本发明公开了一种水冷式半导体制冷果蔬保鲜箱变频控制系统，以ARM为控制芯片，包括有温度传感器变送电路、相对湿度传感器驱动电路、半导体制冷片控制电路、散热风机控制电路、制冷风机控制电路、水泵控制电路、显示屏驱动电路、提示电路、按键控制电路、电源转换电路，实现控制系统触屏控制、控温对象选择、制冷片PID控制、水泵PID控制、散热风机分级控制、冷端风机分级控制、箱内温度场检测控制、箱内湿度检测功能、警报功能设置。本发明克服了现有半导体制冷保鲜箱控制系统控制粗放、能耗高、温度超调大、温差大等缺点。
1.一种水冷式半导体制冷果蔬保鲜箱变频控制系统，其特征在于，以ARM为控制芯片，按照控制系统流程实现控制系统触屏控制、温控对象选择、半导体制冷片PID控制、水泵PID控制、散热风机分级控制、冷端风机分级控制、箱内温度场检测控制、箱内湿度检测功能、警报功能设置；包括有：温度传感器变送电路，用于采集保鲜箱的冷端温度、热端温度、箱内前部温度、箱内后部温度以及环境温度信号，变送为电压模拟信号，传递给ADC，实现ARM控制芯片与传感器信号采集；
相对湿度传感器驱动电路，为SHT15温湿度一体数字传感器驱动电路，用于获得箱内相对湿度信息，实现ARM控制芯片与传感器通讯；
半导体制冷片控制电路，为4路由MOS管开关组成的半导体制冷片PWM变频控制电路，用于实现半导体制冷片变频调控；
散热风机控制电路，为2路由MOS管开关组成的散热风机PWM变频控制电路，用于实现保鲜箱的散热风机风速控制；
制冷风机控制电路，为1路由MOS管开关组成的冷端风机PWM变频控制电路，用于实现保鲜箱的冷端风机风速控制；
水泵控制电路，为1路由MOS管开关组成的水泵PWM变频控制电路，用于实现保鲜箱的热端水泵流量控制；
显示屏驱动电路，为工业串口触摸控制屏驱动电路，用于实现屏幕与ARM控制芯片通信与控制；
提示电路，用于实现对提示灯与蜂鸣器控制，进而实现工作状态、警示信息提示；
按键控制电路，为3路按键驱动电路，分别实现亮屏、故障音消除、复位功能；
其中，所述控制系统流程为开始程序后创建新线程，进入ADC线程获取温度信息，各部件工况；进入温度控制线程，控制执行机构，调控温度；进入串口发送线程，与串口屏进行信息交换；将数据压入发型列表线程；进入SHT湿度传感器线程，获取相对湿度信息，形成循环；
所述温度控制线程是判断控制对象为箱内温度还是冷端温度；半导体制冷片进行PID控制；水泵进行PID控制；热端温度与环境温度差进行分级，确定散热风机风速等级；去控制对象与目标温度差值分级，得出冷端分级风速等级参数；箱内前后温度差值分析，得出冷端分级风速等级参数；对比分级等级参数，选取高风速等级；根据参数控制保鲜箱的水泵、散热风机、冷端风机；
所述控制系统触摸屏控制，指控制系统设置的3个界面，分别是默认控制界面、自动控制界面、手动控制界面；所述默认控制界面，提供并显示常用果蔬贮藏参数，用户能直接在该界面选择所需贮运果蔬，系统自动运行进行保鲜；所述自动控制界面，用户能根据自己的需要选择所要控制温度，系统会自动运行控制进行保鲜，并控制在用户所需温度，界面中还能观测到箱内平均温度、环境温度、箱内相对湿度、运输总时间以及半导体制冷片、水泵、散热风机、制冷风机工作状态；所述手动控制界面能调整半导体制冷片、水泵、散热风机、冷端风机工作状态，同时界面中还能观测到箱内平均温度、环境温度、箱内相对湿度、运输总时间以及半导体制冷片、水泵、散热风机、制冷风机工作状态；
所述温控对象选择，指检测箱内温度平均值与目标温度相差大于1℃，半导体制冷片PID控制以箱内温度平均值为控制对象，当温差小于1℃，半导体制冷片PID控制以冷端温度为控制对象，从而减小由于箱内温度调控的时滞造成温度控制超调；
所述半导体制冷片PID控制，指制冷过程中，系统检测箱内温度或者冷端温度进行PID变频调控，根据控制对象与箱内温度差值，采用PID算法控制半导体制冷片供电PWM频率；
所述水泵PID控制，指制冷过程中，系统检测热端温度以及环境温度进行PID调控，根据热端温度距环境温度差值，采用PID算法控制水泵供电PWM频率；
