制冷控制系統(tǒng)研制與探析*

吳 鵬 鄭 勇 路 杰

(1)中國(guó)地震局地震研究所，武漢 430071 2)武漢地震科學(xué)儀器研究院，武漢430071)

制冷控制系統(tǒng)研制與探析*

吳 鵬1，2)鄭 勇1，2)路 杰1，2)

(1)中國(guó)地震局地震研究所，武漢 430071 2)武漢地震科學(xué)儀器研究院，武漢430071)

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用研制制冷控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用溫度測(cè)量、PID控制及PWM脈寬調(diào)制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)對(duì)象的制冷處理，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

溫度測(cè)量;PID控制;制冷;脈寬調(diào)制

1 引言

在工業(yè)、商業(yè)以及醫(yī)療等領(lǐng)域中，都需要對(duì)特定的環(huán)境溫度進(jìn)行制冷并恒溫控制。例如：在工業(yè)領(lǐng)域的制造行業(yè)，針對(duì)精密機(jī)械加工以及電子元件加工處理等環(huán)節(jié)，需要對(duì)所處環(huán)境溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。在商業(yè)領(lǐng)域，如大家最為熟悉的冷藏食品，必須進(jìn)行低溫儲(chǔ)藏。而在醫(yī)療領(lǐng)域，很多醫(yī)療器械也必須進(jìn)行低溫存放，否則容易滋生大量細(xì)菌。正是因?yàn)樯鲜霾煌I(lǐng)域?qū)囟戎评涔δ艿男枨螅虼耍疚膶?duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)出了溫度制冷恒溫處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)用戶的需要進(jìn)行溫度的設(shè)定以及調(diào)節(jié)，操作簡(jiǎn)單。

在現(xiàn)實(shí)的溫度測(cè)量以及制冷過(guò)程中，往往由于周圍環(huán)境溫度的影響導(dǎo)致制冷的反應(yīng)速率緩慢，同時(shí)目標(biāo)對(duì)象的溫度容易有一定的波動(dòng)。因此，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中選擇了PID算法來(lái)解決制冷過(guò)程中溫度超調(diào)以及波動(dòng)等問(wèn)題;使得目標(biāo)對(duì)象的溫度能處于一個(gè)恒溫狀態(tài)。

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的制冷控制系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：制冷范圍在5～30℃之間，溫度穩(wěn)定誤差不超過(guò)0.2℃。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐證明，本系統(tǒng)具有制冷效果良好，溫度控制精確等優(yōu)點(diǎn)，能穩(wěn)定地保持恒溫狀態(tài)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)可行性分析

由于實(shí)驗(yàn)條件限制，本文設(shè)計(jì)一小隔溫木盒作為溫度控制的目標(biāo)對(duì)象。而本制冷恒溫控制系統(tǒng)的制冷效果以及恒溫控制能力則取決于TEC制冷片的制冷能力以及木盒的制作工藝。實(shí)際設(shè)計(jì)的木盒示意圖如圖1所示。

圖1 木盒結(jié)構(gòu)及熱傳遞Fig.1 Wooden structure and heat transfer

木盒使用膠合板和有機(jī)玻璃制作，其規(guī)格為10 cm×10 cm×10 cm，其中一面使用有機(jī)玻璃板制作，模板厚0.8 cm;有機(jī)玻璃厚度為0.2 cm。外部散熱塊使用CPU散熱器散熱;內(nèi)部使用散熱片厚度為2 cm的散熱器，這樣能增加盒內(nèi)空氣與散熱片對(duì)流換熱的能力，也能使盒內(nèi)空氣溫度分布均勻。

表1 部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)Tab.1 Thermal conductivity of a part of materials

表2 TEC1-12705具體參數(shù)Tab.2 Specific parameters of TEC1-12705

3 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：微處理器MSP430F169、溫度傳感器、128×64點(diǎn)陣顯示器、控制鍵盤、隔離控制開關(guān)、TEC驅(qū)動(dòng)電路以及電源等，整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)的工作原理為：?jiǎn)纹瑱C(jī)MSP430F169將通過(guò)鍵盤設(shè)定目標(biāo)對(duì)象(木盒)的制冷溫度信息與當(dāng)前木盒內(nèi)通過(guò)溫度傳感器采集到的溫度信息進(jìn)行比較以得到溫差的反饋信號(hào)，然后根據(jù)偏差和偏差變化率計(jì)算輸入量，再由模糊PID自整定控制算法得出輸出空置量來(lái)對(duì)隔離控制驅(qū)動(dòng)開關(guān)進(jìn)行控制，從而驅(qū)動(dòng)TEC對(duì)木盒進(jìn)行制冷。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Overall block diagram of the structure

