一种低波动的可程控恒温箱控制系统设计_柴恒.pdf

电子技术应用 2023年 第49卷 第4期Measurement Control Technology and Instruments测控技术与仪器仪表一种低波动的可程控恒温箱控制系统设计柴恒1，2，武杰1，2，伍航1，2，戚胜宇1，2，马钰博1，2（1.中国科学技术大学 近代物理系，安徽 合肥 230026；2.中国科学技术大学 核探测技术与核电子学国家重点实验室，安徽 合肥 230026）摘 要：恒温箱在人们的生产生活和科学研究中有重要作用，如温补晶振参数的测量和补偿等。设计并实现了一种低波动的可程控轻便型恒温箱控制系统。恒温箱采用动态调整工作电压的方式来控制陶瓷加热片或半导体制冷片的功率，从而实现温度的恒定控制。该恒温箱具有温度波动小、支持温度曲线程控、小型轻便的优点。经测试，本设计实现的恒温箱控温范围为-15 80，稳定时温度波动度为0.2。另外，相比于采用脉宽调制控制方法的恒温箱，该恒温箱有更低的系统电磁辐射和更高的制冷效率，在同样电源输入功率的条件下，可以使温度进一步降低12.9。关键词：恒温箱；温度控制；高效；低波动中图分类号：TP273 文献标志码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.223352中文引用格式：柴恒，武杰，伍航，等.一种低波动的可程控恒温箱控制系统设计J.电子技术应用，2023，49(4)：63-67.英文引用格式：Chai Heng，Wu Jie，Wu Hang，et al.Design of a low-fluctuation software-controlled portable thermostat control systemJ.Application of Electronic Technique，2023，49(4)：63-67.Design of a low-fluctuation software-controlled portable thermostat control systemChai Heng1，2，Wu Jie1，2，Wu Hang1，2，Qi Shengyu1，2，Ma Yubo1，2(1.Department of Modern Physics，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China；2.State Key Laboratory of Particle Detection&Electronics，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China)Abstract：Thermostat plays an important role in peoples production,life and scientific research,such as the measurement and compensation of temperature compensated crystal oscillator parameters.This paper designs and implements a software-controlled portable thermostat control system with low fluctuation.This thermostat uses a method to control the power of ceramic heating chip or semiconductor refrigeration chip by dynamically adjusting the working voltage,so as to realize the constant control of temperature.This thermostat has advantages of low temperature fluctuation,supporting temperature curve software control,small and portable.After testing,the temperature control range of the thermostat realized in this design is from-15 to 80,and the temperature fluctuation in stable state is 0.2.In addition,compared with the thermostat using pulse width modulation control method,this thermostat has lower system electromagnetic radiation and higher refrigeration efficiency.Under the same power input condition,the temperature can be further reduced by 12.9.Key words：thermostat；temperature control；high efficiency；low fluctuation0 引言恒温箱在许多与我们生活密切相关的领域都发挥着重要的作用，如家电、工业、医药等12。