所述散热风机分级控制，指制冷过程中，系统检测热端温度以及环境温度，进行分级调控，热端温度与环境温度差分为4级，散热风机风速分为4级，对应温度差级用对应风速；
所述冷端风机分级控制，指制冷过程中，系统检测箱内温度、冷端温度，求冷端温度差进行分级调控，冷端温度与箱内温度差分为4级，冷端风机风速分为4级，对应温度差级用对应风速；
所述箱内前后温度检测控制，指系统检测箱内前后温度，评定箱内温度场均匀性，但温差过大，温度差分为4级，冷端风机风速分为4级，对应温度差级用对应风速，前后温度检测控制与冷端风机分级控制冲突时选取高风速级；
所述箱内湿度检测功能，指检测箱内相对湿度，相对湿度通过系统界面提示，当相对湿度过低，蜂鸣器将会提示；
所述警报功能，指当系统异常或热端温度过高、箱内温度过低，系统将会通过蜂鸣器做警报。
2.根据权利要求1所述的一种水冷式半导体制冷果蔬保鲜箱变频控制系统，其特征在于：所述温度传感器变送电路，为温度传感器pt100变送电路，将保鲜箱的冷端温度传感器、热端温度传感器、箱内前部温度传感器、箱内后部温度传感器及环境温度传感器测得所在位置温度，经ADC变送，实现ARM控制芯片与传感器信号采集。
3.根据权利要求1所述的一种水冷式半导体制冷果蔬保鲜箱变频控制系统，其特征在于：所述提示电路包括LED提示灯及蜂鸣器驱动放大电路。
4.根据权利要求1所述的一种水冷式半导体制冷果蔬保鲜箱变频控制系统，其特征在于：所述电源转换电路为宽电压输入转换电路，实现将8-58V直流电压降压为保鲜箱的单片机工作所需的3.3V电压，以及ADC所需的3.3V电压，同时通过升压或降压输出12V直流电，实现保鲜箱的半导体制冷片及其它执行机构供电。
5.根据权利要求1所述的一种水冷式半导体制冷果蔬保鲜箱变频控制系统，其特征在于：所述保鲜箱由保鲜箱体、冷端风机、冷端散热片、半导体制冷片、冷端温度传感器、热端温度传感器、箱内前部温度传感器、箱内后部温度传感器、环境温度传感器、相对湿度传感器、水冷热交换头、水管、水冷散热器、散热风机、热端水泵、水箱组成。
一种水冷式半导体制冷果蔬保鲜箱变频控制系统
技术领域
[0001] 本发明涉及果蔬保鲜贮运的技术领域，尤其是指一种水冷式半导体制冷果蔬保鲜箱变频控制系统。
背景技术
[0002] 我国是果蔬贮运过程中，控制温度是最有效的方法。保鲜环境温度每升高10℃，果蔬的生理反应增长2～3倍。国内缺乏针对果蔬运输进行装备优化，同时由于冷藏会产生能耗，增加贮运成本，果蔬冷链过程中经常会发生断冷现象。国内普遍采用的开-关式的控制方法，温度控制粗放，超调量大，温度波动大，能耗高。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种制冷量可控、温度可控、温度波动小、低能耗的水冷式半导体制冷果蔬保鲜箱变频控制系统。
[0004] 为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种水冷式半导体制冷果蔬保鲜箱变频控制系统，以ARM为控制芯片，按照控制系统流程实现控制系统触屏控制、温控对象选择、半导体制冷片PID控制、水泵PID控制、散热风机分级控制、冷端风机分级控制、箱内温度场检测控制、箱内湿度检测功能、警报功能设置；包括有：
[0005] 温度传感器变送电路，用于采集保鲜箱的冷端温度、热端温度、箱内前部温度、箱内后部温度以及环境温度信号，变送为电压模拟信号，传递给ADC，实现ARM控制芯片与传感器信号采集；
[0006] 相对湿度传感器驱动电路，为SHT15温湿度一体数字传感器驱动电路，用于获得箱内相对湿度信息，实现ARM控制芯片与传感器通讯；
[0007] 半导体制冷片控制电路，为4路由MOS管开关组成的半导体制冷片PWM变频控制电路，用于实现半导体制冷片变频调控；
[0008] 散热风机控制电路，为2路由MOS管开关组成的散热风机PWM变频控制电路，用于实现保鲜箱的散热风机风速控制；
[0009] 制冷风机控制电路，为1路由MOS管开关组成的冷端风机PWM变频控制电路，用于实现保鲜箱的冷端风机风速控制；
[0010] 水泵控制电路，为1路由MOS管开关组成的水泵PWM变频控制电路，用于实现保鲜箱的热端水泵流量控制；
