《电子技术应用》
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一种低波动的可程控恒温箱控制系统设计
2023年电子技术应用第4期
柴恒1,2,武杰1,2,伍航1,2,戚胜宇1,2,马钰博1,2
(1.中国科学技术大学 近代物理系, 安徽 合肥 230026; 2.中国科学技术大学 核探测技术与核电子学国家重点实验室, 安徽 合肥 230026)
摘要: 恒温箱在人们的生产生活和科学研究中有重要作用,如温补晶振参数的测量和补偿等。设计并实现了一种低波动的可程控轻便型恒温箱控制系统。恒温箱采用动态调整工作电压的方式来控制陶瓷加热片或半导体制冷片的功率,从而实现温度的恒定控制。该恒温箱具有温度波动小、支持温度曲线程控、小型轻便的优点。经测试,本设计实现的恒温箱控温范围为-15 ℃~80 ℃,稳定时温度波动度为±0.2 ℃。另外,相比于采用脉宽调制控制方法的恒温箱,该恒温箱有更低的系统电磁辐射和更高的制冷效率,在同样电源输入功率的条件下,可以使温度进一步降低12.9 ℃。
中图分类号:TP273
文献标志码:A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223352
中文引用格式: 柴恒,武杰,伍航,等. 一种低波动的可程控恒温箱控制系统设计[J]. 电子技术应用,2023,49(4):63-67.
英文引用格式: Chai Heng,Wu Jie,Wu Hang,et al. Design of a low-fluctuation software-controlled portable thermostat control system[J]. Application of Electronic Technique,2023,49(4):63-67.
Design of a low-fluctuation software-controlled portable thermostat control system
Chai Heng1,2,Wu Jie1,2,Wu Hang1,2,Qi Shengyu1,2,Ma Yubo1,2
(1.Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China; 2.State Key Laboratory of Particle Detection & Electronics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)
Abstract: Thermostat plays an important role in people′s production, life and scientific research, such as the measurement and compensation of temperature compensated crystal oscillator parameters. This paper designs and implements a software-controlled portable thermostat control system with low fluctuation. This thermostat uses a method to control the power of ceramic heating chip or semiconductor refrigeration chip by dynamically adjusting the working voltage, so as to realize the constant control of temperature. This thermostat has advantages of low temperature fluctuation, supporting temperature curve software control, small and portable. After testing, the temperature control range of the thermostat realized in this design is from -15 ℃ to 80 ℃, and the temperature fluctuation in stable state is ±0.2 ℃. In addition, compared with the thermostat using pulse width modulation control method, this thermostat has lower system electromagnetic radiation and higher refrigeration efficiency. Under the same power input condition, the temperature can be further reduced by 12.9 ℃.
Key words : thermostat;temperature control;high efficiency;low fluctuation

0 引言

恒温箱在许多与我们生活密切相关的领域都发挥着重要的作用,如家电、工业、医药等。随着社会的发展,越来越多具备高精度控温、大范围调温的恒温箱被研制出来用于各种用途,如温补晶振参数的测量和补偿就需要用到小型恒温箱来提供温度环境。

这类恒温箱主要有以下需求:(1)为了让被测物在测量中尽量不受温度变化的影响,控温稳定时的温度波动度应小于±0.2 ℃;(2)需要具备可程控功能,方便用户对温度曲线进行编程。经过调研,许多市面上成熟的恒温箱产品其温度波动度大都为±0.5 ℃以上,很难满足要求。

温度控制系统需要控制加热或制冷设备的输出量,使之与系统的散热量或散冷量相当,进入热平衡状态,从而达到控温的目的,其中的难点在于对温度波动度的控制。在温控系统的设计中,可以采用PWM(Pulse Width Modulation)模式来调节加热或制冷设备的工作时长,从而控制这些设备的平均功率,也可以使用DAC(Digital to Analog Converter)模块并采用动态调整电压的方式来控制这些设备的输出功率。文献中的温度控制系统大多采用PWM模式来驱动加热或制冷设备,例如,文献[4]中吴蒙娜设计了一种粒子加速器温度控制系统,通过单片机输出不同占空比的PWM波,并采用H桥驱动电路来双向驱动制冷片,从而实现了±0.2 ℃的控温精度;文献[5]中McDowell等人设计了一种用于植物生长试验的温度控制器,通过Arduino Nano开发板输出PWM模式,在大电流范围内对加热器和空调进行控制,实现了±0.3 ℃的控温精度。




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作者信息:

柴恒1,2,武杰1,2,伍航1,2,戚胜宇1,2,马钰博1,2

(1.中国科学技术大学 近代物理系, 安徽 合肥 230026;
2.中国科学技术大学 核探测技术与核电子学国家重点实验室, 安徽 合肥 230026)


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