一種恒溫控制系統的制作方法

一種恒溫控制系統的制作方法
【專利摘要】一種恒溫控制系統，包括控制模塊和分別與控制模塊連接的在線調試接口電路、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、風扇驅動電路、半導體制冷片驅動電路、電熱絲驅動電路及電源電路。經實驗測試表明，該系統提高了控溫精度，提高了臨界控制的穩定性及溫度的長期穩定性，實用性強且價格便宜。
【專利說明】
一種恒溫控制系統
技術領域
[0001] 本發明涉及電子領域，具體是一種恒溫控制系統。
【背景技術】
[0002] 恒溫控制在儀器儀表，材料理化性能測試，藥物溫度敏感性測試，電子元器件性能 測試等領域應用廣泛，這些領域都需要恒溫設備具有高精度，長期穩定性的特性。目前采用 PID調節半導體制冷片加熱/制冷是一種常見的控制恒溫的方式，半導體制冷片由多對PN結 組成，是一種非純電阻發熱制冷器件，給制冷片通電流，制冷片一面發熱，另一面制冷，改變 所通電流方向，發熱面與制冷面互換，但切換通過制冷片的電流方向需要間隔5分鐘。非純 電阻的特性導致其功率的可計算性較差;功率的精確控制較難;電流切換的不連續性，導致 控制裝置臨界控制的穩定性較差，進而難以實現溫度控制的長期穩定性。
[0003] 本設計中的臨界控制的穩定性是指：當室溫在設定溫度左右波動時，恒溫控制的 穩定性。
[0004] 本設計的溫度長期穩定性是指:大于等于一個月的時間里裝置溫度波動小于0.01 Γ。

【發明內容】

[0005] 為了解決上述恒溫控制設備的不足，本發明提供了一種恒溫控制系統，采用PID調 節電熱絲加熱功率，查表法調節半導體制冷片制冷或加熱功率的方式保持恒溫，經實驗測 試表明，該系統提高了控溫精度，提高了臨界控制的穩定性及溫度的長期穩定性，實用性強 且價格便宜。
[0006] 為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：
[0007] -種恒溫控制系統，包括控制模塊和分別與控制模塊連接的在線調試接口電路、 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、風扇驅動電路、半導體制冷片驅動電路、電熱絲驅動電路及電源電路，其中：
[0008] 控制模塊與在線調試接口電路連接，實現程序的燒寫與在線調試功能；
[0009] 控制模塊與通訊電路連接，通過通訊電路接收指令信息及數據采集信息；
[0010] 控制模塊通過A/D采樣電路連接PT100溫度采集電路采樣溫度的相對精確值；
[0011] 控制模塊通過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] 控制模塊通過光耦隔離電路與風扇驅動電路、半導體制冷片驅動電路及電熱絲驅 動電路相連，實現控制器與大電流執行機構電氣信號之間的隔離。
[0014] 所述的控制模塊由高性能、低成本、低功耗STM32主控芯片和復位電路、晶振電路 構成，使系統資源豐富，響應速度快。
[0015] 所述在線調試接口電路包括串口通信接口電路和j_link調試接口電路。
[0016] 所述通訊電路采用RS485通信技術，是控制電路與上位機之間的通信接口。
[0017]所述A/D采樣電路采用24位低噪聲，多通道，高性能模數轉換芯片。
[0018] 所述PT100溫度采集電路，采用恒流源激勵PT100傳感器的方式，將PT100的阻值隨 溫度的變化轉換成電壓的變化，然后通過調理電路對電壓信號放大和變換為符合A/D采用 電路采樣的標準信號。所述PT100傳感器具有測量精度高，性能穩定的特性，用以采集裝置 內溫度的相對精確值，后期校準后將PT100測量的溫度作為設備的實際溫度值，采用四線制 PT100傳感器，使用補償導線的方法提高測量精度。
[0019] 所述的NTC電橋電路，由程控變阻箱，NTC熱敏電阻，兩個等值的精密電阻組成。程 控變阻箱與NTC熱敏電阻構成一個橋臂，兩個等值的精密電阻構成另一個橋臂。從兩個橋臂 中間引出電壓差分信號，然后通過調理電路對電壓信號放大和變換為符合A/D采用電路采 樣的標準信號。所述NTC熱敏電阻具有溫度系數大，體積小，熱慣性小等特點，適用于動態測 量，設計中將NTC電橋電路置于恒溫裝置內采樣溫度的變化值。所述程控變阻箱電路由繼電 器陣列和精密電阻網絡組成，程控變阻功能是指通過控制繼電器通斷來選擇不同阻值電阻 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，精度高的特點。
[0021] 所述光耦隔離電路為隔離控制器控制信號與執行器驅動信號的電路，采用光電耦 合器完全隔離，消除了執行器對控制器的干擾，提高了系統穩定性。
[0022] 所述風扇驅動電路，有兩個風扇，半導體制冷片兩側通過導熱硅膠層粘合扇熱片， 兩側扇熱片上分別固定有第一風扇和第二風扇，電熱絲與第一風扇之間使用云母片隔開。 風扇是系統的散熱機構，并提供轉速監測端口。
