制冷控制系统研制与探析*

吴 鹏 郑 勇 路 杰

(1)中国地震局地震研究所，武汉 430071 2)武汉地震科学仪器研究院，武汉430071)

制冷控制系统研制与探析*

吴 鹏1，2)郑 勇1，2)路 杰1，2)

(1)中国地震局地震研究所，武汉 430071 2)武汉地震科学仪器研究院，武汉430071)

根据实际应用研制制冷控制系统，该系统采用温度测量、PID控制及PWM脉宽调制等技术实现了对目标对象的制冷处理，具有一定的应用价值。

温度测量;PID控制;制冷;脉宽调制

1 引言

在工业、商业以及医疗等领域中，都需要对特定的环境温度进行制冷并恒温控制。例如：在工业领域的制造行业，针对精密机械加工以及电子元件加工处理等环节，需要对所处环境温度进行严格控制。在商业领域，如大家最为熟悉的冷藏食品，必须进行低温储藏。而在医疗领域，很多医疗器械也必须进行低温存放，否则容易滋生大量细菌。正是因为上述不同领域对温度制冷功能的需求，因此，本文对制冷系统进行了研究，并设计出了温度制冷恒温处理系统，该系统可根据用户的需要进行温度的设定以及调节，操作简单。

在现实的温度测量以及制冷过程中，往往由于周围环境温度的影响导致制冷的反应速率缓慢，同时目标对象的温度容易有一定的波动。因此，在本系统的设计中选择了PID算法来解决制冷过程中温度超调以及波动等问题;使得目标对象的温度能处于一个恒温状态。

本系统所设计的制冷控制系统主要技术指标如下：制冷范围在5～30℃之间，温度稳定误差不超过0.2℃。经过大量的实践证明，本系统具有制冷效果良好，温度控制精确等优点，能稳定地保持恒温状态，具有一定的实用价值。

2 系统可行性分析

由于实验条件限制，本文设计一小隔温木盒作为温度控制的目标对象。而本制冷恒温控制系统的制冷效果以及恒温控制能力则取决于TEC制冷片的制冷能力以及木盒的制作工艺。实际设计的木盒示意图如图1所示。

图1 木盒结构及热传递Fig.1 Wooden structure and heat transfer

木盒使用胶合板和有机玻璃制作，其规格为10 cm×10 cm×10 cm，其中一面使用有机玻璃板制作，模板厚0.8 cm;有机玻璃厚度为0.2 cm。外部散热块使用CPU散热器散热;内部使用散热片厚度为2 cm的散热器，这样能增加盒内空气与散热片对流换热的能力，也能使盒内空气温度分布均匀。

表1 部分材料的导热系数Tab.1 Thermal conductivity of a part of materials

表2 TEC1-12705具体参数Tab.2 Specific parameters of TEC1-12705

3 系统整体方案设计

本系统主要包括以下几个部分：微处理器MSP430F169、温度传感器、128×64点阵显示器、控制键盘、隔离控制开关、TEC驱动电路以及电源等，整体结构框图如图2所示。整个系统的工作原理为：单片机MSP430F169将通过键盘设定目标对象(木盒)的制冷温度信息与当前木盒内通过温度传感器采集到的温度信息进行比较以得到温差的反馈信号，然后根据偏差和偏差变化率计算输入量，再由模糊PID自整定控制算法得出输出空置量来对隔离控制驱动开关进行控制，从而驱动TEC对木盒进行制冷。

图2 系统整体结构框图Fig.2 Overall block diagram of the structure

4 硬件电路设计与主要参数计算

4.1 温度采集电路

采用数字式温度传感器将温度信号转换成数字信号，可以直接将数字信号输入给单片机。此温度传感器温度测试范围为-55～+125℃。图3为温度传感器接口电路。

图3 温度传感器接口电路Fig.3 Interface circuit of temperature sensor

4.2 滤波及采样电路设计与参数计算

如图4所示为滤波及电流电压采样电路。滤波电路减少电压波动对致冷片性能的影响，电压采样电路和电流采样电路将测得的电压和电流值反馈给单片机，为单片机控制致冷片工作情况提供依据。

对于电流采样部分，采样电阻Rc为3个0.1 Ω大功率电阻并联，所要采样的电流范围为0～6A，由式U=IR得电阻两端电压范围为0～0.2 V，为了提高采样精度，需放大此电压信号。仪表放大器INA122放大倍数G=5+200 kΩ/RG，单片机供电电压为3.3 V，单片机内部A/D采样量程不大于其供电电压，故经放大的电压不能高于此电压，当G=10时，经放大的电压范围即为0～2 V，放大所得电压在单片机转换量程之内［2］。

