高精度釀酒恒溫箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳建清，羊大立，張鐵民，嚴(yán)世勝

（海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，海南 ?？?571158）

釀造米酒在中國(guó)有著悠久的歷史，在中國(guó)南方的農(nóng)村，米酒是常見的傳統(tǒng)地方風(fēng)味食品，多是自家釀制食用，生產(chǎn)米酒的小作坊也以自產(chǎn)自銷為多。酒釀和米酒歷來受到人們的喜愛，不僅是因?yàn)槠浔旧砭哂泄阄?、酒香味等?dú)特風(fēng)味和口感的緣故，更重要的是它營(yíng)養(yǎng)十分豐富、酒精度數(shù)低、酸甜可口且富含多種氨基酸、葡萄糖、麥芽糖以及適量的有機(jī)酸、維生素和各種礦物質(zhì)。酒釀中的低糖成分人體極易吸收，具有健脾、健胃，快速補(bǔ)充能量的功效，適量的有機(jī)酸和各種維生素礦物質(zhì)亦能被人體快速地消化和吸收，達(dá)到均衡營(yíng)養(yǎng)和保健的作用[1]。

米酒的釀造步驟為：洗米、浸米、蒸煮、冷卻、配曲、糖化和發(fā)酵。制作好米酒的關(guān)鍵除了在全部制作過程中要做好人手、工具和容器的清潔衛(wèi)生外，還要控制好酵母菌生長(zhǎng)過程中發(fā)酵的溫度[2]。通常酵母菌所處的環(huán)境溫度如果低于0 ℃或者高于47 ℃，那么它就不能正常生長(zhǎng)，米酒就不能正常發(fā)酵。最適合酵母菌生長(zhǎng)的溫度范圍是25～30 ℃，所以在釀造米酒的時(shí)候最好能保持在這個(gè)溫度范圍之內(nèi)。

在現(xiàn)代生活中，恒溫箱廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，特別是實(shí)驗(yàn)室、物流、醫(yī)藥、釀酒和工業(yè)生產(chǎn)方面，為了得到精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和保持精確的恒定溫度，這些領(lǐng)域?qū)銣叵溆蟹浅?yán)格的要求。在當(dāng)今市場(chǎng)上，已存在很多種恒溫箱，但大多數(shù)溫度精度不高、波動(dòng)范圍較大，制熱制冷效率不高、體積不可變、適應(yīng)性差。本文設(shè)計(jì)的釀酒恒溫箱，具有精度高、實(shí)時(shí)性好、控制器和箱體可分離等特點(diǎn)，可用于家庭一年四季的糯米酒等的釀造中。

1 釀酒恒溫箱方案設(shè)計(jì)

如圖1 所示為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖，主控芯片采用STM32F103C8T6，接收溫度傳感器DS18B20 發(fā)送過來的溫度值[3]，并顯示在0.96″的OLED顯示屏上，獨(dú)立按鍵模塊可以設(shè)定目標(biāo)溫度和PID 3個(gè)參數(shù)。根據(jù)設(shè)定好的3個(gè)參數(shù)，通過驅(qū)動(dòng)芯片SI4336加熱或制冷用泡沫做成的恒溫箱，并運(yùn)行PID算法，使恒溫箱內(nèi)部的溫度慢慢穩(wěn)定于設(shè)定溫度。用C#語言在Visual Studio 2019上編寫了上位機(jī)軟件，通過串口實(shí)時(shí)描繪溫度曲線并存儲(chǔ)這些溫度值。最后用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了釀酒恒溫箱控制器的外殼，并3D打印。如果恒溫箱溫度超過警示溫度值，系統(tǒng)會(huì)超溫報(bào)警[4-5]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Figure 1 Overall structure block diagram of the system

2 釀酒恒溫箱硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要包括了主控電路、顯示電路、加熱模塊電路、制冷模塊電路、電源模塊電路、溫度數(shù)據(jù)采集電路和按鍵電路，下面主要介紹前4個(gè)模塊。

