一种恒温控制系统的制作方法
【专利摘要】一种恒温控制系统，包括控制模块和分别与控制模块连接的在线调试接口电路、通讯电路、A/D采样电路、PT100温度采集电路、NTC电桥电路、DS18B20温度采集电路、光耦隔离电路、风扇驱动电路、半导体制冷片驱动电路、电热丝驱动电路及电源电路。经实验测试表明，该系统提高了控温精度，提高了临界控制的稳定性及温度的长期稳定性，实用性强且价格便宜。
【专利说明】
一种恒温控制系统
技术领域
[0001] 本发明涉及电子领域，具体是一种恒温控制系统。
【背景技术】
[0002] 恒温控制在仪器仪表，材料理化性能测试，药物温度敏感性测试，电子元器件性能 测试等领域应用广泛，这些领域都需要恒温设备具有高精度，长期稳定性的特性。目前采用 PID调节半导体制冷片加热/制冷是一种常见的控制恒温的方式，半导体制冷片由多对PN结 组成，是一种非纯电阻发热制冷器件，给制冷片通电流，制冷片一面发热，另一面制冷，改变 所通电流方向，发热面与制冷面互换，但切换通过制冷片的电流方向需要间隔5分钟。非纯 电阻的特性导致其功率的可计算性较差;功率的精确控制较难;电流切换的不连续性，导致 控制装置临界控制的稳定性较差，进而难以实现温度控制的长期稳定性。
[0003] 本设计中的临界控制的稳定性是指：当室温在设定温度左右波动时，恒温控制的 稳定性。
[0004] 本设计的温度长期稳定性是指:大于等于一个月的时间里装置温度波动小于0.01 Γ。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述恒温控制设备的不足，本发明提供了一种恒温控制系统，采用PID调 节电热丝加热功率，查表法调节半导体制冷片制冷或加热功率的方式保持恒温，经实验测 试表明，该系统提高了控温精度，提高了临界控制的稳定性及温度的长期稳定性，实用性强 且价格便宜。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0007] -种恒温控制系统，包括控制模块和分别与控制模块连接的在线调试接口电路、 通讯电路、A/D采样电路、PT100温度采集电路、NTC电桥电路、DS18B20温度采集电路、光耦隔 离电路、风扇驱动电路、半导体制冷片驱动电路、电热丝驱动电路及电源电路，其中：
[0008] 控制模块与在线调试接口电路连接，实现程序的烧写与在线调试功能；
[0009] 控制模块与通讯电路连接，通过通讯电路接收指令信息及数据采集信息；
[0010] 控制模块通过A/D采样电路连接PT100温度采集电路采样温度的相对精确值；
[0011] 控制模块通过A/D采样电路连接NTC电桥电路采样温度的变化值；
[0012] 控制模块连接DS18B20温度采集电路采集室温；
[0013] 控制模块通过光耦隔离电路与风扇驱动电路、半导体制冷片驱动电路及电热丝驱 动电路相连，实现控制器与大电流执行机构电气信号之间的隔离。
[0014] 所述的控制模块由高性能、低成本、低功耗STM32主控芯片和复位电路、晶振电路 构成，使系统资源丰富，响应速度快。
[0015] 所述在线调试接口电路包括串口通信接口电路和j_link调试接口电路。
[0016] 所述通讯电路采用RS485通信技术，是控制电路与上位机之间的通信接口。
[0017]所述A/D采样电路采用24位低噪声，多通道，高性能模数转换芯片。
[0018] 所述PT100温度采集电路，采用恒流源激励PT100传感器的方式，将PT100的阻值随 温度的变化转换成电压的变化，然后通过调理电路对电压信号放大和变换为符合A/D采用 电路采样的标准信号。所述PT100传感器具有测量精度高，性能稳定的特性，用以采集装置 内温度的相对精确值，后期校准后将PT100测量的温度作为设备的实际温度值，采用四线制 PT100传感器，使用补偿导线的方法提高测量精度。
[0019] 所述的NTC电桥电路，由程控变阻箱，NTC热敏电阻，两个等值的精密电阻组成。程 控变阻箱与NTC热敏电阻构成一个桥臂，两个等值的精密电阻构成另一个桥臂。从两个桥臂 中间引出电压差分信号，然后通过调理电路对电压信号放大和变换为符合A/D采用电路采 样的标准信号。所述NTC热敏电阻具有温度系数大，体积小，热惯性小等特点，适用于动态测 量，设计中将NTC电桥电路置于恒温装置内采样温度的变化值。所述程控变阻箱电路由继电 器阵列和精密电阻网络组成，程控变阻功能是指通过控制继电器通断来选择不同阻值电阻 接入电路。程控变阻箱的电阻分辨率为1 Ω。
[0020] 所述DS18B20温度采集电路，采用通用数字温度传感器DS18B20,直接与控制模块 连接，具有体积小，抗干扰能力强，精度高的特点。
[0021] 所述光耦隔离电路为隔离控制器控制信号与执行器驱动信号的电路，采用光电耦 合器完全隔离，消除了执行器对控制器的干扰，提高了系统稳定性。
