CN114911287A - 一种快速恒温微型控制箱及其温控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速恒温微型控制箱及其温控方法，恒温箱包括加热装置、半导体制冷装置和控制器以及分别与其连接的降压模块、驱动电路模块、显示模块、温度检测模块和功能按键模块；降压模块和驱动电路模块均与电源模块连接，降压模块用于调节电源模块输出的电压值进而为控制器提供电源；功能按键模块用于设置目标温度，温度检测模块用于检测箱内、外环境温度并传输给控制器，显示模块用于显示箱内的当前温度和目标温度；加热装置和半导体制冷装置均设在恒温箱内部并分别与驱动电路模块连接，驱动电路模块用于将控制器输出的数字量信号转换为模拟量信号从而驱动加热装置和半导体制冷装置对恒温箱进行调温，实现了精准和快速调温。
Description
技术领域
本发明属于温控技术领域，具体是一种快速恒温微型控制箱及其温控方法。
背景技术
对于制热，较为常见的有太阳能、电能和化学能等转换热能的方式；对于制冷，较为常见的有半导体制冷、机械压缩式制冷和吸收式制冷等方式。
在医疗、生物、实验研究等特殊领域，由于机械压缩制冷和吸收式制冷设备的结构复杂、温度不易精密地控制和容易产生污染等缺陷问题，因此不适合这些领域中的小空间范围的温控。
反观，半导体制冷是利用特殊半导体材料构成的P-N结形成热电偶对产生帕尔贴效应，即通过直流电制冷的一种新型制冷方法，具有制冷快、无污染、无噪音、体积小等特点，更适用于小空间范围内的恒温控制。
对于小型温控箱来说，由于其空间的局限性，半导体制冷技术的应用更为广泛，不会受到保温时间长短或是地域限制，能够提供一个恒定的温度环境。但是，传统恒温控制箱采用半导体制冷片交换电源极性实现加热功能，导致其使用寿命大大减少，普遍存在调温时间较长、调温不精准，而且内部控制系统复杂，使用成本高和操作复杂以及制冷和加热效率低下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速恒温微型控制箱及其温控方法，能够实现精准和快速调温。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种快速恒温微型控制箱，包括加热装置、半导体制冷装置和控制器，以及分别与控制器连接的降压模块、驱动电路模块、显示模块、温度检测模块和功能按键模块；
所述降压模块和驱动电路模块分别与外部的电源模块连接，降压模块用于调节电源模块输出的电压值进而为控制器提供电源；
所述功能按键模块用于设置目标温度，温度检测模块用于检测恒温箱内部和外部的环境温度并将信息输送给控制器，显示模块用于显示恒温箱内的当前温度和目标温度；
所述加热装置和半导体制冷装置均设在恒温箱内部并分别与驱动电路模块连接，驱动电路模块用于将控制器输出的数字量信号转换为模拟量信号从而驱动加热装置和半导体制冷装置对恒温箱进行调温。
进一步地，所述控制器是Arduino Uno单片机。
进一步地，还包括串口通信模块，控制器通过串口通信模块与外部的上位机模块连接，上位机模块用于温度数据的同步采集、显示和绘图。
进一步地，所述串口通信模块是六合一多功能串口通信模块从而将串口的TTL电平经过六合一模块转换为能被USB识别的电平信号从而实现Arduino Uno单片机与上位机模块通信。
进一步地，所述温度检测模块包括分别安装在恒温箱外部和内部的第一温度传感器和第二传感器。
进一步地，所述降压模块为多路DC-DC电压转换模块电源。
进一步地，所述半导体制冷装置包括散热片、导冷块、制冷片和风扇；
所述风扇和热端散热片设在恒温箱外部用于防止热端的热量传入恒温箱内部。
进一步地，所述加热装置包括高温陶瓷加热片。
一种快速恒温微型控制箱的温控方法，包括如下步骤：当设定目标温度值低于恒温箱的内部的环境温度时，Ardunio Uno单片机输出数字量信号，驱动电路模块将数字量信号转换为模拟量信号并导通从而驱动半导体制冷装置对恒温箱内空间进行降温，直至温度降至目标温度值，自动断开半导体制冷装置；当设定的目标温度值高于恒温箱内部的环境温度时，Ardunio Uno单片机输出数字量信号，驱动电路模块将数字信号转换为模拟量信号并导通从而驱动加热装置对恒温箱内部空间进行加热，直至温度升高至目标温度值，自动断开加热装置；如此反复循环，从而实现恒温箱内部的精准和快速调温。
