便携智能恒温箱的设计

摘 要：

对冷链物流便携存储设备进行相关调查，结合当前市场需求，设计出一款适应性更强、精度更高、性能更稳定的智能恒温箱。该恒温箱通过USB接口充电器作为电能来源，存储于锂电池中为恒温箱提供电量，方便使用者携带；通过DS18B20数字温度传感器、半导体制冷材料以及单片机的相互连接与信号转换，实现恒温控制及温度显示功能；利用模糊PID控制理论，对半导体制冷片电流进行控制，可实现该设备的自动检测与温度调节功能。绘制该设备电路原理图以及外观效果图，提供箱体及性能参数。该设计可广泛应用于物流、实验室、工业、食品和医药等领域，制冷制热效率高，精度高，便于携带。

关键词：

恒温箱；温度传感器；半导体制冷；单片机；PID控制理论

中图分类号：TP 368.1；TP 273.5 文献标识码：A 文章编号：1001-005X（2017）03-0058-06

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）

Abstract：

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.

Keywords：

Thermostat；temperature sensor；semiconductor refrigeration；MCU；PID control theory

0 引言

在現代社会中，恒温箱被广泛应用于各行各业，特别是物流、实验室、工业生产和医药方面。为了得到精确的实验数据，保持恒温环境，市场对恒温箱的要求十分严格。在当今市场上，已存在多种恒温箱，但大多精度不高、温度波动范围大、制冷制热效率低、适应性差，由此引发了一系列食品安全问题以及医药事故，譬如“毒疫苗”事件。

该设计在现有研究的基础上，从节约能源、方便携带、提高效率的角度出发，通过DS18B20数字温度传感器与单片机，将温度信号直接转化为数字信号，通过模糊PID控制理论的高精度性对半导体制冷片的电流强度进行实时控制，从而实现温度的自主调节，有效的解决恒温箱温度控制不当的问题，适应性更强。

1 方案设计

该项目在充分了解市场现有的恒温箱[1-2]的恒温原理、供电来源、各部件连接方式以及外形构造的基础上进行改进，采用便捷轻便、保温性能高的材料进行设计。

该恒温箱以在复杂多变的环境中保持温度稳定为目的，通过USB接口实现电量供应，并利用锂电池实现对电路的存储和释放；首先通过DS18B20数字温度传感器感受温度，将温度信号直接转换为数字信号传给单片机；单片机（控制系统）通过温度传感器实时检测温度，将数据在显示屏上显示，当温度低于设置的下限温度时，半导体制冷片电流方向从N-P，模糊PID控制器增大半导体制冷片的电流，放热量增多，温度升高；当温度高于上限值时，半导体制冷片电流方向从P-N，吸热量增多，温度下降。如此周而复始，实现恒温箱的自动控制。具体原理图如图1所示。

2 设计原理

采用USB充电形式把电量存储于锂电池中，在物流途中给恒温箱供电，恒温箱的核心部分为驱动电路及半导体制冷部分。半导体制冷材料的制冷量由其所通过的电流大小决定，而吸热和放热是由电流的方向决定的。同时，为了使其满足能够自动进行温度控制与调节的功能，需要用到模糊PID算法，通过其高精度性对半导体制冷片电流进行控制，从而达到对温度的实时监控与调节。

2.1 充电模块设计

恒温箱主要依靠USB充电器实现电量供应。利用USB充电器直接把220 V电压转换成12V电压供给锂电池，通过TP4054芯片对锂电池进行充电，图3为该型号芯片USB供电的典型应用图，先检测待充电电池的电压，如果电压低于8 V，应进行预充电，充电电流大小为设定电流的1/10，当电压升至8 V后，进入标准充电过程。标准充电过程为：以设定电流进行恒流充电，电池电压升到12 V时，改为恒压充电，保持充电电压为12 V，此时，充电电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。

2.2 温度控制模块设计

2.2.1 温度传感器

可用于该项设计的温度传感器主要有以下3种：

（1）采用热敏电阻，热敏电阻的测量范围为40～90℃，但是热敏电阻的可靠性差，测量准确度低，且不能直接转化为可用数字信号。

（2）采用Pt100温度传感器，Pt100温度传感器的测量范围在-80～500 ℃，A级测量精度为±（0.15+0.002|t|）℃，B级测量精度为±（0.30+0.005|t|）℃。Pt100温度传感器测量范围广、但其更适合单点高精度测量，不适合多点温度检测。