2.1 主控STM32最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)釀酒恒溫箱系統(tǒng)的功能要求，需要一個(gè)運(yùn)算速度快、通信接口多、成本相對(duì)低廉的嵌入式芯片。本設(shè)計(jì)采用了意法半導(dǎo)體公司的STM32F103C8T6作為系統(tǒng)的核心芯片。它基于超低功耗的ARM Cortex-M3處理器核心、64 KB的FLASH存儲(chǔ)器和20KB的SRAM，采用LQFP48的封裝方式，具有37個(gè)通用I/O口，工作電壓為2.0～3.6 V，4個(gè)16位定時(shí)器，1個(gè)CAN接口，2個(gè)12位ADC，2個(gè)I2C接口，3個(gè)USART接口，2個(gè)SPI接口，支持串口調(diào)試（SWD）和JTAG調(diào)試，其內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器頻率為8 MHz，具有可靈活配置的PLL[6-8]，最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)圖Figure 2 Minimum system diagram of STM32F103C8T6

2.2 OLED顯示屏模塊電路設(shè)計(jì)

顯示屏模塊采用0.96″的OLED液晶屏幕，分辨率為128×64，4線的I2C接口方式，屏幕所用的驅(qū)動(dòng)IC為SSD1306，其具有內(nèi)部升壓功能，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候不需要再專門設(shè)計(jì)升壓電路，模塊電路圖如圖3所示。

圖3 0.96”O(jiān)LED屏幕電路圖Figure 3 Circuit diagram of 0.96"OLED screen

2.3 加熱模塊電路設(shè)計(jì)

加熱模塊的功能是對(duì)釀酒恒溫箱進(jìn)行加熱，輸入的電源是12V/10A，STM32 發(fā)出脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)，MOS管功率芯片SI4336接收PWM信號(hào)，然后輸出大功率的信號(hào)給電熱絲對(duì)恒溫箱進(jìn)行加熱。芯片SI4336是N型管，最大耐壓30V，最大通過電流22A，導(dǎo)通電阻4.2MΩ。對(duì)加熱模塊設(shè)置了一個(gè)開關(guān)K1，如圖4所示，當(dāng)按下K1時(shí)，加熱電路模塊接通，如果DS18B20檢測(cè)到的環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度，就開始加熱，還設(shè)計(jì)了一個(gè)用于檢測(cè)加熱模塊是否通電的電路，如果通電了，紅色的發(fā)光二極管LEDR1就會(huì)亮，如果電熱絲開始工作，LEDRED會(huì)亮，電熱絲功率越大，LEDRED會(huì)越亮。

圖4 加熱電路圖Figure 4 Heating circuit diagram

2.4 制冷模塊電路設(shè)計(jì)

制冷模塊的功能是對(duì)釀酒恒溫箱進(jìn)行制冷，輸入電源是12V/10A，STM32發(fā)出PWM信號(hào)，MOS管功率芯片SI4336接收PWM信號(hào)，然后輸出大功率的信號(hào)給半導(dǎo)體制冷片TEC1-12706進(jìn)行制冷，在制冷片的制冷面和散熱面都裝有散熱片和風(fēng)扇，使冷氣和熱氣快速散開，2個(gè)散熱風(fēng)扇的風(fēng)速可以通過滑動(dòng)變阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)制冷模塊設(shè)置了一個(gè)開關(guān)K2，如圖5所示，當(dāng)按下K2時(shí)，制冷電路模塊接通，如果DS18B20檢測(cè)到的環(huán)境溫度高于設(shè)定溫度，就開始制冷，還設(shè)計(jì)了用于檢測(cè)制冷模塊是否通電的電路，如果通電了，綠色的發(fā)光二極管LEDRB2就會(huì)亮，如果制冷半導(dǎo)體片開始工作，LEDBLUE會(huì)亮，制冷半導(dǎo)體片功率越大，LEDBLUE會(huì)越亮。

