一種恒溫控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種恒溫控制系統(tǒng)，包括控制模塊和分別與控制模塊連接的在線調(diào)試接口電路、通訊電路、A/D采樣電路、PT100溫度采集電路、NTC電橋電路、DS18B20溫度采集電路、光耦隔離電路、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路、半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動(dòng)電路、電熱絲驅(qū)動(dòng)電路及電源電路。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)提高了控溫精度，提高了臨界控制的穩(wěn)定性及溫度的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，實(shí)用性強(qiáng)且價(jià)格便宜。
【專利說(shuō)明】
一種恒溫控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及電子領(lǐng)域，具體是一種恒溫控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 恒溫控制在儀器儀表，材料理化性能測(cè)試，藥物溫度敏感性測(cè)試，電子元器件性能 測(cè)試等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，這些領(lǐng)域都需要恒溫設(shè)備具有高精度，長(zhǎng)期穩(wěn)定性的特性。目前采用 PID調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷片加熱/制冷是一種常見的控制恒溫的方式，半導(dǎo)體制冷片由多對(duì)PN結(jié) 組成，是一種非純電阻發(fā)熱制冷器件，給制冷片通電流，制冷片一面發(fā)熱，另一面制冷，改變 所通電流方向，發(fā)熱面與制冷面互換，但切換通過(guò)制冷片的電流方向需要間隔5分鐘。非純 電阻的特性導(dǎo)致其功率的可計(jì)算性較差;功率的精確控制較難;電流切換的不連續(xù)性，導(dǎo)致 控制裝置臨界控制的穩(wěn)定性較差，進(jìn)而難以實(shí)現(xiàn)溫度控制的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
[0003] 本設(shè)計(jì)中的臨界控制的穩(wěn)定性是指：當(dāng)室溫在設(shè)定溫度左右波動(dòng)時(shí)，恒溫控制的 穩(wěn)定性。
[0004] 本設(shè)計(jì)的溫度長(zhǎng)期穩(wěn)定性是指:大于等于一個(gè)月的時(shí)間里裝置溫度波動(dòng)小于0.01 Γ。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述恒溫控制設(shè)備的不足，本發(fā)明提供了一種恒溫控制系統(tǒng)，采用PID調(diào) 節(jié)電熱絲加熱功率，查表法調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷片制冷或加熱功率的方式保持恒溫，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè) 試表明，該系統(tǒng)提高了控溫精度，提高了臨界控制的穩(wěn)定性及溫度的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，實(shí)用性強(qiáng) 且價(jià)格便宜。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0007] -種恒溫控制系統(tǒng)，包括控制模塊和分別與控制模塊連接的在線調(diào)試接口電路、 通訊電路、A/D采樣電路、PT100溫度采集電路、NTC電橋電路、DS18B20溫度采集電路、光耦隔 離電路、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路、半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動(dòng)電路、電熱絲驅(qū)動(dòng)電路及電源電路，其中：
[0008] 控制模塊與在線調(diào)試接口電路連接，實(shí)現(xiàn)程序的燒寫與在線調(diào)試功能；
[0009] 控制模塊與通訊電路連接，通過(guò)通訊電路接收指令信息及數(shù)據(jù)采集信息；
[0010] 控制模塊通過(guò)A/D采樣電路連接PT100溫度采集電路采樣溫度的相對(duì)精確值；
[0011] 控制模塊通過(guò)A/D采樣電路連接NTC電橋電路采樣溫度的變化值；
[0012] 控制模塊連接DS18B20溫度采集電路采集室溫；
