便攜智能恒溫箱的設(shè)計(jì)

王一幟，劉晏麟，王巖，李洋*，劉巖，劉可

(1.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

便攜智能恒溫箱的設(shè)計(jì)

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(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

對(duì)冷鏈物流便攜存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)調(diào)查，結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)出一款適應(yīng)性更強(qiáng)、精度更高、性能更穩(wěn)定的智能恒溫箱。該恒溫箱通過(guò)USB接口充電器作為電能來(lái)源，存儲(chǔ)于鋰電池中為恒溫箱提供電量，方便使用者攜帶；通過(guò)DS18B20數(shù)字溫度傳感器、半導(dǎo)體制冷材料以及單片機(jī)的相互連接與信號(hào)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)恒溫控制及溫度顯示功能；利用模糊PID控制理論，對(duì)半導(dǎo)體制冷片電流進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的自動(dòng)檢測(cè)與溫度調(diào)節(jié)功能。繪制該設(shè)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(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用于物流、實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體制冷；單片機(jī)；PID控制理論

0 引言

在現(xiàn)代社會(huì)中，恒溫箱被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，特別是物流、實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)藥方面。為了得到精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，保持恒溫環(huán)境，市場(chǎng)對(duì)恒溫箱的要求十分嚴(yán)格。在當(dāng)今市場(chǎng)上，已存在多種恒溫箱，但大多精度不高、溫度波動(dòng)范圍大、制冷制熱效率低、適應(yīng)性差，由此引發(fā)了一系列食品安全問(wèn)題以及醫(yī)藥事故，譬如“毒疫苗”事件。

該設(shè)計(jì)在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，從節(jié)約能源、方便攜帶、提高效率的角度出發(fā)，通過(guò)DS18B20數(shù)字溫度傳感器與單片機(jī)，將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)模糊PID控制理論的高精度性對(duì)半導(dǎo)體制冷片的電流強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而實(shí)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(dāng)?shù)膯?wèn)題，適應(yīng)性更強(qiáng)。

1 方案設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目在充分了解市場(chǎng)現(xiàn)有的恒溫箱[1-2]的恒溫原理、供電來(lái)源、各部件連接方式以及外形構(gòu)造的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用便捷輕便、保溫性能高的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。

該恒溫箱以在復(fù)雜多變的環(huán)境中保持溫度穩(wěn)定為目的，通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)電量供應(yīng)，并利用鋰電池實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的存儲(chǔ)和釋放；首先通過(guò)DS18B20數(shù)字溫度傳感器感受溫度，將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)；單片機(jī)(控制系統(tǒng))通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度，將數(shù)據(jù)在顯示屏上顯示，當(dāng)溫度低于設(shè)置的下限溫度時(shí)，半導(dǎo)體制冷片電流方向從N-P，模糊PID控制器增大半導(dǎo)體制冷片的電流，放熱量增多，溫度升高；當(dāng)溫度高于上限值時(shí)，半導(dǎo)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(fù)始，實(shí)現(xiàn)恒溫箱的自動(dòng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 便攜智能恒溫箱設(shè)計(jì)方案Fig.2 Portable intelligent thermostat design program

2 設(shè)計(jì)原理

采用USB充電形式把電量存儲(chǔ)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(dòng)電路及半導(dǎo)體制冷部分。半導(dǎo)體制冷材料的制冷量由其所通過(guò)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(shí)，為了使其滿足能夠自動(dòng)進(jìn)行溫度控制與調(diào)節(jié)的功能，需要用到模糊PID算法，通過(guò)其高精度性對(duì)半導(dǎo)體制冷片電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)節(jié)。

2.1 充電模塊設(shè)計(jì)

恒溫箱主要依靠USB充電器實(shí)現(xiàn)電量供應(yīng)。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(guò)TP4054芯片對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，圖3為該型號(hào)芯片USB供電的典型應(yīng)用圖，先檢測(cè)待充電電池的電壓，如果電壓低于8 V，應(yīng)進(jìn)行預(yù)充電，充電電流大小為設(shè)定電流的1/10，當(dāng)電壓升至8 V后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)充電過(guò)程。標(biāo)準(zhǔn)充電過(guò)程為：以設(shè)定電流進(jìn)行恒流充電，電池電壓升到12 V時(shí)，改為恒壓充電，保持充電電壓為12 V，此時(shí)，充電電流逐漸下降，當(dāng)電流下降至設(shè)定充電電流的1/10時(shí)，充電結(jié)束。

圖3 USB充電應(yīng)用圖Fig.3 USB charging applications

2.2 溫度控制模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 溫度傳感器

可用于該項(xiàng)設(shè)計(jì)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(cè)量范圍為40～90℃，但是熱敏電阻的可靠性差，測(cè)量準(zhǔn)確度低，且不能直接轉(zhuǎn)化為可用數(shù)字信號(hào)。

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

(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(kāi)銷低、可靠性高、測(cè)量精度高和連接簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。不僅可直接將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，而且可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測(cè)[3-6]。

綜合節(jié)約能源、簡(jiǎn)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(gè)引腳，兩個(gè)引腳分別用于接地、接電源、中間引腳用于連接單片機(jī)。

