一种小尺寸的高精度温度控制设备

本技术涉及电子元器件领域以及控制系统领域，具体为一种小尺寸高精度温度控制设备。

背景技术：

1、现代社会生产以及科研等众多场合都需要实时准确地获取当前温度相关信息和完成温度预期控制，并且对温度控制的精度和稳定性都有严格要求。尤其在某些特殊测量场所中，一些小型精密设备需要一个恒温的工作环境，但目前常用的小型化温控设备普遍精度不高且延迟大，无法满足其需求。同时高精度的温控设备尺寸大，不具备便携性，且构造复杂，造价昂贵，价值远超测量设备，并不适合一些微型测量设备。

2、温度控制系统本身具有纯滞后性、时变非线性的特点，即实现温度精准控制难度较大，对系统的软硬件要求较高。当今温度控制的控制策略与算法已经相对成熟，在很大程度上满足了复杂过程工业的一些特殊控制要求。目前工业级温度控制设备的控制系统多为plc控制系统或微型机控制系统，系统的软件结构多为最简单的轮询结构，即控制逻辑为“顺序扫描，不断循环”的轮询式控制模式。这种控制系统有着低成本、高可靠性、对硬件要求低和开发周期短等优点，然而其缺点也很明显，即控制系统的处理器只能按照用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令地址号做周期性循环，这就在一定程度上限制了温度控制系统性能，致使系统响应速度慢，无法满足特殊环境下对温度的高精度和实时性要求。

技术实现思路

1、发明目的：针对以上问题，本技术在小尺寸、低成本的硬件设施条件下尝试构建一个多线程的智能温控系统，同时适配专用的温度控制策略，组建一个兼具小尺寸和高精度的温度控制箱，从而满足一些特殊设备的工作需求。

2、本发明由保温箱体、电源组件、加热组件、测温组件、中央控制器、人机交互通道和数据上传通道组成。

3、所述保温箱体是一个铝制的空心的长方体，整体尺寸为5.9cmx3.7cmx3.7cm，外壁的铝厚度为6mm，其可以屏蔽电磁干扰，也具有良好的导热性，箱内壁附有一层厚约1cm的黑色聚氨脂发泡胶，不仅仅可以起到保温作用，还可以阻燃、隔音、减震以及遮光，以此保障内部元器件具有相对稳定的工作环境；

4、所述电源组件为本发明的能源供给模块，包含3.3v和5v的低压直流电源以及220v，50hz的工频交流电源，其中低压直流电源主要负责各类电子元器件以及温度控制系统的中央控制器的电源供给，内部稳压电路的核心稳压元器件型号为ams117-3.3和ams117-5.0，稳压电路的输入仍为工频交流电；

5、所述加热组件由一片加热片和一个交流调压电路组成，加热片的额定功率为200w，为了使加热片具备相应的加热功率，并且能够实现精准的调压效果，加热片的电源使用220v，50hz的交流电，同时本技术拟作用的精密电子元器件的需求温度值通常大于环境温度，即本技术的温度箱要控制的目标温度通常大于环境温度，故本技术拟采取自然冷却的方式降温。内部的调压电路作用是调节输入的工频交流电电压幅值，从而使加热片达到不同程度的加热效果；

6、进一步的，对于驱动电路的选择，本技术有两个选用方案如下：

7、优选方案：用光耦元件搭配双向可控硅元件来组成加热片的驱动电路，选用光耦元件搭配双向可控硅元件来组成加热片的驱动电路，光耦元件选用三端双向可控驱动器moc3041，其内部具备备过零检测电路，led触发电流的最大值为15ma，断态电压为400v，隔离电压为4170vrms；双向可控硅选用stmicroelectronics的bta16-600b，栅极触发电流为50ma，栅极触发电压为1.3v，通态电流最大值为16a，断态电压为600v，隔离电压为4170vrms。通过改变调压电路的输入信号的高低电平来控制加热片的开关，通过中央控制器的灌电流驱动moc3041，避免gpio不能直接驱动moc3041元件，增加mcu的负载能力；此外在不改变输入电压的频率情况下限制了本系统的控制频率最大只有100hz，要想要达到更高的控制频率需要外加一个高频逆变电路，不过由于温度控制系统本身具有纯滞后性、时变非线性的特点，并非控制频率越高越好，适配相应的控制周期，本方案就可以达到一个较高的控制精度；

8、备选方案：选用直流驱动电路，需要一个相对较高的直流电压源，故此将输入的工频交流电要通过整流、滤波、稳压三个步骤，因为直流调压效率较低，且仅在0～24v之间，故此采取改变在单次控制周期内的直流电导通时间来达到不同的加热效果。