圖5 制冷電路圖Figure 5 Refrigeration circuit diagram

3 釀酒恒溫箱軟件設(shè)計(jì)

在釀酒恒溫箱系統(tǒng)中，系統(tǒng)的主要功能是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，軟件設(shè)計(jì)的好壞決定著系統(tǒng)的性能，所以軟件設(shè)計(jì)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能是首先測(cè)量恒溫箱內(nèi)的溫度，然后與設(shè)定溫度值相比較，通過PID算法，用STM32的PWM去控制MOS管功率芯片SI4336，使電熱絲加熱或半導(dǎo)體制冷片制冷[9-10]。

整個(gè)控制板的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思路，控制板上的軟件由多個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)不同的功能。主要由主程序模塊、PID算法模塊、加熱模塊和制冷模塊等組成。

為了方便釀酒恒溫箱的PID參數(shù)整定、溫度設(shè)定、系統(tǒng)調(diào)試和查看，使用C#在Visual Studio 2019環(huán)境下編寫了上位機(jī)程序，還設(shè)計(jì)并制作了控制器的外殼。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

恒溫釀酒箱主程序流程圖如圖6所示，主程序首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，當(dāng)系統(tǒng)上電后，主程序?qū)TM32、DS18B20、串口和OLED等進(jìn)行初始化操作，然后通過3個(gè)獨(dú)立的按鍵，設(shè)定系統(tǒng)將要穩(wěn)定在的目標(biāo)溫度和3個(gè)PID參數(shù)，當(dāng)設(shè)定溫度高于釀酒恒溫箱內(nèi)的環(huán)境溫度時(shí)，系統(tǒng)需要加熱才能達(dá)到設(shè)定的溫度，所以要按加熱按鍵；當(dāng)設(shè)定溫度低于釀酒恒溫箱的環(huán)境溫度時(shí)，系統(tǒng)需要制冷才能達(dá)到設(shè)定的溫度，所以要按制冷按鍵。要是加熱和制冷按鍵同時(shí)按下，加熱優(yōu)先。

圖6 主程序流程圖Figure 6 Main program flow chart

3.2 PID算法程序設(shè)計(jì)

PID控制算法是最經(jīng)典、最簡(jiǎn)單、最成熟而又應(yīng)用最廣泛的控制方法，它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。雖已被提出有幾十年之久，但仍然廣泛應(yīng)用在工程領(lǐng)域。

PID 算法的執(zhí)行流程是非常簡(jiǎn)單的，即利用反饋來檢測(cè)偏差信號(hào)，PID 算法將控制偏差e(t)的比例、積分、微分進(jìn)行線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。PID控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。控制量u(t)可以由式（1）表示，

圖7 PID算法框圖Figure 7 PID algorithm block diagram

其中，KP為比例系數(shù)，TI為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。

在嵌入式系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)PID算法需要用數(shù)字PID算法，本設(shè)計(jì)采用位置式算法，將實(shí)際溫度與設(shè)定溫度之差經(jīng)比例積分微分運(yùn)算后擬合成PWM占空比數(shù)值，輸出給MOS管功率芯片SI4336去驅(qū)動(dòng)加熱或制冷電路，對(duì)式（1）進(jìn)行離散化處理可得：

通常把式（2）稱為位置式PID算法[11]。

PID算法模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)位置式PID控制，先將偏差值e(k)的初值置零，然后讀取設(shè)定溫度的值和恒溫箱內(nèi)的實(shí)測(cè)溫度值，算出溫度偏差值e(k)，接著根據(jù)位置式PID算法計(jì)算出增量u(k)，最后用增量去控制STM32輸出的PWM占空比。

3.3 PWM波形輸出程序設(shè)計(jì)

STM32依據(jù)PID算法輸出的控制信號(hào)來確定要輸出的PWM占空比，當(dāng)設(shè)定溫度高于恒溫箱內(nèi)部環(huán)境溫度并按下加熱鍵，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)STM32輸出的PWM 占空比來控制加熱絲的功率，PWM 占空比越大表示加熱絲在一個(gè)周期內(nèi)工作的時(shí)間越長(zhǎng)，平均功率也大，發(fā)熱增多；反之，平均功率小，發(fā)熱少。