[0013] 控制模塊通過(guò)光耦隔離電路與風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路、半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動(dòng)電路及電熱絲驅(qū) 動(dòng)電路相連，實(shí)現(xiàn)控制器與大電流執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣信號(hào)之間的隔離。
[0014] 所述的控制模塊由高性能、低成本、低功耗STM32主控芯片和復(fù)位電路、晶振電路 構(gòu)成，使系統(tǒng)資源豐富，響應(yīng)速度快。
[0015] 所述在線調(diào)試接口電路包括串口通信接口電路和j_link調(diào)試接口電路。
[0016] 所述通訊電路采用RS485通信技術(shù)，是控制電路與上位機(jī)之間的通信接口。
[0017]所述A/D采樣電路采用24位低噪聲，多通道，高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。
[0018] 所述PT100溫度采集電路，采用恒流源激勵(lì)PT100傳感器的方式，將PT100的阻值隨 溫度的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，然后通過(guò)調(diào)理電路對(duì)電壓信號(hào)放大和變換為符合A/D采用 電路采樣的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。所述PT100傳感器具有測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定的特性，用以采集裝置 內(nèi)溫度的相對(duì)精確值，后期校準(zhǔn)后將PT100測(cè)量的溫度作為設(shè)備的實(shí)際溫度值，采用四線制 PT100傳感器，使用補(bǔ)償導(dǎo)線的方法提高測(cè)量精度。
[0019] 所述的NTC電橋電路，由程控變阻箱，NTC熱敏電阻，兩個(gè)等值的精密電阻組成。程 控變阻箱與NTC熱敏電阻構(gòu)成一個(gè)橋臂，兩個(gè)等值的精密電阻構(gòu)成另一個(gè)橋臂。從兩個(gè)橋臂 中間引出電壓差分信號(hào)，然后通過(guò)調(diào)理電路對(duì)電壓信號(hào)放大和變換為符合A/D采用電路采 樣的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。所述NTC熱敏電阻具有溫度系數(shù)大，體積小，熱慣性小等特點(diǎn)，適用于動(dòng)態(tài)測(cè) 量，設(shè)計(jì)中將NTC電橋電路置于恒溫裝置內(nèi)采樣溫度的變化值。所述程控變阻箱電路由繼電 器陣列和精密電阻網(wǎng)絡(luò)組成，程控變阻功能是指通過(guò)控制繼電器通斷來(lái)選擇不同阻值電阻 接入電路。程控變阻箱的電阻分辨率為1 Ω。
[0020] 所述DS18B20溫度采集電路，采用通用數(shù)字溫度傳感器DS18B20,直接與控制模塊 連接，具有體積小，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。
[0021] 所述光耦隔離電路為隔離控制器控制信號(hào)與執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電路，采用光電耦 合器完全隔離，消除了執(zhí)行器對(duì)控制器的干擾，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
[0022] 所述風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路，有兩個(gè)風(fēng)扇，半導(dǎo)體制冷片兩側(cè)通過(guò)導(dǎo)熱硅膠層粘合扇熱片， 兩側(cè)扇熱片上分別固定有第一風(fēng)扇和第二風(fēng)扇，電熱絲與第一風(fēng)扇之間使用云母片隔開。 風(fēng)扇是系統(tǒng)的散熱機(jī)構(gòu)，并提供轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)端口。
[0023] 所述半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動(dòng)電路，由可調(diào)壓式開關(guān)電源電路和電流換向電路組成，開 關(guān)電源的輸出電壓直接加載在半導(dǎo)體制冷片兩端，通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)電源電路的輸出電壓調(diào)整 半導(dǎo)體制冷片的加熱或制冷功率，電流換向電路改變通過(guò)制冷片的電流方向，實(shí)現(xiàn)制冷片 加熱模式，制冷模式的切換。
[0024] 所述電熱絲驅(qū)動(dòng)電路，采用方波電壓驅(qū)動(dòng)電熱絲，方波電壓由PWM驅(qū)動(dòng)M0S管生成， 通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比來(lái)調(diào)節(jié)電熱絲的發(fā)熱功率。
