(αP-αn)T×I。

(1)

式中：π為帕爾帖系數(shù)；αP、αn分別為p型和n型電偶臂的溫差電動勢；T為結(jié)點上的絕對溫度；I為透過結(jié)點的電流。

因此，在一個電偶上的產(chǎn)冷量：

(2)

式中：R為熱電偶的等效電阻；T為半導體冷熱端溫差；K為半導體結(jié)點的總熱導。

2.3 數(shù)字顯示模塊設計

傳統(tǒng)恒溫箱按鍵操作復雜，該設計在此基礎上，設計了一個數(shù)字鍵盤，通過按鍵鍵入設定溫度，并在顯示屏上顯示設定溫度。首先溫度傳感器感受外界溫度，通過單片機[9-15]處理后在顯示屏上顯示出當前溫度“Current Temp：”，然后通過鍵盤直接輸入設定溫度，系統(tǒng)識別出設定溫度后，可進行相應的升溫降溫，直到達到與設定溫度一致。如圖7所示，為數(shù)字鍵盤設計電路。

圖7 數(shù)字鍵盤設計電路Fig.7 Digital keyboard design circuit

2.4 智能模塊設計

2.4.1 模糊PID控制算法

為了使恒溫箱滿足在復雜多變的外部環(huán)境中，能夠自動對溫度進行控制與調(diào)節(jié)，且保證精度要求，使用模糊PID控制算法，通過它的高精度性對半導體制冷片電流進行控制，從而達到對溫度的實時監(jiān)控與調(diào)節(jié)[12-16]。

模糊PID控制是PID算法與模糊控制理論相結(jié)合的一種控制理論，是在一般PID控制系統(tǒng)的基礎上，加上一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進行修改的一種自適應控制系統(tǒng)。以誤差e和誤差ec變化作為輸入，可以滿足不同時刻的e和ec對參數(shù)自整定的要求，既具有模糊控制靈活而適應性強的優(yōu)點，又具PID有控制精度高的特點，對復雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好的控制效果[13-15]。

其主要功能是通過找出誤差e和誤差變化率ec與三個參數(shù)自動調(diào)整比例系數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)的模糊關(guān)系[16]，在系統(tǒng)中不斷檢測e和ec，根據(jù)確定的模糊控制規(guī)則來對三個參數(shù)進行在線調(diào)整的，從而滿足不同e和ec對參數(shù)的不同要求。

如圖8所示，溫度傳感器得到系統(tǒng)的輸入語言變量溫度偏差e和溫度偏差變化率ec，經(jīng)過模糊化與模糊推理得到輸出變量自動調(diào)整比例系數(shù)Kp、積分參數(shù)Kf和微分參數(shù)KD，反饋給模糊控制器進而對被控對象進行控制，使被控對象擁有良好的動靜態(tài)性能[17]。

圖8 模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of fuzzy PID controller

2.4.2 數(shù)字PID控制算法

圖9 PID控制原理圖Fig.9 PID control schematic

如圖9所示：其中e(t)=r(t)-u(t)，輸入偏差e(t)為溫度設定值r(t)與實測值u(t)的差。

其中輸出為該偏差信號的比例、積分、微分的線性組合，連續(xù)公式為：

(3)

當使用計算機來實現(xiàn)PID控制算法時，其輸入輸出量必定要是數(shù)字量，所以要將公式(3)轉(zhuǎn)化為離散型公式：

(4)

(5)

將公式(4)和公式(5)帶入連續(xù)公式得：

(6)

式中：u(k)為第k時刻的控制量；T為采樣周期；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。

2.5 便攜智能恒溫箱電路設計與外觀參數(shù)設計

2.5.1 電路設計

便攜智能恒溫箱將電源、按鍵、溫度傳感器、單片機、半導體制冷材料和顯示屏等電路元器件連接起來，通過不同元器件的功能實現(xiàn)，達到實時檢測和調(diào)節(jié)溫度的目的，電路圖如圖10所示。

圖10 便攜智能恒溫箱電路圖Fig.10 Portable intelligent thermostat circuit

2.5.2 外觀及參數(shù)設計

便攜智能恒溫箱采用箱體底部固定連接半導體控溫元件，半導體控溫元件與鋰電池固定連接，箱體的正面左上端固定連接數(shù)字鍵盤及顯示屏，箱體上蓋和箱體內(nèi)壁固定連接保溫層的結(jié)構(gòu)形式，箱體的背后右上端固定連接電源插孔。

其外觀效果圖、鋰電池位置圖以及三視圖如圖11～圖13所示。

便攜智能恒溫箱設計參數(shù)見表2。鋰離子電池性能參數(shù)見表3。

表2 便攜智能恒溫箱性能參數(shù)表Tab.2 Performance parameters of portable intelligent thermostat

表3 鋰離子電池性能參數(shù)表Tab.3 Performance parameters of Lithium ion battery

圖11 便攜智能恒溫箱外觀效果圖Fig.11 Portable intelligent thermostat appearance

圖12 鋰電池位置圖Fig.12 Lithium battery location

圖13 便攜智能恒溫箱三視圖Fig.13 Portable intelligent thermostat three direction view

3 結(jié)束語

該設計選擇冷鏈物流小型存儲設備恒溫箱為研究對象，針對現(xiàn)有市場中，恒溫箱精度不高，效率低下，適應性差等問題，通過USB接口充電器向鋰電池存儲電能給恒溫箱供電，實現(xiàn)便攜功能；選擇DS18B20數(shù)字傳感器、單片機、半導體制冷材料進行溫度的控制；通過模糊PID控制器控制半導體制冷片的電流方向與大小，對溫度進行實時檢測與調(diào)節(jié)，滿足智能恒溫功能。該設計很好的解決了現(xiàn)有市場上恒溫箱效率低下、精度不高、溫度控制不當?shù)葐栴}，有效的提高了溫控精度與工作效率，增加了便捷性。

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Design of Portable Intelligent Thermostat

Wang Yizhi1，Liu Yanlin1，Wang Yan2，Li Yang1*，Liu Yan1，Liu Ke1

(1.College of Engineering & Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

This paper makes a survey on the portable storage equipment of cold chain logistics，and designs an intelligent thermostat which has stronger adaptability，higher precision and more stable performance.The thermostat uses USB charger as power source and lithium battery to provide electricity，which is convenient for users to carry.Through connecting and signal converting of DS18B20 digital temperature sensor，semiconductor refrigeration materials and MCU，it can achieve constant temperature control and temperature display function.Using the fuzzy PID control theory to control the current of the semiconductor refrigeration piece，the automatic detection and temperature adjustment function of the device can be realized.Finally，we draw the circuit schematic diagram and the appearance of the device and provide parameters of the thermostat and its performance.The design can be widely used in the fields of logistics，laboratory，industry，food and medicine，etc.It has the advantages of high refrigerating and heating efficiency，high precision and is convenient to carry.

Thermostat；temperature sensor；semiconductor refrigeration；MCU；PID control theory

2016-03-29

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201610225085)

王一幟,本科生。研究方向：冷鏈物流裝備。

*通信作者：李洋，博士，副教授。研究方向：冷鏈物流。E-mail：lynefu2003@163.com

王一幟，劉晏麟，王巖，等.便攜智能恒溫箱的設計[J].森林工程，2017，33(3)：58-63.

TP 368.1；TP 273.5

A

1001-005X(2017)03-0058-06