4 硬件電路設(shè)計(jì)與主要參數(shù)計(jì)算

4.1 溫度采集電路

采用數(shù)字式溫度傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，可以直接將數(shù)字信號(hào)輸入給單片機(jī)。此溫度傳感器溫度測(cè)試范圍為-55～+125℃。圖3為溫度傳感器接口電路。

圖3 溫度傳感器接口電路Fig.3 Interface circuit of temperature sensor

4.2 濾波及采樣電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算

如圖4所示為濾波及電流電壓采樣電路。濾波電路減少電壓波動(dòng)對(duì)致冷片性能的影響，電壓采樣電路和電流采樣電路將測(cè)得的電壓和電流值反饋給單片機(jī)，為單片機(jī)控制致冷片工作情況提供依據(jù)。

對(duì)于電流采樣部分，采樣電阻Rc為3個(gè)0.1 Ω大功率電阻并聯(lián)，所要采樣的電流范圍為0～6A，由式U=IR得電阻兩端電壓范圍為0～0.2 V，為了提高采樣精度，需放大此電壓信號(hào)。儀表放大器INA122放大倍數(shù)G=5+200 kΩ/RG，單片機(jī)供電電壓為3.3 V，單片機(jī)內(nèi)部A/D采樣量程不大于其供電電壓，故經(jīng)放大的電壓不能高于此電壓，當(dāng)G=10時(shí)，經(jīng)放大的電壓范圍即為0～2 V，放大所得電壓在單片機(jī)轉(zhuǎn)換量程之內(nèi)［2］。

對(duì)于電壓采樣電路，由于b端最高電壓為12 V，若直接接電壓跟隨器的同向端，則所得電壓過(guò)高，不能輸入給單片機(jī)。所以采用如圖4所示電路，經(jīng)過(guò)R3、R4的分壓作用，所得電壓最大為：

此最大值可以輸入給單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)部經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

圖4 濾波及采樣電路原理Fig.4 Circuit of filter and sampling

4.3 致冷致熱選擇電路

如圖5為致冷致熱選擇電路，TLP627為光耦，2腳接單片機(jī)，單片機(jī)輸出低電平時(shí)為圖5中所示狀態(tài)，此時(shí)致冷片在箱內(nèi)的部分工作在致冷狀態(tài)，單片機(jī)輸出高電平時(shí)，繼電器工作在與圖5中相反的狀態(tài)，致冷片在箱內(nèi)的部分工作在加熱狀態(tài)。此電路b、c兩端的電壓已經(jīng)過(guò)前級(jí)電路濾波，電壓波動(dòng)范圍小于5%，減少了對(duì)致冷片工作性能的影響。

圖5 致冷致熱選擇電路Fig.5 Selection of circuit for cooling or heating

4.4 鍵盤及顯示電路

鍵盤采用陣列式鍵盤，采用中斷方式進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，不需要掃描處理。顯示部分采用EDM12864液晶屏，EDM12864主要由行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器及128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成。

5 系統(tǒng)軟件算法與設(shè)計(jì)

5.1 溫度控制算法

采用PID控制進(jìn)行溫度控制，它是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)控制量的實(shí)際值與設(shè)定值的偏差來(lái)計(jì)算下一步的控制量軟件的基本流程是：采樣當(dāng)前溫度→PID運(yùn)算→PWM(占空比式)輸出。

PID運(yùn)算程序如下：

每采樣一次之后進(jìn)行一次PID運(yùn)算，得到一個(gè)輸出量，供輸出函數(shù)調(diào)用。為了下面敘述方便先定義幾個(gè)變量。

定義：T-target表示目標(biāo)溫度

T-real表示當(dāng)前溫度

T-diff表示當(dāng)前溫差并且T-diff=T-target -T-real

PID運(yùn)算表達(dá)式如下：

PWM_OUT=P_OUT+I_OUT+D_OUT+P_H; (求代數(shù)和)其中P_OUT=KP*(T-diff)稱為比例項(xiàng)，KP是比例系數(shù)，比例項(xiàng)的作用是糾正偏差.比例項(xiàng)輸出等于比例系數(shù)乘當(dāng)前溫差。