[0011] 显示屏驱动电路，为工业串口触摸控制屏驱动电路，用于实现屏幕与ARM控制芯片通信与控制；
[0012] 提示电路，用于实现对提示灯与蜂鸣器控制，进而实现工作状态、警示信息提示；
[0013] 按键控制电路，为三路按键驱动电路，分别实现亮屏、故障音消除、复位功能；
[0014] 电源转换电路，为ARM、ADC、执行机构供电。
[0015] 所述控制系统流程为开始程序后创建新线程，进入ADC线程获取温度信息，各部件工况；进入温度控制线程，控制执行机构，调控温度；进入串口发送线程，与串口屏进行信息交换；将数据压入发型列表线程；进入SHT湿度传感器线程，获取相对湿度信息，形成循环；
[0016] 所述温度控制线程是判断控制对象为箱内温度还是冷端温度；半导体制冷片进行PID控制；水泵进行PID控制；热端温度与环境温度差进行分级，确定散热风机风速等级；去控制对象与目标温度差值分级，得出冷端分级风速等级参数；箱内前后温度差值分析，得出冷端分级风速等级参数；对比分级等级参数，选取高风速等级；根据参数控制保鲜箱的水泵、散热风机、冷端风机；
[0017] 所述控制系统触摸屏控制，指控制系统设置的3个界面，分别是默认控制界面、自动控制界面、手动控制界面,；所述默认控制界面，提供并显示常用果蔬贮藏参数，用户能直接在该界面选择所需贮运果蔬，系统自动运行进行保鲜；所述自动控制界面，用户能根据自己的需要选择所要控制温度，系统会自动运行控制进行保鲜，并控制在用户所需温度，界面中还能观测到箱内平均温度、环境温度、箱内相对湿度、运输总时间以及半导体制冷片、水泵、散热风机、制冷风机工作状态；所述手动控制界面能调整半导体制冷片、水泵、散热风机、冷端风机工作状态，同时界面中还能观测到箱内平均温度、环境温度、箱内相对湿度、运输总时间以及半导体制冷片、水泵、散热风机、制冷风机工作状态；
[0018] 所述温控对象选择，指检测箱内温度平均值与目标温度相差大于1℃，半导体制冷片PID控制以箱内温度平均值为控制对象，当温差小于1℃，半导体制冷片PID控制以冷端温度为控制对象，从而减小由于箱内温度调控的时滞造成温度控制超调；
[0019] 所述半导体制冷片PID控制，指制冷过程中，系统检测箱内温度或者冷端温度进行PID变频调控，根据控制对象与箱内温度差值，采用PID算法控制半导体制冷片供电PWM频率；
[0020] 所述水泵PID控制，指制冷过程中，系统检测热端温度以及环境温度进行PID调控，根据热端温度距环境温度差值，采用PID算法控制水泵供电PWM频率；
[0021] 所述散热风机分级控制，指制冷过程中，系统检测热端温度以及环境温度，进行分级调控，热端温度与环境温度差分为4级，散热风机风速分为4级，对应温度差级用对应风速；
[0022] 所述冷端风机分级控制，指制冷过程中，系统检测箱内温度、冷端温度，求冷端温度差进行分级调控，冷端温度与箱内温度差分为4级，冷端风机风速分为4级，对应温度差级用对应风速；
[0023] 所述箱内前后温度检测控制，指系统检测箱内前后温度，评定箱内温度场均匀性，但温差过大，温度差分为4级，冷端风机风速分为4级，对应温度差级用对应风速，前后温度检测控制与冷端风机分级控制冲突时选取高风速级；
[0024] 所述箱内湿度检测功能，指检测箱内相对湿度，相对湿度通过系统界面提示，当相对湿度过低，蜂鸣器将会提示；
[0025] 所述警报功能，指当系统异常或热端温度过高、箱内温度过低，系统将会通过蜂鸣器做警报。
[0026] 所述温度传感器变送电路，为温度传感器pt100变送电路，将保鲜箱的冷端温度传感器、热端温度传感器、箱内前部温度传感器、箱内后部温度传感器及环境温度传感器测得所在位置温度，经ADC变送，实现ARM控制芯片与传感器信号采集。
[0027] 所述提示电路包括LED提示灯及蜂鸣器驱动放大电路。
[0028] 所述电源转换电路为宽电压输入转换电路，实现将8-58V直流电压降压为保鲜箱的单片机工作所需的3.3V电压，以及ADC所需的3.3V电压，同时通过升压或降压输出12V直流电，实现保鲜箱的半导体制冷片及其它执行机构供电。