[0022] 所述风扇驱动电路，有两个风扇，半导体制冷片两侧通过导热硅胶层粘合扇热片， 两侧扇热片上分别固定有第一风扇和第二风扇，电热丝与第一风扇之间使用云母片隔开。 风扇是系统的散热机构，并提供转速监测端口。
[0023] 所述半导体制冷片驱动电路，由可调压式开关电源电路和电流换向电路组成，开 关电源的输出电压直接加载在半导体制冷片两端，通过调节开关电源电路的输出电压调整 半导体制冷片的加热或制冷功率，电流换向电路改变通过制冷片的电流方向，实现制冷片 加热模式，制冷模式的切换。
[0024] 所述电热丝驱动电路，采用方波电压驱动电热丝，方波电压由PWM驱动M0S管生成， 通过调节PWM的占空比来调节电热丝的发热功率。
[0025] 所述电源电路包括控制机构电源和执行机构电源两部分，控制机构电源功率小， 执行机构电源功率大，两部分电源由两个独立开关电源供电。
[0026] 本发明的有益效果是:采用PID调节电热丝加热功率，查表法调节半导体制冷片制 冷或加热功率的方式保持恒温，经实验测试表明，本系统提高了控温精度，提高了临界控制 的稳定性及温度的长期稳定性，实用性强且价格便宜。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明恒温控制电路的结构框图；
[0028] 图2为本发明实施例的结构示意图；
[0029] 图3是本发明实施例的NTC电桥电路结构示意图；
[0030] 图4是本发明实施例的主程序工作流程图。
【具体实施方式】
[0031]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图及实施例 对本发明的技术方案做进一步的说明，但不是对本发明保护范围的限定。
[0032] 实施例：
[0033] 如图1所示，一种恒温控制系统，由控制模块和分别与控制模块连接的在线调试接 口电路、通讯电路、A/D采样电路、PT100温度采集电路、NTC电桥电路、DS18B20温度采集电 路、光耦隔离电路、风扇驱动电路、半导体制冷片驱动电路、电热丝驱动电路及电源电路构 成。
[0034] 控制模块与在线调试接口电路连接，实现程序的烧写与在线调试功能;控制模块 与通讯电路连接，通过通讯电路与PC端上位机通信，包括控制模块接收上位机的指令信息 及上传数据采集数据到上位机;控制模块通过A/D采样电路连接PT100温度采集电路采样温 度的相对精确值;控制模块通过A/D采样电路连接NTC电桥电路采样温度的变化值;控制模 块连接DS18B20温度采集电路采集室温;控制模块通过光耦隔离电路与风扇驱动电路，半导 体制冷片驱动电路及电热丝驱动电路相连，实现控制器与大电流执行机构电气信号之间的 隔离；电源电路包括控制机构电源和执行机构电源两部分，控制机构电源功率小，执行机构 电源功率大，两部分电源由两个独立开关电源供电。
[0035] 如图2所示，NTC传感器和PT100传感器位于装置内部，分别测量温度的变化值与温 度的相对精确值;DS18B20位于装置外，测室温。半导体制冷片粘合第二风扇的一面置于装 置外，粘合第一风扇的一面置于装置内，电热丝和第一风扇之间使用云母片隔开。图中，Q1 为第一风扇所消耗电能转化的热能，对于恒温装置而言，属于发热源，规定Ql>〇;Q3是半导 体制冷片所产热能，半导体制冷片发热，则Q3>0，制冷，则Q3〈0; Q2是电热丝所产热能，Q2大 于零或等于零;Q4为恒温装置与外界的的热交换，当恒温装置温度高于室温，则Q4〈0，向外 界放热，当室温高于恒温装置温度，则Q4>0，从外界吸热。
[0036]温度保持恒定就要实现吸放热的平衡，即Ql+Q2+Q3+Q4=0,本设计中的临界控制的 稳定性是指，当室温在设定温度左右波动时，恒温控制的稳定性。当Q1+Q4接近零时，PID调 节半导体致冷片的控温方式需要频繁的切换通过制冷片的电流方向，但切换电流方向需要 间隔5分钟，所以PID调节半导体致冷片的控温方式在临界控制的时候不稳定，进而也无法 提高控温精度。设计中采用PID调节电热丝加热功率，查表法调节半导体制冷片制冷或加热 功率的方式保持恒温。电热丝为纯电阻电路，可实现热功率的精确控制，所述查表法，是在 装置温度与设定温度差值较小时启动的使半导体制冷片以表中固定功率工作的一种控制 方法，首先依据调试经验，环境温度与设定温度的差值分别设计加热模式下和制冷模式下 的经验表。如下表所示，其中的a，b，c等为功率值。
[0037]
[0038] 查表法使半导体制冷片以固定功率输出，解决了电流切换的问题及半导体功率调 整滞后性大的问题。查表法设置了多梯度温差的经验值，是一种类专家控制方法，提高了系 统对外界温度变动的抗干扰性;精密的电热丝功率控制提高了控温精度。经实验测试表明， PID调节电热丝加热功率，查表法调节半导体制冷片制冷或加热功率的控温方式，提高了控 温精度，提高了临界控制的稳定性及温度的长期稳定性。