进一步地，还包括如下步骤：上位机模块通过显示控件、波形图控件等实现了恒温箱内温度数据的同步采集、显示和绘图。
本发明具有如下有益效果：
本发明先通过功能按键模块设定好恒温箱内的目标温度，再通过温度检测模块将恒温箱内外环境温度传输给控制器，然后由控制器对比目标温度和恒温箱内部温度并输出控制信号，控制驱动电路模块将控制器输出的数字量信号转换为模拟量信号从而驱动加热装置和半导体制冷装置对恒温箱进行调温，实现了恒温箱内部精准和快速调温。
本发明采用Arduino Uno单片机，价格相对比较便宜而且编程有容易实现，作为整个温控系统的控制核心，具有能够输出不同占空比PWM的IO口，第二传感器对恒温箱内的温度进行实时检测，Arduino单片机根据输入的目标温度与反馈的恒温箱内的温度信号的偏差进行PID计算，通过PID算法调节Arduino单片机IO口输出的不同占空比的PWM，将其作为驱动电路模块的输入信号，即使温差达到较小值时也能够运用PID算法进行控温调节，而且运用PID算法不断调整驱动电路的输出功率，形成一个闭环的反馈调节过程，从而实现精准和快速调温。
本发明的第一温度传感器用于检测外部环境温度，外部环境温度可以作为设定目标温度的参考值，避免在超低温或者超高温环境下使用恒温箱而导致温控失灵或元器件损坏。
利用Arduino Uno单片机向驱动电路模块发出信号，从而驱动半导体制冷装置和和加热装置对恒温箱内部进行制冷或加热，能够实现再小空间范围内恒温控制。半导体制冷装置的核心部件是散热片、导冷块、制冷片和风扇，利用帕尔贴效应实现制冷，更加绿色环保。加热装置的核心部件是高温陶瓷加热片，制造成本低、结构简单、升温速率快且温度补偿快。
通过六合一多功能串口通信模块将Arduino Uno单片机与外部的上位机模块连接，一方面简化了整个系统数据传输的流程，另一方面也简化了电路从而节省了PCB开发资源；实现了温度数据的同步采集、显示和绘图，保证了系统的安全性和稳定性。
附图说明
图1：本发明的硬件框图；
图2：本发明的结构示意图；
图3：本发明的内部结构示意图；
图中：1、控制器；2、串口通信模块、3、降压模块；4、驱动电路模块；5、显示模块；6、第一温度传感器；7、功能按键模块；8、第二温度传感器；9、加热装置；10、半导体制冷装置。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体内容做进一步详细解释说明，但不作为对本发明的限定。
如图1-图3所示，一种快速恒温微型控制箱，包括加热装置9、半导体制冷装置10和控制器1，以及分别与控制器1连接的降压模块3、驱动电路模块4、OLED显示模块5、温度检测模块、功能按键模块7和串口通信模块2；
所述降压模块3和驱动电路模块4分别与外部的电源模块连接，降压模块3是多路DC-DC电压转换模块电源，其用于调节电源模块输出的电压值进而为控制器1提供电源；
所述温度检测模块用于检测恒温箱内部和外部的环境温度并将信息输送给控制器1，温度检测模块包括两个DTN22温度传感器，其中第一温度传感器6设置在恒温箱的外部用于检测箱外的温度，第二传感器8设置在恒温箱的内部用于检测箱内的实时温度；
所述OLED显示模块5和功能按键模块7构成人机交互通道，功能按键模块7用于设置目标温度，显示模块5用于显示恒温箱内的当前温度和目标温度；
优选的，所述控制器1是Arduino Uno单片机，将第二传感器8采集的温度信息与目标温度进行对比，运用PID算法不断调整驱动电路模块的输出功率，形成一个闭环反馈调节。
所述加热装置9包括高温陶瓷加热片，加热装置9固定设置在恒温箱内部且与驱动电路模块4连接，驱动电路模块4将Arduino Uno单片机IO口输出的不同占空比的PWM作为驱动电路模块4的输入信号，然后驱动电路模块4将该数字量信号转换为模拟量信号从而驱动加热装置9以不同的功率对恒温箱进行加热；
所述半导体制冷装置10包括散热片、导冷块、制冷片和风扇，风扇和热端散热片设在恒温箱外部用于防止热端的热量传入恒温箱内部从而影响制冷效果，其余部件固定安装在恒温箱内部，半导体制冷装置10与驱动电路模块4连接，驱动电路模块4将Arduino Uno单片机IO口输出的不同占空比的PWM作为驱动电路模块4的输入信号，驱动电路模块4将数字量信号转换为模拟量信号从而驱动半导体制冷装置10以不同的功率对恒温箱进行调温，半导体制冷装置10应用帕尔贴效应实现制冷。