[0029] 所述保鲜箱由保鲜箱体、冷端风机、冷端散热片、半导体制冷片、冷端温度传感器、热端温度传感器、箱内前部温度传感器、箱内后部温度传感器、环境温度传感器、相对湿度传感器、水冷热交换头、水管、水冷散热器、散热风机、热端水泵、水箱组成。
[0030] 本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0031] 1、本发明选取5个温度传感器监控冷端温度、热端温度、箱内前部温度、环境温度、箱内后部温度，提高箱体工作状态监测准确度，提高控温精确性。
[0032] 2、本发明以ARM为控制芯片，具有更高的工作速度与可拓展性能，增加保鲜箱功能，增强保鲜箱保鲜能力。
[0033] 3、本发明采用MOS管开关开关结构实现半导体制冷片、热端风机、水泵、冷端风机的变频调控。
[0034] 4、本发明用SHT15温湿度一体数字传感器，实现箱内相对湿度监控。
[0035] 5、本发明对半导体制冷片采用PID变频调控，减少系统超调，增强系统稳定性，减少能耗。
[0036] 6、本发明对散热风机以及冷端风机采取分级控制的方式，控制冷端温度以及热端温度，进一步减少系统能耗，运输经济性。
[0037] 7、本发明检测前后温差控制冷端风机，并与冷端风机分级调控，进行优先级处理，重点提高果蔬运输品质，提高果蔬商品价值。
[0038] 8、本发明具有报警功能，避免因系统异常以及零件损坏造成运输果蔬的损失。
[0039] 9、本发明温度调控分正常与微调模式，减少控制对象时滞系统的影响，提高控制准确性，减小运输箱体内温度超调。
[0040] 10、本发明采用实时系统程序，进行多线程控制，保证高效，准确。
[0041] 11、本发明采用温度控制线程确定半导体制冷片、水泵、散热风机、冷端风机的准确温度。
附图说明
[0042] 图1为水冷式半导体制冷果蔬保鲜箱的结构图。
[0043] 图2为本发明所述控制系统的结构方框图。
[0044] 图3为本发明所述控制系统的控制结构方框图。
[0045] 图4a为本发明所述默认控制界面图。
[0046] 图4b为本发明所述自动控制界面图。
[0047] 图4c为本发明所述手动控制界面图。
[0048] 图5为本发明所述控制系统的控制流程图。
[0049] 图6为本发明所述控制系统的温度控制进程流程图。
具体实施方式
[0050] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0051] 本实施例所述的变频控制系统，控制对象是采用水冷散热的半导体制冷果蔬保鲜箱，所述保鲜箱由保鲜箱体1、冷端风机2、冷端散热片3、半导体制冷片4、冷端温度传感器5、热端温度传感器(图中未画出)、箱内前部温度传感器6、箱内后部温度传感器7、环境温度传感器8、相对湿度传感器9、水冷热交换头10、水管11、水冷散热器12、散热风机13、热端水泵14、水箱15组成，如图1所示。
[0052] 如图2至图6所示，所述的水冷式半导体制冷果蔬保鲜箱变频控制系统，以ARM为控制芯片，按照控制系统流程实现控制系统触屏控制、温控对象选择、半导体制冷片PID控制、水泵PID控制、散热风机分级控制、冷端风机分级控制、箱内温度场检测控制、箱内湿度检测功能、警报功能设置；其包括有：
[0053] 温度传感器变送电路，为温度传感器pt100变送电路，用于采集保鲜箱的冷端温度、热端温度、箱内前部温度、箱内后部温度以及环境温度，将保鲜箱的冷端温度传感器、热端温度传感器、箱内前部温度传感器、箱内后部温度传感器及环境温度传感器测得所在位置温度信号，变送为电压模拟信号，传递给ADC，实现ARM控制芯片与传感器信号采集；
[0054] 相对湿度传感器驱动电路，为SHT15温湿度一体数字传感器驱动电路，用于获得箱内相对湿度信息，实现ARM控制芯片与传感器通讯；
[0055] 半导体制冷片控制电路，为4路由MOS管开关组成的半导体制冷片PWM变频控制电路，用于实现半导体制冷片变频调控；
[0056] 散热风机控制电路，为2路由MOS管开关组成的散热风机PWM变频控制电路，用于实现保鲜箱的散热风机风速控制；