I_OUT=KI*Σ(diff)稱為積分項(xiàng)，KI是積分系數(shù)，積分項(xiàng)用于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。Σ(diff)含義是由當(dāng)前算起前面N次采樣溫差的和。

D_OUT=KD＊△diff稱為微分項(xiàng)，KD是微分系數(shù)，微分項(xiàng)用于減小系統(tǒng)超調(diào)量，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性.(Δdiff=當(dāng)前溫差-上次溫差)。

P_H=KC*(T-target)稱為維持功率項(xiàng)，達(dá)溫后(其它項(xiàng)均趨于0)此項(xiàng)起抵消散熱維持溫度的作用，可增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。KC是維持功率系數(shù)［3，4］

如果約定滿功率值為100，停止輸出功率值為0，那么PWM_OUT的取值范圍就確定為0～100(主要是為了后面編制輸出函數(shù)時(shí)方便簡(jiǎn)明，直接調(diào)用PWM_OUT作為輸出占空比的百分?jǐn)?shù))，后面整定系數(shù)時(shí)就要兼顧PWM_OUT的取值范圍。

5.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化、鍵盤管理、NS12864J顯示界面、溫度信息采集和模糊自整定PID等模塊，軟件的主要流程是：?jiǎn)纹瑱C(jī)MSP430F169將用戶設(shè)定的溫度信息與當(dāng)前木盒內(nèi)溫度信息進(jìn)行比較以得到溫差的反饋信號(hào)，然后根據(jù)偏差和偏差變化率計(jì)算輸入量，再由模糊PID自整定控制算法得出輸出空置量，以此控制TEC對(duì)木盒進(jìn)行制冷。軟件的主體框圖見(jiàn)圖6。用戶可通過(guò)按鍵隨時(shí)控制改變目標(biāo)溫度值。

6 系統(tǒng)性能測(cè)試

本次測(cè)試，是在室內(nèi)溫度32℃的條件下完成的，溫度測(cè)量則采用用量程為100℃的酒精溫度計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)木盒內(nèi)部的溫度與外界溫度達(dá)到基本一致的情況下，通過(guò)控制制冷片，對(duì)控制目標(biāo)對(duì)象(木盒子)進(jìn)行降溫控制，目標(biāo)對(duì)象的溫度隨時(shí)間變化曲線圖如圖7所示。

圖6 主程序流程Fig.6 Flow chart of main program

圖7 降溫曲線Fig.7 Cooling curve

7 結(jié)論

經(jīng)過(guò)測(cè)試，本制冷系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)30℃以內(nèi)的全速降溫，降溫時(shí)間控制在90s以內(nèi)，并能保證一定范圍內(nèi)的溫度恒定，該系統(tǒng)具有一定的實(shí)際應(yīng)用前景。

1 桂靜宜.二階有源低通濾波電路的設(shè)計(jì)與分析［J］.電子科技，2010，23(10)：15-17，21.

2 王勇，段春義.濾波電路電容器聯(lián)接方法對(duì)濾波效果影響的分析［J］.智能建筑電氣技術(shù)，2010，6：30-32.

3 王述彥，師宇，馮忠緒.基于模糊PID控制器的控制方法研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011，30(1)：166-172.

4 張定學(xué).基于模糊PID控制的小流量水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀表，2010，25(12)：33-36.

RESEARCH AND ANALYSIS FOR REFRIGERATION CONTROL SYSTEM

Wu Peng1，2)，Zheng Yong1，2)and Lu Jie1，2)

(1)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071
2)Wuhan Institute of Earthquake Instruments，Wuhan430071)

An actual refrigeration control system had been developed according to the application requirement.This system uses temperature measurement，PID control and PWM pulse width modulation technology to achieve the target of the cooling treatment，it is applicable.

temperature measurement;PID(Proportion Integration Differentiation)control;cooling;PWM(Pulse Width Modulation)

1671-5942(2011)Supp.-0157-04

2011-03-12

吳鵬，男，1985年生，碩士，助理工程師，主要從事智能儀器的設(shè)計(jì)與開發(fā)研究.E-mail：beloved_wupeng@126.com

TH762

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