《電子技術應用》
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一種低波動的可程控恒溫箱控制系統(tǒng)設計
2023年電子技術應用第4期
柴恒1，2，武杰1，2，伍航1，2，戚勝宇1，2，馬鈺博1，2
（1.中國科學技術大學 近代物理系， 安徽 合肥 230026； 2.中國科學技術大學 核探測技術與核電子學國家重點實驗室， 安徽 合肥 230026）
摘要： 恒溫箱在人們的生產(chǎn)生活和科學研究中有重要作用，如溫補晶振參數(shù)的測量和補償?shù)?。設計并實現(xiàn)了一種低波動的可程控輕便型恒溫箱控制系統(tǒng)。恒溫箱采用動態(tài)調整工作電壓的方式來控制陶瓷加熱片或半導體制冷片的功率，從而實現(xiàn)溫度的恒定控制。該恒溫箱具有溫度波動小、支持溫度曲線程控、小型輕便的優(yōu)點。經(jīng)測試，本設計實現(xiàn)的恒溫箱控溫范圍為-15 ℃~80 ℃，穩(wěn)定時溫度波動度為±0.2 ℃。另外，相比于采用脈寬調制控制方法的恒溫箱，該恒溫箱有更低的系統(tǒng)電磁輻射和更高的制冷效率，在同樣電源輸入功率的條件下，可以使溫度進一步降低12.9 ℃。
中圖分類號：TP273
文獻標志碼：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223352
中文引用格式： 柴恒，武杰，伍航，等. 一種低波動的可程控恒溫箱控制系統(tǒng)設計[J]. 電子技術應用，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

恒溫箱在許多與我們生活密切相關的領域都發(fā)揮著重要的作用，如家電、工業(yè)、醫(yī)藥等。隨著社會的發(fā)展，越來越多具備高精度控溫、大范圍調溫的恒溫箱被研制出來用于各種用途，如溫補晶振參數(shù)的測量和補償就需要用到小型恒溫箱來提供溫度環(huán)境。

這類恒溫箱主要有以下需求：（1）為了讓被測物在測量中盡量不受溫度變化的影響，控溫穩(wěn)定時的溫度波動度應小于±0.2 ℃；（2）需要具備可程控功能，方便用戶對溫度曲線進行編程。經(jīng)過調研，許多市面上成熟的恒溫箱產(chǎn)品其溫度波動度大都為±0.5 ℃以上，很難滿足要求。

溫度控制系統(tǒng)需要控制加熱或制冷設備的輸出量，使之與系統(tǒng)的散熱量或散冷量相當，進入熱平衡狀態(tài)，從而達到控溫的目的，其中的難點在于對溫度波動度的控制。在溫控系統(tǒng)的設計中，可以采用PWM（Pulse Width Modulation）模式來調節(jié)加熱或制冷設備的工作時長，從而控制這些設備的平均功率，也可以使用DAC（Digital to Analog Converter）模塊并采用動態(tài)調整電壓的方式來控制這些設備的輸出功率。文獻中的溫度控制系統(tǒng)大多采用PWM模式來驅動加熱或制冷設備，例如，文獻[4]中吳蒙娜設計了一種粒子加速器溫度控制系統(tǒng)，通過單片機輸出不同占空比的PWM波，并采用H橋驅動電路來雙向驅動制冷片，從而實現(xiàn)了±0.2 ℃的控溫精度；文獻[5]中McDowell等人設計了一種用于植物生長試驗的溫度控制器，通過Arduino Nano開發(fā)板輸出PWM模式，在大電流范圍內對加熱器和空調進行控制，實現(xiàn)了±0.3 ℃的控溫精度。




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作者信息：

柴恒1，2，武杰1，2，伍航1，2，戚勝宇1，2，馬鈺博1，2

（1.中國科學技術大學 近代物理系， 安徽 合肥 230026；
2.中國科學技術大學 核探測技術與核電子學國家重點實驗室， 安徽 合肥 230026）


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