3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的上位機(jī)軟件采用Microsoft Visual Studio2019開發(fā)環(huán)境作為開發(fā)平臺(tái)，用C#語言編寫上位機(jī)程序，首先設(shè)置好串口相關(guān)參數(shù)，接著打開串口，發(fā)送設(shè)定溫度、PID參數(shù)和PWM最大值給控制器，在上位機(jī)軟件上就實(shí)時(shí)顯示恒溫箱內(nèi)的溫度，同時(shí)也用曲線實(shí)時(shí)顯示溫度，并將這些數(shù)據(jù)保存到.txt文本中，圖8～9就是正在運(yùn)行中的上位機(jī)界面[12]。

圖8 目標(biāo)溫度為31℃時(shí)的溫度數(shù)據(jù)曲線Figure 8 Temperature data curve when the target temperature is 31 ℃

3.5 控制器外殼設(shè)計(jì)與3D打印

在目前市場(chǎng)上所見到的三維CAD解決方案中，SolidWorks是設(shè)計(jì)過程比較簡(jiǎn)便的軟件之一，功能強(qiáng)大、易學(xué)易用，能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案，減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。由于SolidWorks軟件是在Windows環(huán)境下重新開發(fā)的，因此能夠充分利用Windows的優(yōu)秀界面資源，為設(shè)計(jì)師提供友好、簡(jiǎn)便的工作界面。采用SolidWorks 2014版進(jìn)行釀酒恒溫箱控制器的外殼設(shè)計(jì)，并用愛能特（Anet）ET43D打印機(jī)打印的釀酒恒溫箱控制器的外殼和按鈕。

4 釀酒恒溫箱測(cè)試

4.1 釀酒恒溫箱控制器實(shí)物

采用54.0 cm×39.0 cm×17.5 cm大小的泡沫箱作為系統(tǒng)的箱體，系統(tǒng)上電后，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，控制器的右下面有3個(gè)，左邊第一個(gè)是“設(shè)置”功能切換鍵，每按一下切換一種功能，功能依次是：溫度設(shè)定、P設(shè)定、I設(shè)定和D設(shè)定。當(dāng)系統(tǒng)處于上面任何一種功能時(shí)，第二個(gè)鍵按下時(shí)參數(shù)值加1，第三個(gè)鍵按下時(shí)參數(shù)值減1，控制電路板運(yùn)行的實(shí)物圖如圖10所示。

圖10 釀酒恒溫箱控制器實(shí)物圖Figure 10 Physical drawing of brewing incubator controller

4.2 系統(tǒng)制熱和制冷測(cè)試

對(duì)釀酒恒溫箱系統(tǒng)的加熱功能進(jìn)行測(cè)試，上位機(jī)軟件采集恒溫箱的溫度數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示在軟件上，測(cè)試時(shí)恒溫箱所處環(huán)境的溫度為26.6 ℃，目標(biāo)溫度為31.0 ℃，PID的參數(shù)為400、8、380，采集到的溫度數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行制冷測(cè)試時(shí)，測(cè)試時(shí)恒溫箱所處環(huán)境的溫度為26.6 ℃，目標(biāo)溫度為19.0 ℃，PID 的參數(shù)為400、30、100，采集到的溫度數(shù)據(jù)曲線如圖9所示。

圖9 目標(biāo)溫度為19℃時(shí)的溫度數(shù)據(jù)曲線Figure 9 Temperature data curve when the target temperature is 19 ℃

從圖8～9中可以看出，釀酒恒溫箱系統(tǒng)的加熱和制冷都正常運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)經(jīng)過2個(gè)振蕩后箱體內(nèi)的溫度穩(wěn)定在目標(biāo)值附近，系統(tǒng)運(yùn)行30 min后，恒溫箱內(nèi)的溫度都穩(wěn)定于目標(biāo)溫度。

