食品保鮮箱溫度控制系統設計

文/張德錢 曾仕峰

1 引言

隨著社會經濟的快速發展和人們生活水平的不斷提高，使得人們對食物保鮮的要求越來越高，保鮮食物可以從控制溫度、殺菌消毒、高壓等方面入手，而調節溫度是一種效益高、可行性好的方法。低溫保存可以抑制生物繁殖,減緩食物的腐壞速度,但并不能完全殺死微生物。電冰箱和冷藏庫是當前家庭食物保鮮的主要工具。各種食物儲存在速凍層或冷凍層，通過低溫進行食品保鮮。但由于每種食物的適宜保存溫度是不一樣的，單一溫度保鮮或保存多種食物會使得某些食物的保質期大打折扣，口感也會下降。因此，設計一種高精度、快響應并能同時處理多個隔箱溫度的食品保鮮箱是非常有意義的。

本文提出一種新的食品保鮮箱系統的控制方案。將保鮮箱分成多個隔箱，每個隔箱根據預設的目標溫度值，采用增量式PID 進行食品保鮮溫度調節控制。

2 系統硬件結構分析

控制系統主要有STM32 單片機系統和保鮮隔箱構成。每個保鮮隔箱包含溫度調節器和溫度采集器。主要硬件結構圖如圖1所示。

2.1 單片機系統

系統選用STM32 單片機系列中的STM32F103C8T6 器件為核心。工作頻率高達72MHz，可以快速的進行數據運算和處理，高效支撐多目標的PID 算法運行控制。同時，使用配套的FreeRTOS 操作系統內核，實現多節點的保鮮隔箱溫度控制。

2.2 溫度檢測

系統的溫度檢測電路如圖2所示，由STM32 微處理器的單個IO 口上串接多個DS18B20 聯網組成，實現多點測溫。DS18B20 是單總線溫度傳感器，每個芯片固化了唯一的48 位系列號，可作為多點組網測溫時各個隔箱的地址碼。DS18B20 的測溫范圍-55℃～+125℃，測溫精度可達±0.5℃。

2.3 溫控調節控制電路

保鮮箱的溫度調節控制電路如圖3所示，主要有光電隔離器和雙向晶閘管構成。MOC3041 是自帶過零檢測器的光電耦合器，可在PWM 脈沖的控制下，輸出觸發脈沖到晶閘管T1的控制極，實現溫度調節器的啟動和停止。PWM 為低電平時，MOC3041 引腳4 和6 之間電壓過零之后，輸出觸發脈沖啟動晶閘管T1，溫度調節器有電流通過，進行調溫控制。反正，PWM 為高電平時，MOC3041內部發光管截止，無觸發脈沖從引腳4 輸出，晶閘管T1斷開，溫度調節器不工作。

3 增量式PID算法

為解決傳統的溫度調節控制算法引起的超調、積分飽和現象，系統采用增量式PID 算法。其表達式如式（1）所示。

其中Kp、Ki和Kd分別為增量式PID 算法的比例放大系數、積分時間系數和微分時間系數；e(t)=T(t)-T0為當前時刻t 的溫度與目標溫度的偏差。PID 算法的結構圖如圖4所示，目標溫度T0 與保鮮盒當前溫度T（t）作為入口參數送入增量式PID 算法，由增量式PID 控制算法算出當前單片機輸出的PWM 的增量，調節保鮮盒溫度。

4 軟件設計

主要控制流程圖如圖5所示。系統上電后，初始化FreeRTOS 與DS18B20。接著，判斷系統按鍵是否按下。如果有按鍵，則進行系統的系統參數設置。接著，進行各個保鮮隔離箱的溫度采集并顯示。PID 算法計算輸出相應的PWM 脈沖寬度，控制保鮮隔離箱的溫度調節器。

5 結束語

提出了多點溫度采集控制的食品保鮮溫度控制系統方案，并進行了仿真測試與分析。測試結果表明，系統食物保鮮控制溫度范圍可在-20℃至50℃之間調節，控制精度為±0.3℃。系統具有保鮮溫度控制節點多、溫度控制精度高、響應速度快等技術特點，在食品保鮮領域具有一定的參考價值。

圖1：系統結構圖

圖2：保鮮隔箱溫度檢測電路

圖3：溫度調節電路圖

圖4：增量式PID 算法控制結構圖

圖5：保鮮溫度控制流程圖