[0025] 所述電源電路包括控制機(jī)構(gòu)電源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源兩部分，控制機(jī)構(gòu)電源功率小， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源功率大，兩部分電源由兩個(gè)獨(dú)立開關(guān)電源供電。
[0026] 本發(fā)明的有益效果是:采用PID調(diào)節(jié)電熱絲加熱功率，查表法調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷片制 冷或加熱功率的方式保持恒溫，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，本系統(tǒng)提高了控溫精度，提高了臨界控制 的穩(wěn)定性及溫度的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，實(shí)用性強(qiáng)且價(jià)格便宜。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1為本發(fā)明恒溫控制電路的結(jié)構(gòu)框圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的NTC電橋電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例的主程序工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例 對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明，但不是對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。
[0032] 實(shí)施例：
[0033] 如圖1所示，一種恒溫控制系統(tǒng)，由控制模塊和分別與控制模塊連接的在線調(diào)試接 口電路、通訊電路、A/D采樣電路、PT100溫度采集電路、NTC電橋電路、DS18B20溫度采集電 路、光耦隔離電路、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路、半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動(dòng)電路、電熱絲驅(qū)動(dòng)電路及電源電路構(gòu) 成。
[0034] 控制模塊與在線調(diào)試接口電路連接，實(shí)現(xiàn)程序的燒寫與在線調(diào)試功能;控制模塊 與通訊電路連接，通過(guò)通訊電路與PC端上位機(jī)通信，包括控制模塊接收上位機(jī)的指令信息 及上傳數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)到上位機(jī);控制模塊通過(guò)A/D采樣電路連接PT100溫度采集電路采樣溫 度的相對(duì)精確值;控制模塊通過(guò)A/D采樣電路連接NTC電橋電路采樣溫度的變化值;控制模 塊連接DS18B20溫度采集電路采集室溫;控制模塊通過(guò)光耦隔離電路與風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路，半導(dǎo) 體制冷片驅(qū)動(dòng)電路及電熱絲驅(qū)動(dòng)電路相連，實(shí)現(xiàn)控制器與大電流執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣信號(hào)之間的 隔離；電源電路包括控制機(jī)構(gòu)電源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源兩部分，控制機(jī)構(gòu)電源功率小，執(zhí)行機(jī)構(gòu) 電源功率大，兩部分電源由兩個(gè)獨(dú)立開關(guān)電源供電。
[0035] 如圖2所示，NTC傳感器和PT100傳感器位于裝置內(nèi)部，分別測(cè)量溫度的變化值與溫 度的相對(duì)精確值;DS18B20位于裝置外，測(cè)室溫。半導(dǎo)體制冷片粘合第二風(fēng)扇的一面置于裝 置外，粘合第一風(fēng)扇的一面置于裝置內(nèi)，電熱絲和第一風(fēng)扇之間使用云母片隔開。圖中，Q1 為第一風(fēng)扇所消耗電能轉(zhuǎn)化的熱能，對(duì)于恒溫裝置而言，屬于發(fā)熱源，規(guī)定Ql>〇;Q3是半導(dǎo) 體制冷片所產(chǎn)熱能，半導(dǎo)體制冷片發(fā)熱，則Q3>0，制冷，則Q3〈0; Q2是電熱絲所產(chǎn)熱能，Q2大 于零或等于零;Q4為恒溫裝置與外界的的熱交換，當(dāng)恒溫裝置溫度高于室溫，則Q4〈0，向外 界放熱，當(dāng)室溫高于恒溫裝置溫度，則Q4>0，從外界吸熱。