（3）采用DS18B20数字温度传感器。它是数字接口支持一线总线的温度传感器，其具有体积小、硬件开销低、可靠性高、测量精度高和连接简单等优点。不仅可直接将温度信号转换为数字信号，而且可实现多点温度检测[3-6]。

综合节约能源、简捷性等因素考虑，选用DS18B20数字温度传感器最为合适。如图4和表1所示，DS18B20共有三个引脚，两个引脚分别用于接地、接电源、中间引脚用于连接单片机。

如图5所示，DS18B20温度传感器采用单总线协议，单片机接口只占用一个I/O接口，可直接将环境温度转化为数字信号串行输出，DS18B20的数据脚和电源之间加了一个4.7 KΩ的上拉电阻，用以保证数据的稳定。

2.2.2 半导体制冷材料

半导体制冷片是一个热传递的工具。半导体制冷是利用半导体材料组成P-N结。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端[7-8]。

如图6所示，当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成热电偶接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量转移，电流的方向是N-P，温度下降并吸热，这就是冷端，而下面的接头处，电流方向P-N，这就是热端。

2.3 数字显示模块设计

传统恒温箱按键操作复杂，该设计在此基础上，设计了一个数字键盘，通过按键键入设定温度，并在显示屏上显示设定温度。首先温度传感器感受外界温度，通过单片机[9-15]处理后在显示屏上显示出当前温度“Current Temp：”，然后通过键盘直接输入设定温度，系统识别出设定温度后，可进行相应的升温降温，直到达到与设定温度一致。如图7所示，为数字键盘设计电路。

2.4 智能模块设计

2.4.1 模糊PID控制算法

为了使恒温箱满足在复杂多变的外部环境中，能够自动对温度进行控制与调节，且保证精度要求，使用模糊PID控制算法，通过它的高精度性对半导体制冷片电流进行控制，从而达到对温度的实时监控与调节[12-16]。

模糊PID控制是PID算法与模糊控制理论相结合的一种控制理论，是在一般PID控制系统的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改的一种自适应控制系统。以误差e和误差ec变化作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具PID有控制精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果[13-15]。

其主要功能是通过找出误差e和误差变化率ec与三个参数自动调整比例系数、积分参数和微分参数的模糊关系[16]，在系统中不断检测e和ec，根据确定的模糊控制规则来对三个参数进行在线调整的，从而满足不同e和ec对参数的不同要求。

如图8所示，温度传感器得到系统的输入语言变量温度偏差e和温度偏差变化率ec，经过模糊化与模糊推理得到输出变量自动调整比例系数Kp、积分参数Kf和微分参数KD，反馈给模糊控制器进而对被控对象进行控制，使被控对象拥有良好的动静态性能[17]

2.5 便携智能恒温箱电路设计与外观参数设计

2.5.1 电路设计

便携智能恒温箱将电源、按键、温度传感器、单片机、半导体制冷材料和显示屏等电路元器件连接起来，通过不同元器件的功能实现，达到实时检测和调节温度的目的，电路图如图10所示。

2.5.2 外观及参数设计

便携智能恒温箱采用箱体底部固定连接半导体控温元件，半导体控温元件与锂电池固定连接，箱体的正面左上端固定连接数字键盘及显示屏，箱体上盖和箱体内壁固定连接保温层的结构形式，箱体的背后右上端固定连接电源插孔。

3 结束语

该设计选择冷链物流小型存储设备恒温箱为研究对象，针对现有市场中，恒温箱精度不高，效率低下，适应性差等问题，通过USB接口充电器向锂电池存储电能给恒温箱供电，实现便携功能；选择DS18B20数字传感器、单片机、半导体制冷材料进行温度的控制；通过模糊PID控制器控制半导体制冷片的电流方向与大小，对温度进行实时检测与调节，满足智能恒温功能。该设计很好的解决了现有市场上恒温箱效率低下、精度不高、温度控制不当等问题，有效的提高了温控精度与工作效率，增加了便捷性。

【参 考 文 献】

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