9、所述测温组件，其实质上是一个数字半导体式温度传感器，可选择性很广泛，本技术可以使用的型号包含有ds18b20，gx18b20，qt18b20等单总线式数字温度传感器，当然若是选用的中央处理器性能较好的情况，可以选用gxts03之类的支持高速通信协议的温度传感器；进一步的，优先选用中科银河芯片的gx18b20作为本技术的测温元器件，gx18b20数字温度计提供9到12bit分辨率的温度测量，可以通过可编程非易失性存储单元实现温度的下限和上限报警。gx18b20采用单总线协议与上位机进行通信，只需要一根信号线和一根地线。它的温度测量范围为-55℃～+125℃。在-10℃～+70℃范围内的测试精度可以达到±0.4℃。此外它还可以工作在寄生模式下，直接通过信号线对芯片供电，从而不需要额外的供电电源。每个gx18b20都有一个全球唯一的64位序列号，可以将多个gx18b20串联在同一跟单总线上进行组网，只需要一个处理器就可以控制分布在大面积区域中的多颗gx18b20。这种组网方式特别适合hvac环境控制，建筑、设备、粮情测温和工业测温以及过程监测控制等应用领域。本技术中，其通过一根杜邦线与中央处理器的一个gpio相连接，设置gpio的工作模式为上拉输出模式向gx18b20发送操作指令，设置gpio的工作模式为浮空输入模式来接收gx18b20返回的数据值，具体的驱动代码不作详细说明；

10、所述中央控制器，即中央处理器，在本技术中实质上就是一个微控制器，简称mcu，本技术选用意法半导体的stm32f103rct6作为中央处理器，搭配外围驱动电路组成本温度控制设备的中央控制器，stm32f103rct6是以cortex-m3为内核的32位高性能微处理器，主频为72mhz，其拥有的资源包括8kb sram、256kb flash、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个dma控制器(共12个通道)、3个spi、2个iic、5个串口、1个usb、1个can、3个12位adc、1个12位dac、1个sdio接口及51个gpio口，该微处理器拥有极高的性价比，其外围电路包括复位电路、电源电路、调试测试接口电路等，此外也可以拓展一个外部存储器，预防处理器存储器容量不足；

11、进一步的，该处理器外围包含前向通道和后向通道，前向通道，即输入通道，本系统只涉及数字量输入接口，与所使用的数字式温度传感器即测温组件相连通；后向通道，即输出接口，本系统包含数字输出、pwm输出等，数字输出接口连接数字式温度传感器、led灯，pwm输出接口通过一个光耦隔离电路和加热组件相连接；

12、所述人机交互通道，包含按键、led灯、蜂鸣器和液晶显示模块组成，3个按键以及3个3mm led灯都是中央处理器，即stm32f103rct6以灌电流形式驱动，按键功能包含系统重置、需控制的目标温度加1℃、需控制的目标温度减1℃，3个led灯的作用是显示系统是否在运行，显示当前是否在加热，显示目前加热功率是否位峰值等；蜂鸣器驱动电路则需要外加一个放大电路，用以解决处理器带负载能力不足的情况；液晶显示模块，简称lcd(liquidcrystal display)，本技术使用的lcd尺寸3.2寸，分辨率为320*240，内部液晶控制芯片为ili9341，通过8080标准接口与mcu相连接，用以显示当前系统状况的详细信息，如当前箱内温度、环境温度、需控制的目标温度、当前加热功率等信息；

13、所述数据上传通道，即相互互联通道，该通道由通用异步串口usart和无线模块两部分组成，两部分都是用以传输数据给上位机的，可根据使用情况选择有线的usart或者无线模块，无线模块选用nrf24l01，通过serial peripheral interface(spi)与mcu连接，mcu采用有线异步串口发送给上位机，同时使用无线模块通过2.4g网络进行无限发送，中继基站接收后解析处理打包后发送给用户端，或直接将数据透传至云平台供用户查看。

14、进一步的，以下作本技术的软件系统结构方面说明，包含系统硬件底层驱动、系统核心控制算法、系统内核等；

15、所述系统硬件底层驱动，即硬件抽象层和板级支持包，是作用于系统层和硬件之间的软件接口层，这里的hal为本系统的每一个硬件设备都实例化一个驱动程序，比如按键、led灯、系统滴答定时器systick、定时器、外部中断exti、通用异步串口usart、spi接口、通用定时器、液晶显示器驱动芯片ili9341、gx18b20；

16、所述系统核心控制算法，本技术在系统传递函数未知的情况下进行控制运算，省去系统传递函数辨识这一复杂步骤，以此便可批产此产品而不用考虑做工质量参差不齐导致精度误差过大的问题，也意味着smith预估控制算法这类需要确定的系统传递函数的控制算法不适用本系统，虽然传统pid控制算法可以在一定程度上满足系统需求，但为了达到一个更好的控制效果，将专家pid、fuzzy pid、补偿控制算法组合搭配起来，构成加热升温阶段和稳定阶段的专用控制算法。

17、所述系统内核，本技术移植免费开源的freertos内核，内创建2个消息队列、7个任务、1个任务标志组和1个互斥信号量等，其中消息队列包含温度数据队列current dataqueue、系统状态数据发送队列sending data queue，current data queue用于存放采集到的系统当前温度数据，sending data queue用于存放需要通过无线模块nrf24l01发送的温度数据；任务包括主任务main taskw、加热任务heating up task、温度稳定任务temperature stabilization task、数据采集任务data acquisition task、数字补偿任务digital compensation task、数据发送任务data sending task、人机交互任务human-machine interaction task；任务标志组为current state event，用于标志当前系统的7个任务所处的状态；本系统使用的该互斥信号量mutex semaphore，每当数据采集任务运行完成一次便释放一次，同时加热任务或温度稳定任务开始运行时便要获取一次该互斥信号量。