[0036]溫度保持恒定就要實(shí)現(xiàn)吸放熱的平衡，即Ql+Q2+Q3+Q4=0,本設(shè)計(jì)中的臨界控制的 穩(wěn)定性是指，當(dāng)室溫在設(shè)定溫度左右波動(dòng)時(shí)，恒溫控制的穩(wěn)定性。當(dāng)Q1+Q4接近零時(shí)，PID調(diào) 節(jié)半導(dǎo)體致冷片的控溫方式需要頻繁的切換通過(guò)制冷片的電流方向，但切換電流方向需要 間隔5分鐘，所以PID調(diào)節(jié)半導(dǎo)體致冷片的控溫方式在臨界控制的時(shí)候不穩(wěn)定，進(jìn)而也無(wú)法 提高控溫精度。設(shè)計(jì)中采用PID調(diào)節(jié)電熱絲加熱功率，查表法調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷片制冷或加熱 功率的方式保持恒溫。電熱絲為純電阻電路，可實(shí)現(xiàn)熱功率的精確控制，所述查表法，是在 裝置溫度與設(shè)定溫度差值較小時(shí)啟動(dòng)的使半導(dǎo)體制冷片以表中固定功率工作的一種控制 方法，首先依據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，環(huán)境溫度與設(shè)定溫度的差值分別設(shè)計(jì)加熱模式下和制冷模式下 的經(jīng)驗(yàn)表。如下表所示，其中的a，b，c等為功率值。
[0037]
[0038] 查表法使半導(dǎo)體制冷片以固定功率輸出，解決了電流切換的問(wèn)題及半導(dǎo)體功率調(diào) 整滯后性大的問(wèn)題。查表法設(shè)置了多梯度溫差的經(jīng)驗(yàn)值，是一種類專家控制方法，提高了系 統(tǒng)對(duì)外界溫度變動(dòng)的抗干擾性;精密的電熱絲功率控制提高了控溫精度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明， PID調(diào)節(jié)電熱絲加熱功率，查表法調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷片制冷或加熱功率的控溫方式，提高了控 溫精度，提高了臨界控制的穩(wěn)定性及溫度的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
[0039] 如圖3所示，NTC電橋電路，是一種惠斯通電橋電路，圖中精密電阻1，2阻值相同，激 勵(lì)電壓由高精度基準(zhǔn)電壓源芯片提供。電橋電路的工作原理如下：首先，計(jì)算出設(shè)定溫度T 下所對(duì)應(yīng)的NTC傳感器阻值R，然后，調(diào)節(jié)程控變阻箱的阻值為R，理論上，當(dāng)裝置溫度達(dá)到設(shè) 定溫度T時(shí)，U〇，U4g等且均為激勵(lì)電壓的一半，AD采樣值為零；電橋的使用提高了傳感器的 溫度系數(shù)，降低了對(duì)AD芯片分辨率的要求，進(jìn)而提高了控制精度。
[0040] 如圖4所示，實(shí)施例的主程序工作流程圖，系統(tǒng)初始化之后，等待設(shè)定溫度指令，根 據(jù)設(shè)定的溫度設(shè)定變阻箱電阻值，然后根據(jù)NTC電橋差分電壓值判斷設(shè)備需要加熱或是制 冷，加熱模式下，當(dāng)設(shè)定溫度跟裝置溫度差距大于a°C時(shí)，為了快速達(dá)到設(shè)定溫度值，制冷片 大功率加熱，電熱絲全功率工作；同理，制冷模式下，當(dāng)設(shè)定溫度跟裝置溫度差距大于a°C 時(shí)，制冷片大功率制冷，電熱絲不工作。當(dāng)設(shè)定溫度與裝置溫度相差a°C以內(nèi)時(shí)，啟動(dòng)PID調(diào) 節(jié)電熱絲加熱功率，查表法調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷片制冷或加熱功率的方式保持恒溫。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種恒溫控制系統(tǒng)，其特征是:包括控制模塊和分別與控制模塊連接的在線調(diào)試接 口電路、通訊電路、A/D采樣電路、PT100溫度采集電路、NTC電橋電路、DS18B20溫度采集電 路、光耦隔離電路、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路、半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動(dòng)電路、電熱絲驅(qū)動(dòng)電路及電源電路，其 中： 控制模塊與在線調(diào)試接口電路連接，實(shí)現(xiàn)程序的燒寫與在線調(diào)試功能； 控制模塊與通訊電路連接，通過(guò)通訊電路接收指令信息及數(shù)據(jù)采集信息； 控制模塊通過(guò)A/D采樣電路連接PT100溫度采集電路采樣溫度的相對(duì)精確值； 控制模塊通過(guò)A/D采樣電路連接NTC電橋電路采樣溫度的變化值； 控制模塊連接DS18B20溫度采集電路采集室溫； 控制模塊通過(guò)光耦隔離電路與風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路、半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動(dòng)電路及電熱絲驅(qū)動(dòng)電 路相連，實(shí)現(xiàn)控制器與大電流執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣信號(hào)之間的隔離。