食品保鲜箱温度控制系统设计

2019-04-26张德钱曾仕峰

电子技术与软件工程 2019年6期

文/张德钱曾仕峰

1 引言

随着社会经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，使得人们对食物保鲜的要求越来越高，保鲜食物可以从控制温度、杀菌消毒、高压等方面入手，而调节温度是一种效益高、可行性好的方法。低温保存可以抑制生物繁殖,减缓食物的腐坏速度,但并不能完全杀死微生物。电冰箱和冷藏库是当前家庭食物保鲜的主要工具。各种食物储存在速冻层或冷冻层，通过低温进行食品保鲜。但由于每种食物的适宜保存温度是不一样的，单一温度保鲜或保存多种食物会使得某些食物的保质期大打折扣，口感也会下降。因此，设计一种高精度、快响应并能同时处理多个隔箱温度的食品保鲜箱是非常有意义的。

本文提出一种新的食品保鲜箱系统的控制方案。将保鲜箱分成多个隔箱，每个隔箱根据预设的目标温度值，采用增量式PID 进行食品保鲜温度调节控制。

2 系统硬件结构分析

控制系统主要有STM32 单片机系统和保鲜隔箱构成。每个保鲜隔箱包含温度调节器和温度采集器。主要硬件结构图如图1所示。

2.1 单片机系统

系统选用STM32 单片机系列中的STM32F103C8T6 器件为核心。工作频率高达72MHz，可以快速的进行数据运算和处理，高效支撑多目标的PID 算法运行控制。同时，使用配套的FreeRTOS 操作系统内核，实现多节点的保鲜隔箱温度控制。

2.2 温度检测

系统的温度检测电路如图2所示，由STM32 微处理器的单个IO 口上串接多个DS18B20 联网组成，实现多点测温。DS18B20 是单总线温度传感器，每个芯片固化了唯一的48 位系列号，可作为多点组网测温时各个隔箱的地址码。DS18B20 的测温范围-55℃～+125℃，测温精度可达±0.5℃。

2.3 温控调节控制电路

保鲜箱的温度调节控制电路如图3所示，主要有光电隔离器和双向晶闸管构成。MOC3041 是自带过零检测器的光电耦合器，可在PWM 脉冲的控制下，输出触发脉冲到晶闸管T1的控制极，实现温度调节器的启动和停止。PWM 为低电平时，MOC3041 引脚4 和6 之间电压过零之后，输出触发脉冲启动晶闸管T1，温度调节器有电流通过，进行调温控制。反正，PWM 为高电平时，MOC3041内部发光管截止，无触发脉冲从引脚4 输出，晶闸管T1断开，温度调节器不工作。

3 增量式PID算法

为解决传统的温度调节控制算法引起的超调、积分饱和现象，系统采用增量式PID 算法。其表达式如式（1）所示。

其中Kp、Ki和Kd分别为增量式PID 算法的比例放大系数、积分时间系数和微分时间系数；e(t)=T(t)-T0为当前时刻t 的温度与目标温度的偏差。PID 算法的结构图如图4所示，目标温度T0 与保鲜盒当前温度T（t）作为入口参数送入增量式PID 算法，由增量式PID 控制算法算出当前单片机输出的PWM 的增量，调节保鲜盒温度。