4.3 系統(tǒng)溫度控制精度測(cè)試

對(duì)釀酒恒溫箱系統(tǒng)內(nèi)的溫度控制精度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)恒溫箱所處環(huán)境的溫度28.6 ℃，目標(biāo)溫度為40、35、30、25、20 ℃，系統(tǒng)運(yùn)行1 h后，對(duì)恒溫箱內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果如表1所示。由表1得到的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行1 h后，系統(tǒng)溫度控制的最大偏差為0.1 ℃，所以系統(tǒng)的溫度控制精度可以達(dá)到0.1 ℃。

表1 溫度控制精度測(cè)量數(shù)據(jù)與超調(diào)量測(cè)量數(shù)據(jù)Table 1 Temperature control accuracy measurement data and overshoot measurement data

超調(diào)量是指輸出量的最大值減去穩(wěn)態(tài)值的差與穩(wěn)態(tài)值之比的百分?jǐn)?shù)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的超調(diào)量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)所處環(huán)境的溫度為28.8 ℃，目標(biāo)溫度為40、35、30、25、20 ℃，系統(tǒng)運(yùn)行1 h后，記錄下恒溫箱內(nèi)溫度的最大偏差，然后計(jì)算出系統(tǒng)的超調(diào)量，由表1的數(shù)據(jù)可知系統(tǒng)的超調(diào)量在2%以內(nèi)，超調(diào)量是比較小的[13]。

4.4 不同箱體恒溫到25℃測(cè)試

用相同的釀酒恒溫箱控制器、加熱絲和制冷模塊，分別接尺寸為29 cm×26.5 cm×16.5 cm、54 cm×39 cm×17.5 cm、59 cm×35 cm×32.5 cm的小、中和大3個(gè)泡沫箱，整定的PID參數(shù)分別為360、6、100，360、10、100，360、14、100。圖11為3個(gè)不同體積箱子的初始溫度28.6 ℃，系統(tǒng)經(jīng)過1 h運(yùn)行后，3條曲線都慢慢恒溫于25 ℃，即3個(gè)不同體積的恒溫箱經(jīng)過1 h的運(yùn)行后箱內(nèi)溫度都恒溫于系統(tǒng)設(shè)定溫度25 ℃。

圖11 3個(gè)不同體積的恒溫箱恒溫到25℃Figure 11 Constant temperature of three thermostats with different volumes to 25℃

4.5 系統(tǒng)發(fā)酵糯米酒

用上面做好的釀酒恒溫箱來發(fā)酵米酒。將3 kg糯米浸泡1d，上蒸鍋蒸0.5 h，完全熟透后，冷卻到室溫，放酒曲和涼開水，拌均勻，再把糯米放于盆中，中間掏一個(gè)洞，最后把盆放在尺寸為54 cm×39 cm×17.5 cm的恒溫箱里，恒溫在25 ℃發(fā)酵3 d，圖12是發(fā)酵3 d的甜糯米酒。如果要酒味濃烈些，用薄膜蓋住盆保持厭氧發(fā)酵，發(fā)酵越久甜味越少，酒味越濃，最長(zhǎng)1個(gè)月即可。

圖12 釀酒恒溫箱釀糯米酒Figure 12 Brewing glutinous rice wine in a brewing incubator

5 結(jié)論

釀酒恒溫箱以STM32F103C8T6單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心芯片，使用加熱絲加熱和半導(dǎo)體制冷片制冷，系統(tǒng)具有加熱、制冷和恒溫功能，通過按鍵或上位機(jī)都可以進(jìn)行溫度和PID參數(shù)的設(shè)定與溫度顯示，系統(tǒng)溫控范圍為19～40 ℃，溫度精度達(dá)0.1 ℃，超調(diào)量2%，箱體體積可變，運(yùn)行0.5 h后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，滿足人們一年四季任意時(shí)刻釀米酒的需求。