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒溫控制系統(tǒng)，其特征是:所述的控制模塊由高性能、低成本、 低功耗STM32主控芯片和復(fù)位電路、晶振電路構(gòu)成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒溫控制系統(tǒng)，其特征是:所述在線調(diào)試接口電路包括串口通 信接口電路和j_link調(diào)試接口電路。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒溫控制系統(tǒng)，其特征是:所述PT100溫度采集電路，采用恒流 源激勵(lì)PT100傳感器的方式，將PT100的阻值隨溫度的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，然后通過(guò)調(diào) 理電路對(duì)電壓信號(hào)放大和變換為符合A/D采用電路采樣的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒溫控制系統(tǒng)，其特征是：所述的NTC電橋電路，由程控變阻 箱，NTC熱敏電阻，兩個(gè)等值的精密電阻組成;程控變阻箱與NTC熱敏電阻構(gòu)成一個(gè)橋臂，兩 個(gè)等值的精密電阻構(gòu)成另一個(gè)橋臂;從兩個(gè)橋臂中間引出電壓差分信號(hào)，然后通過(guò)調(diào)理電 路對(duì)電壓信號(hào)放大和變換為符合A/D采用電路采樣的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的恒溫控制系統(tǒng)，其特征是:所述程控變阻箱電路由繼電器陣列 和精密電阻網(wǎng)絡(luò)組成，程控變阻功能是指通過(guò)控制繼電器通斷來(lái)選擇不同阻值電阻接入電 路;程控變阻箱的電阻分辨率為1 Ω。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒溫控制系統(tǒng)，其特征是:所述DS18B20溫度采集電路，采用通 用數(shù)字溫度傳感器DS18B20,直接與控制模塊連接。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒溫控制系統(tǒng)，其特征是:所述光耦隔離電路為隔離控制器控 制信號(hào)與執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電路，采用光電耦合器完全隔離，消除了執(zhí)行器對(duì)控制器的干 擾，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒溫控制系統(tǒng)，其特征是:所述風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路，有兩個(gè)風(fēng)扇，半 導(dǎo)體制冷片兩側(cè)通過(guò)導(dǎo)熱硅膠層粘合扇熱片，兩側(cè)扇熱片上分別固定有第一風(fēng)扇和第二風(fēng) 扇，電熱絲與第一風(fēng)扇之間使用云母片隔開;風(fēng)扇是系統(tǒng)的散熱機(jī)構(gòu)，并提供轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)端 □ 〇10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒溫控制系統(tǒng)，其特征是:所述半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動(dòng)電路，由可 調(diào)壓式開關(guān)電源電路和電流換向電路組成，開關(guān)電源的輸出電壓直接加載在半導(dǎo)體制冷片 兩端，通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)電源電路的輸出電壓調(diào)整半導(dǎo)體制冷片的加熱或制冷功率，電流換向 電路改變通過(guò)制冷片的電流方向，實(shí)現(xiàn)制冷片加熱模式，制冷模式的切換。
【文檔編號(hào)】G05D23/24GK205656518SQ201620379435
【公開日】2016年10月19日
【申請(qǐng)日】2016年4月29日 公開號(hào)201620379435.6, CN 201620379435, CN 205656518 U, CN 205656518U, CN-U-205656518, CN201620379435, CN201620379435.6, CN205656518 U, CN205656518U
【發(fā)明人】周偉東, 容銘康, 董家新, 周曉娟, 吳桂平
【申請(qǐng)人】廣西師范大學(xué)