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(hào)名稱引腳功能描述1GND地信號(hào)2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開(kāi)漏單總線接口引腳。當(dāng)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(dāng)工作于寄生電源時(shí),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(jī)接口只占用一個(gè)I/O接口，可直接將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)串行輸出，DS18B20的數(shù)據(jù)腳和電源之間加了一個(gè)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(dǎo)體制冷材料

半導(dǎo)體制冷片是一個(gè)熱傳遞的工具。半導(dǎo)體制冷是利用半導(dǎo)體材料組成P-N結(jié)。當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對(duì)中有電流通過(guò)時(shí)，兩端之間就會(huì)產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會(huì)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(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成熱電偶接上直流電源后，在接頭處就會(huì)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(dǎo)體制冷原理圖Fig.6 Schematic diagram of semiconductor refrigeration

根據(jù)帕爾帖效應(yīng)原理，半導(dǎo)體制冷片上產(chǎn)生的熱量與其通過(guò)電流強(qiáng)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(dòng)勢(shì)；T為結(jié)點(diǎn)上的絕對(duì)溫度；I為透過(guò)結(jié)點(diǎn)的電流。

因此，在一個(gè)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(dǎo)體冷熱端溫差；K為半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)的總熱導(dǎo)。

2.3 數(shù)字顯示模塊設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)恒溫箱按鍵操作復(fù)雜，該設(shè)計(jì)在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)字鍵盤(pán)，通過(guò)按鍵鍵入設(shè)定溫度，并在顯示屏上顯示設(shè)定溫度。首先溫度傳感器感受外界溫度，通過(guò)單片機(jī)[9-15]處理后在顯示屏上顯示出當(dāng)前溫度“Current Temp：”，然后通過(guò)鍵盤(pán)直接輸入設(shè)定溫度，系統(tǒng)識(shí)別出設(shè)定溫度后，可進(jìn)行相應(yīng)的升溫降溫，直到達(dá)到與設(shè)定溫度一致。如圖7所示，為數(shù)字鍵盤(pán)設(shè)計(jì)電路。

圖7 數(shù)字鍵盤(pán)設(shè)計(jì)電路Fig.7 Digital keyboard design circuit

2.4 智能模塊設(shè)計(jì)

2.4.1 模糊PID控制算法

為了使恒溫箱滿足在復(fù)雜多變的外部環(huán)境中，能夠自動(dòng)對(duì)溫度進(jìn)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(guò)它的高精度性對(duì)半導(dǎo)體制冷片電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)溫度的實(shí)時(shí)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(chǔ)上，加上一個(gè)模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改的一種自適應(yīng)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(shí)刻的e和ec對(duì)參數(shù)自整定的要求，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具PID有控制精度高的特點(diǎn)，對(duì)復(fù)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(guò)找出誤差e和誤差變化率ec與三個(gè)參數(shù)自動(dòng)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(cè)e和ec，根據(jù)確定的模糊控制規(guī)則來(lái)對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整的，從而滿足不同e和ec對(duì)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(yǔ)言變量溫度偏差e和溫度偏差變化率ec，經(jīng)過(guò)模糊化與模糊推理得到輸出變量自動(dòng)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(jìn)而對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，使被控對(duì)象擁有良好的動(dòng)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(shè)定值r(t)與實(shí)測(cè)值u(t)的差。

其中輸出為該偏差信號(hào)的比例、積分、微分的線性組合，連續(xù)公式為：

(3)

當(dāng)使用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制算法時(shí)，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(shí)刻的控制量；T為采樣周期；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

2.5 便攜智能恒溫箱電路設(shè)計(jì)與外觀參數(shù)設(shè)計(jì)

2.5.1 電路設(shè)計(jì)

便攜智能恒溫箱將電源、按鍵、溫度傳感器、單片機(jī)、半導(dǎo)體制冷材料和顯示屏等電路元器件連接起來(lái)，通過(guò)不同元器件的功能實(shí)現(xiàn)，達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)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(shè)計(jì)

便攜智能恒溫箱采用箱體底部固定連接半導(dǎo)體控溫元件，半導(dǎo)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(pán)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(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。鋰離子電池性能參數(shù)見(jiàn)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(yǔ)

該設(shè)計(jì)選擇冷鏈物流小型存儲(chǔ)設(shè)備恒溫箱為研究對(duì)象，針對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)中，恒溫箱精度不高，效率低下，適應(yīng)性差等問(wèn)題，通過(guò)USB接口充電器向鋰電池存儲(chǔ)電能給恒溫箱供電，實(shí)現(xiàn)便攜功能；選擇DS18B20數(shù)字傳感器、單片機(jī)、半導(dǎo)體制冷材料進(jìn)行溫度的控制；通過(guò)模糊PID控制器控制半導(dǎo)體制冷片的電流方向與大小，對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與調(diào)節(jié)，滿足智能恒溫功能。該設(shè)計(jì)很好的解決了現(xiàn)有市場(chǎng)上恒溫箱效率低下、精度不高、溫度控制不當(dāng)?shù)葐?wèn)題，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(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)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(shè)計(jì)[J].森林工程，2017，33(3)：58-63.

TP 368.1；TP 273.5

A

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