[0023] 所述半導體制冷片驅動電路，由可調壓式開關電源電路和電流換向電路組成，開 關電源的輸出電壓直接加載在半導體制冷片兩端，通過調節開關電源電路的輸出電壓調整 半導體制冷片的加熱或制冷功率，電流換向電路改變通過制冷片的電流方向，實現制冷片 加熱模式，制冷模式的切換。
[0024] 所述電熱絲驅動電路，采用方波電壓驅動電熱絲，方波電壓由PWM驅動M0S管生成， 通過調節PWM的占空比來調節電熱絲的發熱功率。
[0025] 所述電源電路包括控制機構電源和執行機構電源兩部分，控制機構電源功率小， 執行機構電源功率大，兩部分電源由兩個獨立開關電源供電。
[0026] 本發明的有益效果是:采用PID調節電熱絲加熱功率，查表法調節半導體制冷片制 冷或加熱功率的方式保持恒溫，經實驗測試表明，本系統提高了控溫精度，提高了臨界控制 的穩定性及溫度的長期穩定性，實用性強且價格便宜。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發明恒溫控制電路的結構框圖；
[0028] 圖2為本發明實施例的結構示意圖；
[0029] 圖3是本發明實施例的NTC電橋電路結構示意圖；
[0030] 圖4是本發明實施例的主程序工作流程圖。
【具體實施方式】
[0031]為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖及實施例 對本發明的技術方案做進一步的說明，但不是對本發明保護范圍的限定。
[0032] 實施例：
[0033] 如圖1所示，一種恒溫控制系統，由控制模塊和分別與控制模塊連接的在線調試接 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、風扇驅動電路、半導體制冷片驅動電路、電熱絲驅動電路及電源電路構 成。
[0034] 控制模塊與在線調試接口電路連接，實現程序的燒寫與在線調試功能;控制模塊 與通訊電路連接，通過通訊電路與PC端上位機通信，包括控制模塊接收上位機的指令信息 及上傳數據采集數據到上位機;控制模塊通過A/D采樣電路連接PT100溫度采集電路采樣溫 度的相對精確值;控制模塊通過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;控制模塊通過光耦隔離電路與風扇驅動電路，半導 體制冷片驅動電路及電熱絲驅動電路相連，實現控制器與大電流執行機構電氣信號之間的 隔離；電源電路包括控制機構電源和執行機構電源兩部分，控制機構電源功率小，執行機構 電源功率大，兩部分電源由兩個獨立開關電源供電。
[0035] 如圖2所示，NTC傳感器和PT100傳感器位于裝置內部，分別測量溫度的變化值與溫 度的相對精確值;DS18B20位于裝置外，測室溫。半導體制冷片粘合第二風扇的一面置于裝 置外，粘合第一風扇的一面置于裝置內，電熱絲和第一風扇之間使用云母片隔開。圖中，Q1 為第一風扇所消耗電能轉化的熱能，對于恒溫裝置而言，屬于發熱源，規定Ql>〇;Q3是半導 體制冷片所產熱能，半導體制冷片發熱，則Q3>0，制冷，則Q3〈0; Q2是電熱絲所產熱能，Q2大 于零或等于零;Q4為恒溫裝置與外界的的熱交換，當恒溫裝置溫度高于室溫，則Q4〈0，向外 界放熱，當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現吸放熱的平衡，即Ql+Q2+Q3+Q4=0,本設計中的臨界控制的 穩定性是指，當室溫在設定溫度左右波動時，恒溫控制的穩定性。當Q1+Q4接近零時，PID調 節半導體致冷片的控溫方式需要頻繁的切換通過制冷片的電流方向，但切換電流方向需要 間隔5分鐘，所以PID調節半導體致冷片的控溫方式在臨界控制的時候不穩定，進而也無法 提高控溫精度。設計中采用PID調節電熱絲加熱功率，查表法調節半導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，可實現熱功率的精確控制，所述查表法，是在 裝置溫度與設定溫度差值較小時啟動的使半導體制冷片以表中固定功率工作的一種控制 方法，首先依據調試經驗，環境溫度與設定溫度的差值分別設計加熱模式下和制冷模式下 的經驗表。如下表所示，其中的a，b，c等為功率值。
[0037]
[0038] 查表法使半導體制冷片以固定功率輸出，解決了電流切換的問題及半導體功率調 整滯后性大的問題。查表法設置了多梯度溫差的經驗值，是一種類專家控制方法，提高了系 統對外界溫度變動的抗干擾性;精密的電熱絲功率控制提高了控溫精度。經實驗測試表明， PID調節電熱絲加熱功率，查表法調節半導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定性及溫度的長期穩定性。