随着社会的发展，越来越多具备高精度控温、大范围调温的恒温箱被研制出来用于各种用途，如温补晶振参数的测量和补偿就需要用到小型恒温箱来提供温度环境3。这类恒温箱主要有以下需求：（1）为了让被测物在测量中尽量不受温度变化的影响，控温稳定时的温度波动度应小于0.2；（2）需要具备可程控功能，方便用户对温度曲线进行编程。经过调研，许多市面上成熟的恒温箱产品其温度波动度大都为0.5 以上，很难满足要求。温度控制系统需要控制加热或制冷设备的输出量，使之与系统的散热量或散冷量相当，进入热平衡状态，63Measurement Control Technology and Instruments测控技术与仪器仪表www.ChinaAET.com从而达到控温的目的，其中的难点在于对温度波动度的控 制。在 温 控 系 统 的 设 计 中，可 以 采 用 PWM（Pulse Width Modulation）模式来调节加热或制冷设备的工作时长，从而控制这些设备的平均功率，也可以使用 DAC（Digital to Analog Converter）模块并采用动态调整电压的方式来控制这些设备的输出功率。文献中的温度控制系统大多采用 PWM 模式来驱动加热或制冷设备，例如，文献4中吴蒙娜设计了一种粒子加速器温度控制系统，通过单片机输出不同占空比的 PWM 波，并采用 H 桥驱动电路来双向驱动制冷片，从而实现了0.2 的控温精度；文献5中 McDowell 等人设计了一种用于植物生长试验的温度控制器，通过 Arduino Nano 开发板输出PWM 模式，在大电流范围内对加热器和空调进行控制，实现了0.3 的控温精度。其中，PWM 模式控制加热或制冷设备会带来一些问题。一方面，温度控制电路中高频大电流 PWM 在每个周期内的电流变化较大，存在较大的电磁噪声，这会导致在温补晶振测试时误计数较多和在热电阻温度传感器测温6时误差较大的问题；另一方面，PWM 模式驱动热电制冷器的效率不高。文献7用图 1 展示了热电制冷器的制冷效率 随电流 I 增大呈先上升后下降的趋势，图 1 中的Im为最大制冷量状态时的电流，T为制冷器冷热端的温差，为制冷效率。当采用 PWM 驱动时，电流一般在Im和零之间转换，由图 1 可以看出这两种状态的制冷效率均不高。文献8通过测试对比了恒流驱动和 PWM 驱动（20 kHz）对制冷片效率的影响，结果显示恒流驱动制冷片在效率上明显更高。基于以上部分考虑，本文设计并实现了一种低波动的可程控恒温箱控制系统。本设计通过 STM32 的 DAC配合电源芯片输出去控制加热或制冷设备的功率，从而实现控温的目的。相比于 PWM 模式驱动的方法，本文采用动态调整电压控制的方式也能达到同样的控温效果。同时，因为控温稳定时流经加热或制冷设备的电流几乎不变，本设计的电磁辐射更小，且制冷效率更高。1 总体设计本系统的总体结构设计包括硬件设计和软件设计，如图 2 所示。硬件设计包括恒温箱控温系统的各个硬件模块和恒温箱构造设计。软件设计包括下位机控温系统软件设计和上位机界面设计两个主要部分。恒温箱采用下位机控温、上位机展示结果的形式。下位机控温系统软件设计主要实现恒温箱温度的采集和控制功能；上位机界面设计主要实现温控结果的界面展示。这两部分之间通过串口完成数据通信。2 硬件设计本节主要讲述恒温箱控温系统硬件的器件选择以及电路设计，并介绍了恒温箱的构造。控温系统硬件的整体连接图如图 3 所示。2.1 主处理器本设计选用 STM32 作为下位机控温系统的主处理器。它可以通过 IIC 通信获取温度传感器的测量结果，通过 12 位 DAC 控制电源芯片的输出电压，通过 GPIO 端口输出电平控制加热制冷模式的切换，通过定时器实现程控功能，并通过串口与上位机系统进行数据收发。图 1制冷效率与电流关系图图 2系统总体结构框图图 3控温系统硬件整体连接图64Measurement Control Technology and Instruments测控技术与仪器仪表电子技术应用 2023年 第49卷 第4期2.2 温度采集模块选 用 MCP9808 作 为 温 度 传 感 器。它 在-20 100 之 间 时 测 温 精 度 为 0.5 ，且 能 提 供 最 小0.0625 的分辨率。2.3 温度控制模块温度控制模块由电压调节电路、加热与制冷设备和控制开关电路组成。电压调节电路采用 TPS54620 作为电源芯片，它具有最大 6 A 的电流驱动能力。该芯片的反馈端与 STM32 的 DAC 输出端相连。当 DAC 输出值变化时，TPS54620 的输出电压也会随之改变。该输出电压可以控制加热和制冷设备的工作功率。加热设备选 用 XH-RP4040 陶 瓷 加 热 片，而 制 冷 设 备 选 用 XH-C1206S2 双层半导体制冷片。为了能自由切换加热与制冷两种模式，本设计使用 MOS 管的组合设计了控制开关。STM32 的 GPIO 端口输出的高低电平经过运放电路后可分别导通和截止 MOS 管。温度控制的过程如下：当实时温度低于设定温度时，STM32 将在 GPIO1 端口输出高电平，在 GPIO2 端口输出低电平，此时加热回路导通，制冷回路切断。设定温度与实时温度的偏差值会决定 DAC1 的输出值，进而决定陶瓷加热片的加热功率。实时温度逐渐上升，直至达到设定温度后保持稳定；反之，当实时温度高于设定温度时，采用同样的方式可以降低实时温度，并在设定温度处保持稳定。由此可见，该系统构成一个闭合的负反馈回路。