优选的，所述控制器1通过串口通信模块2与外部的上位机模块连接，上位机模块用于温度数据的同步采集、显示和绘图，保证了系统的安全性和稳定性。
优选的，所述串口通信模块2是六合一多功能串口通信模块从而将串口的TTL电平经过六合一串口通信模块转换为能被USB识别的电平信号然后传输给上位机，从而实现Arduino Uno单片机与上位机模块通信。
一种快速恒温微型控制箱的温控方法，包括如下步骤：当设定目标温度值低于恒温箱的内部的环境温度时，Ardunio Uno单片机输出数字量信号，驱动电路模块4将数字量信号转换为模拟量信号并导通从而驱动半导体制冷装置10对恒温箱内空间进行降温，直至温度降至目标温度值，自动断开半导体制冷装置10；当设定的目标温度值高于恒温箱内部的环境温度时，Ardunio Uno单片机输出数字量信号，驱动电路模块4将数字信号转换为模拟量信号并导通从而驱动加热装置9对恒温箱内部空间进行加热，直至温度升高至目标温度值，自动断开加热装置9；如此反复循环，从而实现恒温箱内部的精准和快速调温；
优选的，还包括如下步骤：上位机模块通过显示控件、波形图控件等实现了恒温箱内温度数据的同步采集、显示和绘图。
Claims (10)
1.一种快速恒温微型控制箱，其特征在于，包括加热装置(9)、半导体制冷装置(10)和控制器(1)，以及分别与控制器(1)连接的降压模块(3)、驱动电路模块(4)、显示模块(5)、温度检测模块和功能按键模块(7)；
所述降压模块(3)和驱动电路模块(4)分别与外部的电源模块连接，降压模块(3)用于调节电源模块输出的电压值进而为控制器(1)提供电源；
所述功能按键模块(7)用于设置目标温度，温度检测模块用于检测恒温箱内部和外部的环境温度并将信息输送给控制器(1)，显示模块(5)用于显示恒温箱内的当前温度和目标温度；
所述加热装置(9)和半导体制冷装置(10)均设在恒温箱内部并分别与驱动电路模块(4)连接，驱动电路模块(4)用于将控制器(1)输出的数字量信号转换为模拟量信号从而驱动加热装置(9)和半导体制冷装置(10)对恒温箱进行调温。
2.根据权利要求1所述的快速恒温微型控制箱，其特征在于，所述控制器(1)是ArduinoUno单片机。
3.根据权利要求2所述的快速恒温微型控制箱，其特征在于，还包括串口通信模块(2)，控制器(1)通过串口通信模块(2)与外部的上位机模块连接，上位机模块用于温度数据的同步采集、显示和绘图。
4.根据权利要求3所述的快速恒温微型控制箱，其特征在于，所述串口通信模块(2)是六合一多功能串口通信模块从而将串口的TTL电平转换为能被USB识别的电平信号从而实现Arduino Uno单片机与上位机模块通信。
5.根据权利要求1-4任一项所述的快速恒温微型控制箱，其特征在于，所述温度检测模块包括分别安装在恒温箱外部和内部的第一温度传感器(6)和第二传感器(8)。
6.根据权利要求1-4任一项所述的快速恒温微型控制箱，其特征在于，所述降压模块(3)为多路DC-DC电压转换模块电源。
7.根据权利要求1-4任一项所述的快速恒温微型控制箱，其特征在于，所述半导体制冷装置(10)包括散热片、导冷块、制冷片和风扇；
所述风扇和热端散热片设在恒温箱外部用于防止热端的热量传入恒温箱内部。
8.根据权利要求1-4任一项所述的快速恒温微型控制箱，其特征在于，所述加热装置(9)包括高温陶瓷加热片。
9.一种快速恒温微型控制箱的温控方法，其特征在于，包括如下步骤：当设定目标温度值低于恒温箱的内部的环境温度时，Ardunio Uno单片机输出数字量信号，驱动电路模块(4)将数字量信号转换为模拟量信号并导通从而驱动半导体制冷装置(10)对恒温箱内空间进行降温，直至温度降至目标温度值，自动断开半导体制冷装置(10)；当设定的目标温度值高于恒温箱内部的环境温度时，Ardunio Uno单片机输出数字量信号，驱动电路模块(4)将数字信号转换为模拟量信号并导通从而驱动加热装置(9)对恒温箱内部空间进行加热，直至温度升高至目标温度值，自动断开加热装置9；如此反复循环，从而实现恒温箱内部的精准和快速调温。
10.根据权利要求9所述的快速恒温微型控制箱的温控方法，其特征在于，还包括如下步骤：上位机模块通过显示控件、波形图控件等实现了恒温箱内温度数据的同步采集、显示和绘图。
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