[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 勵電壓由高精度基準電壓源芯片提供。電橋電路的工作原理如下：首先，計算出設定溫度T 下所對應的NTC傳感器阻值R，然后，調節程控變阻箱的阻值為R，理論上，當裝置溫度達到設 定溫度T時，U〇，U4g等且均為激勵電壓的一半，AD采樣值為零；電橋的使用提高了傳感器的 溫度系數，降低了對AD芯片分辨率的要求，進而提高了控制精度。
[0040] 如圖4所示，實施例的主程序工作流程圖，系統初始化之后，等待設定溫度指令，根 據設定的溫度設定變阻箱電阻值，然后根據NTC電橋差分電壓值判斷設備需要加熱或是制 冷，加熱模式下，當設定溫度跟裝置溫度差距大于a°C時，為了快速達到設定溫度值，制冷片 大功率加熱，電熱絲全功率工作；同理，制冷模式下，當設定溫度跟裝置溫度差距大于a°C 時，制冷片大功率制冷，電熱絲不工作。當設定溫度與裝置溫度相差a°C以內時，啟動PID調 節電熱絲加熱功率，查表法調節半導體制冷片制冷或加熱功率的方式保持恒溫。
【主權項】
1. 一種恒溫控制系統，其特征是:包括控制模塊和分別與控制模塊連接的在線調試接 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、風扇驅動電路、半導體制冷片驅動電路、電熱絲驅動電路及電源電路，其 中： 控制模塊與在線調試接口電路連接，實現程序的燒寫與在線調試功能； 控制模塊與通訊電路連接，通過通訊電路接收指令信息及數據采集信息； 控制模塊通過A/D采樣電路連接PT100溫度采集電路采樣溫度的相對精確值； 控制模塊通過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； 控制模塊通過光耦隔離電路與風扇驅動電路、半導體制冷片驅動電路及電熱絲驅動電 路相連，實現控制器與大電流執行機構電氣信號之間的隔離。2. 根據權利要求1所述的恒溫控制系統，其特征是:所述的控制模塊由高性能、低成本、 低功耗STM32主控芯片和復位電路、晶振電路構成。3. 根據權利要求1所述的恒溫控制系統，其特征是:所述在線調試接口電路包括串口通 信接口電路和j_link調試接口電路。4. 根據權利要求1所述的恒溫控制系統，其特征是:所述PT100溫度采集電路，采用恒流 源激勵PT100傳感器的方式，將PT100的阻值隨溫度的變化轉換成電壓的變化，然后通過調 理電路對電壓信號放大和變換為符合A/D采用電路采樣的標準信號。5. 根據權利要求1所述的恒溫控制系統，其特征是：所述的NTC電橋電路，由程控變阻 箱，NTC熱敏電阻，兩個等值的精密電阻組成;程控變阻箱與NTC熱敏電阻構成一個橋臂，兩 個等值的精密電阻構成另一個橋臂;從兩個橋臂中間引出電壓差分信號，然后通過調理電 路對電壓信號放大和變換為符合A/D采用電路采樣的標準信號。6. 根據權利要求5所述的恒溫控制系統，其特征是:所述程控變阻箱電路由繼電器陣列 和精密電阻網絡組成，程控變阻功能是指通過控制繼電器通斷來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. 根據權利要求1所述的恒溫控制系統，其特征是:所述DS18B20溫度采集電路，采用通 用數字溫度傳感器DS18B20,直接與控制模塊連接。8. 根據權利要求1所述的恒溫控制系統，其特征是:所述光耦隔離電路為隔離控制器控 制信號與執行器驅動信號的電路，采用光電耦合器完全隔離，消除了執行器對控制器的干 擾，提高了系統穩定性。9. 根據權利要求1所述的恒溫控制系統，其特征是:所述風扇驅動電路，有兩個風扇，半 導體制冷片兩側通過導熱硅膠層粘合扇熱片，兩側扇熱片上分別固定有第一風扇和第二風 扇，電熱絲與第一風扇之間使用云母片隔開;風扇是系統的散熱機構，并提供轉速監測端 □ 〇10. 根據權利要求1所述的恒溫控制系統，其特征是:所述半導體制冷片驅動電路，由可 調壓式開關電源電路和電流換向電路組成，開關電源的輸出電壓直接加載在半導體制冷片 兩端，通過調節開關電源電路的輸出電壓調整半導體制冷片的加熱或制冷功率，電流換向 電路改變通過制冷片的電流方向，實現制冷片加熱模式，制冷模式的切換。
【文檔編號】G05D23/24GK205656518SQ201620379435
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2016年4月29日 公開號201620379435.6, CN 201620379435, CN 205656518 U, CN 205656518U, CN-U-205656518, CN201620379435, CN201620379435.6, CN205656518 U, CN205656518U
【發明人】周偉東, 容銘康, 董家新, 周曉娟, 吳桂平
【申請人】廣西師范大學