在控温过程中，DAC 输出量会随着 PID（Proportion Integration Differentiation）的调节逐渐趋向于一个稳定值，所以，在稳定状态下，流经加热片或制冷片的电流只在很小的范围内波动，电磁辐射噪声较小。3 软件设计本设计主要采用增量式 PID 方法9进行温度调控。PID 方 法 具 有 原 理 简 单、操 作 方 便、调 控 精 度 高 的 优点10，适用于恒温箱这种大惯性、大滞后且较难建立精确数学模型的系统。增量式 PID 方法的计算公式如下：u(k)=Kp e(k)+Ki e(k)+Kd(e()k-e()k-1)(1)其中，Kp、Ki、Kd分别是比例系数、积分系数、微分系数，e(k)在本设计中设置为 k 时刻实时温度测量值与设定温度值的偏差，e(k)是该偏差的变化量，u(k)设置为 k 时刻 DAC 的输出值。考虑到在控温时只使用 PID 方法耗时较长，选择全速变温和 PID 控温结合的方式。当实时温度与设定温度的偏差较大时，恒温箱采用全速加热或制冷模式，迅速缩小温差；当该温差较小时，恒温箱采用 PID 控温模式来进行精准控温。这两种模式切换的温差临界点是根据变温时间、温度最大过冲量、稳定后控温精度等因素来综合选择的。4 系统测试测试中使用的主要仪器为 TASI 的 TA8110 系列数温计，测试环境温度为 15。将时间温度目标设定为60 min 内稳定在 35，并采用最短时间升温的方式，结果如图 4 所示。为了测量恒温箱的温度波动度，TA8110 温度计作为标准数温计对稳定控温 35 实验进行多次重复测试。测试方法为首先设定好目标温度，并开始计时；然后在第 0 min第 30 min 内等待恒温箱达到温度稳定状态；之后在第 30 min第 60 min 内每隔 2 min 对数温计的读数进行记录。重复上述步骤 5 次可以得到 80 个稳定后的实 时 温 度 数 据，最 后 计 算 温 度 波 动 度，结 果 如 表 1所示。表 1 中的数据并不刚好在 35，这是因为表 1 中的数据是使用外部仪器来测量获得的，而恒温箱自身是通过温度传感器 MCP9808 测量温度并进行反馈控制的，由于温度传感器的精度限制，在温度准确度上温度传感器的测量值与真值之间存在偏差。这里采用标准数温计进行温度波动度的测量，而不是直接读取温度传感器MCP9808 的读数，是因为温度传感器作为恒温箱的一部分，对自身进行测量是不合适的，选用已校准的外部仪器标准数温计来进行测量更合适。表 1 中的温度波动度是通过计算 80 个温度测量数据在置信系数 95%下的测量列扩展不确定度得到的。该恒温箱系统除了能以最短时间变温的方式完成升降温以外，还可以实现对温度曲线的编程以满足温补图 4控温 35 时的温度时间曲线表 1稳定状态下温度波动情况表参数设定温度Ts/温度测量次数 n/次测量温度平均值T/测量温度样本标准差T/测量温度波动度uT/数值35.08034.60.10.265Measurement Control Technology and Instruments测控技术与仪器仪表www.ChinaAET.com晶振测试中温度程控的需求。在以下的测试中，设定温度曲线为从开始时的 29 匀速升温 30 min 至 45，再从 45 匀速降温 20 min 至 42，并记录实时温度状况，如图 5 所示。由图 5 可以看到，实时温度曲线与用户设定曲线之间的贴合程度较高。如果以每隔 2 min 这两条曲线上温度偏差绝对值的平均值来定量描述温度曲线贴合的程度，那么在此次测试中，曲线贴合程度为1.2。本文设计的恒温箱通过 DAC 控制电源芯片，稳定状态时制冷片两端的电压在很小的范围内波动，可以近似认为是恒压。以下的测试对比了恒定电压驱动制冷片和 PWM 波（频率 20 kHz，占空比 50%）驱动制冷片这两种方式在恒温箱降温效果上的差异。将这两种测试方案的整个系统电源输入功率调节一致，电压 17 V，平均电流 1.84 A，且其余测试条件均相同，记录恒温箱内每隔 2 min 的温度变化情况，如图 6 所示。环境温度为25。从图 6 可以看出，在系统输入功率等其他条件都相同时，恒压驱动制冷片的方式在相同时间内能获得更低的箱内温度。在 PWM 占空比为 50%的情况下，把从始温 25.0 开始至温度稳定时的温度变化量作为恒温箱降温的效果，PWM 驱动方式降温到 2.9，而恒压驱动方式可以使温度进一步降低 12.9 到-10.0，这说明恒压驱动的制冷效率更高。同样地对比测试在恒温箱升温（使用陶瓷加热片）时没有体现出明显差异，如图 7所示，这说明使用陶瓷加热片加热时，恒压驱动与 PWM驱动的加热效率基本无差异。5 结论本 文 设 计 了 一 种 低 波 动 的 可 程 控 恒 温 箱 控 制 系统。经测试，该恒温箱的控温范围为-15 80，达到 稳 定 状 态 最 多 需 要 30 min，稳 定 后 温 度 波 动 度 为0.2（置信系数 95%）。该恒温箱具有低波动控温、支持温度曲线程控的优点，能很好地符合温补晶振测试的需求。相比于采用 PWM 模式来驱动加热或制冷设备的方法，本文采用的动态调整工作电压的方法不仅可以获得同样的恒温箱温度波动度，还拥有更小的系统电磁辐射，且在驱动制冷片时拥有更高的制冷效率。从恒温箱的电磁干扰降低和能源节省这两方面来看，这些优势是有重要意义的。该方法可为类似设计提供参考。参考文献 1 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