对于电压采样电路，由于b端最高电压为12 V，若直接接电压跟随器的同向端，则所得电压过高，不能输入给单片机。所以采用如图4所示电路，经过R3、R4的分压作用，所得电压最大为：

此最大值可以输入给单片机，在单片机内部经A/D转换转换成数字信号。

图4 滤波及采样电路原理Fig.4 Circuit of filter and sampling

4.3 致冷致热选择电路

如图5为致冷致热选择电路，TLP627为光耦，2脚接单片机，单片机输出低电平时为图5中所示状态，此时致冷片在箱内的部分工作在致冷状态，单片机输出高电平时，继电器工作在与图5中相反的状态，致冷片在箱内的部分工作在加热状态。此电路b、c两端的电压已经过前级电路滤波，电压波动范围小于5%，减少了对致冷片工作性能的影响。

图5 致冷致热选择电路Fig.5 Selection of circuit for cooling or heating

4.4 键盘及显示电路

键盘采用阵列式键盘，采用中断方式进行软件设计，不需要扫描处理。显示部分采用EDM12864液晶屏，EDM12864主要由行驱动器、列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。

5 系统软件算法与设计

5.1 温度控制算法

采用PID控制进行温度控制，它是一种闭环控制系统，根据控制量的实际值与设定值的偏差来计算下一步的控制量软件的基本流程是：采样当前温度→PID运算→PWM(占空比式)输出。

PID运算程序如下：

每采样一次之后进行一次PID运算，得到一个输出量，供输出函数调用。为了下面叙述方便先定义几个变量。

定义：T-target表示目标温度

T-real表示当前温度

T-diff表示当前温差并且T-diff=T-target -T-real

PID运算表达式如下：

PWM_OUT=P_OUT+I_OUT+D_OUT+P_H; (求代数和)其中P_OUT=KP*(T-diff)称为比例项，KP是比例系数，比例项的作用是纠正偏差.比例项输出等于比例系数乘当前温差。

I_OUT=KI*Σ(diff)称为积分项，KI是积分系数，积分项用于消除系统稳态误差。Σ(diff)含义是由当前算起前面N次采样温差的和。

D_OUT=KD＊△diff称为微分项，KD是微分系数，微分项用于减小系统超调量，增加系统稳定性.(Δdiff=当前温差-上次温差)。

P_H=KC*(T-target)称为维持功率项，达温后(其它项均趋于0)此项起抵消散热维持温度的作用，可增加系统稳定性。KC是维持功率系数［3，4］

如果约定满功率值为100，停止输出功率值为0，那么PWM_OUT的取值范围就确定为0～100(主要是为了后面编制输出函数时方便简明，直接调用PWM_OUT作为输出占空比的百分数)，后面整定系数时就要兼顾PWM_OUT的取值范围。

5.2 软件设计

软件设计主要包括系统初始化、键盘管理、NS12864J显示界面、温度信息采集和模糊自整定PID等模块，软件的主要流程是：单片机MSP430F169将用户设定的温度信息与当前木盒内温度信息进行比较以得到温差的反馈信号，然后根据偏差和偏差变化率计算输入量，再由模糊PID自整定控制算法得出输出空置量，以此控制TEC对木盒进行制冷。软件的主体框图见图6。用户可通过按键随时控制改变目标温度值。

6 系统性能测试

本次测试，是在室内温度32℃的条件下完成的，温度测量则采用用量程为100℃的酒精温度计来实现。当木盒内部的温度与外界温度达到基本一致的情况下，通过控制制冷片，对控制目标对象(木盒子)进行降温控制，目标对象的温度随时间变化曲线图如图7所示。

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

图7 降温曲线Fig.7 Cooling curve

7 结论

经过测试，本制冷系统可以实现30℃以内的全速降温，降温时间控制在90s以内，并能保证一定范围内的温度恒定，该系统具有一定的实际应用前景。

1 桂静宜.二阶有源低通滤波电路的设计与分析［J］.电子科技，2010，23(10)：15-17，21.

2 王勇，段春义.滤波电路电容器联接方法对滤波效果影响的分析［J］.智能建筑电气技术，2010，6：30-32.

3 王述彦，师宇，冯忠绪.基于模糊PID控制器的控制方法研究［J］.机械科学与技术，2011，30(1)：166-172.

4 张定学.基于模糊PID控制的小流量水温控制系统设计［J］.自动化与仪表，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

吴鹏，男，1985年生，硕士，助理工程师，主要从事智能仪器的设计与开发研究.E-mail：beloved_wupeng@126.com

TH762

A