[0039] 如图3所示，NTC电桥电路，是一种惠斯通电桥电路，图中精密电阻1，2阻值相同，激 励电压由高精度基准电压源芯片提供。电桥电路的工作原理如下：首先，计算出设定温度T 下所对应的NTC传感器阻值R，然后，调节程控变阻箱的阻值为R，理论上，当装置温度达到设 定温度T时，U〇，U4g等且均为激励电压的一半，AD采样值为零；电桥的使用提高了传感器的 温度系数，降低了对AD芯片分辨率的要求，进而提高了控制精度。
[0040] 如图4所示，实施例的主程序工作流程图，系统初始化之后，等待设定温度指令，根 据设定的温度设定变阻箱电阻值，然后根据NTC电桥差分电压值判断设备需要加热或是制 冷，加热模式下，当设定温度跟装置温度差距大于a°C时，为了快速达到设定温度值，制冷片 大功率加热，电热丝全功率工作；同理，制冷模式下，当设定温度跟装置温度差距大于a°C 时，制冷片大功率制冷，电热丝不工作。当设定温度与装置温度相差a°C以内时，启动PID调 节电热丝加热功率，查表法调节半导体制冷片制冷或加热功率的方式保持恒温。
【主权项】
1. 一种恒温控制系统，其特征是:包括控制模块和分别与控制模块连接的在线调试接 口电路、通讯电路、A/D采样电路、PT100温度采集电路、NTC电桥电路、DS18B20温度采集电 路、光耦隔离电路、风扇驱动电路、半导体制冷片驱动电路、电热丝驱动电路及电源电路，其 中： 控制模块与在线调试接口电路连接，实现程序的烧写与在线调试功能； 控制模块与通讯电路连接，通过通讯电路接收指令信息及数据采集信息； 控制模块通过A/D采样电路连接PT100温度采集电路采样温度的相对精确值； 控制模块通过A/D采样电路连接NTC电桥电路采样温度的变化值； 控制模块连接DS18B20温度采集电路采集室温； 控制模块通过光耦隔离电路与风扇驱动电路、半导体制冷片驱动电路及电热丝驱动电 路相连，实现控制器与大电流执行机构电气信号之间的隔离。2. 根据权利要求1所述的恒温控制系统，其特征是:所述的控制模块由高性能、低成本、 低功耗STM32主控芯片和复位电路、晶振电路构成。3. 根据权利要求1所述的恒温控制系统，其特征是:所述在线调试接口电路包括串口通 信接口电路和j_link调试接口电路。4. 根据权利要求1所述的恒温控制系统，其特征是:所述PT100温度采集电路，采用恒流 源激励PT100传感器的方式，将PT100的阻值随温度的变化转换成电压的变化，然后通过调 理电路对电压信号放大和变换为符合A/D采用电路采样的标准信号。5. 根据权利要求1所述的恒温控制系统，其特征是：所述的NTC电桥电路，由程控变阻 箱，NTC热敏电阻，两个等值的精密电阻组成;程控变阻箱与NTC热敏电阻构成一个桥臂，两 个等值的精密电阻构成另一个桥臂;从两个桥臂中间引出电压差分信号，然后通过调理电 路对电压信号放大和变换为符合A/D采用电路采样的标准信号。6. 根据权利要求5所述的恒温控制系统，其特征是:所述程控变阻箱电路由继电器阵列 和精密电阻网络组成，程控变阻功能是指通过控制继电器通断来选择不同阻值电阻接入电 路;程控变阻箱的电阻分辨率为1 Ω。7. 根据权利要求1所述的恒温控制系统，其特征是:所述DS18B20温度采集电路，采用通 用数字温度传感器DS18B20,直接与控制模块连接。8. 根据权利要求1所述的恒温控制系统，其特征是:所述光耦隔离电路为隔离控制器控 制信号与执行器驱动信号的电路，采用光电耦合器完全隔离，消除了执行器对控制器的干 扰，提高了系统稳定性。9. 根据权利要求1所述的恒温控制系统，其特征是:所述风扇驱动电路，有两个风扇，半 导体制冷片两侧通过导热硅胶层粘合扇热片，两侧扇热片上分别固定有第一风扇和第二风 扇，电热丝与第一风扇之间使用云母片隔开;风扇是系统的散热机构，并提供转速监测端 □ 〇10. 根据权利要求1所述的恒温控制系统，其特征是:所述半导体制冷片驱动电路，由可 调压式开关电源电路和电流换向电路组成，开关电源的输出电压直接加载在半导体制冷片 两端，通过调节开关电源电路的输出电压调整半导体制冷片的加热或制冷功率，电流换向 电路改变通过制冷片的电流方向，实现制冷片加热模式，制冷模式的切换。
【文档编号】G05D23/24GK205656518SQ201620379435
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2016年4月29日 公开号201620379435.6, CN 201620379435, CN 205656518 U, CN 205656518U, CN-U-205656518, CN201620379435, CN201620379435.6, CN205656518 U, CN205656518U
【发明人】周伟东, 容铭康, 董家新, 周晓娟, 吴桂平
【申请人】广西师范大学