[0057] 制冷风机控制电路，为1路由MOS管开关组成的冷端风机PWM变频控制电路，用于实现保鲜箱的冷端风机风速控制；
[0058] 水泵控制电路，为1路由MOS管开关组成的水泵PWM变频控制电路，用于实现保鲜箱的热端水泵流量控制；
[0059] 显示屏驱动电路，为工业串口触摸控制屏驱动电路，用于实现屏幕与ARM控制芯片通信与控制；
[0060] 提示电路，包括LED提示灯及蜂鸣器驱动放大电路，用于实现对提示灯与蜂鸣器控制，进而实现工作状态、警示信息提示；
[0061] 按键控制电路，为3路按键驱动电路，分别实现亮屏、故障音消除、复位功能；
[0062] 电源转换电路，为宽电压输入转换电路，实现将8-58V直流电压降压为保鲜箱的单片机工作所需的3.3V电压，以及ADC所需的3.3V电压，同时通过升压或降压输出12V直流电，实现保鲜箱的半导体制冷片及其它执行机构供电。
[0063] 所述控制系统流程为开始程序后创建新线程，进入ADC线程获取温度信息，各部件工况；进入温度控制线程，控制执行机构，调控温度；进入串口发送线程，与串口屏进行信息交换；将数据压入发型列表线程；进入SHT湿度传感器线程，获取相对湿度信息，形成循环。
[0064] 所述温度控制线程是判断控制对象为箱内温度还是冷端温度；半导体制冷片进行PID控制；水泵进行PID控制；热端温度与环境温度差进行分级，确定散热风机风速等级；去控制对象与目标温度差值分级，得出冷端分级风速等级参数；箱内前后温度差值分析，得出冷端分级风速等级参数；对比分级等级参数，选取高风速等级；根据参数控制保鲜箱的水泵、散热风机、冷端风机。
[0065] 所述控制系统触摸屏控制，指控制系统设置的3个界面，分别是默认控制界面、自动控制界面、手动控制界面，如图4a至图4c所示；所述默认控制界面，提供并显示常用果蔬贮藏参数，用户能直接在该界面选择所需贮运果蔬，系统自动运行进行保鲜；所述自动控制界面，用户能根据自己的需要选择所要控制温度，系统会自动运行控制进行保鲜，并控制在用户所需温度，界面中还能观测到箱内平均温度、环境温度、箱内相对湿度、运输总时间以及半导体制冷片、水泵、散热风机、冷端风机工作状态；所述手动控制界面能调整半导体制冷片、水泵、散热风机、冷端风机工作状态，同时界面中还能观测到箱内平均温度、环境温度、箱内相对湿度、运输总时间以及半导体制冷片、水泵、散热风机、冷端风机工作状态。
[0066] 所述温控对象选择，指检测箱内温度平均值与目标温度相差大于1℃，半导体制冷片PID控制以箱内温度平均值为控制对象，当温差小于1℃，半导体制冷片PID控制以冷端温度为控制对象，从而减小由于箱内温度调控的时滞造成温度控制超调。
[0067] 所述半导体制冷片PID控制，指制冷过程中，系统检测箱内温度或者冷端温度进行PID变频调控，控制半导体制冷片供电占空比，根据控制对象与箱内温度差值，采用PID算法控制半导体制冷片供电PWM频率。减少系统超调，增强系统稳定性，减少能耗。
[0068] 所述水泵PID控制，指制冷过程中，系统检测热端温度以及环境温度进行PID调控，根据热端温度距环境温度差值，采用PID算法控制水泵供电PWM频率。
[0069] 所述散热风机分级控制，指制冷过程中，系统检测热端温度以及环境温度，进行分级调控，热端温度与环境温度差分为4级，散热风机风速分为4级，对应温度差级用对应风速。
[0070] 所述冷端风机分级控制，指制冷过程中，系统检测箱内温度、冷端温度，求冷端温度差进行分级调控，冷端温度与箱内温度差分为4级，冷端风机风速分为4级，对应温度差级用对应风速。
[0071] 所述箱内前后温度检测控制，指系统检测箱内前后温度，评定箱内温度场均匀性，但温差过大，温度差分为4级，冷端风机风速分为4级，对应温度差级用对应风速，前后温度检测控制与冷端风机分级控制冲突时选取较高风速级。
[0072] 所述箱内湿度检测功能，指检测箱内相对湿度，相对湿度通过系统界面提示，当相对湿度过低，蜂鸣器将会提示。
[0073] 所述警报功能，指当系统异常或热端温度过高、箱内温度过低，系统将会通过蜂鸣器做警报。
[0074] 综上所述，本发明克服了现有半导体制冷保鲜箱控制系统控制粗放、能耗高、温度超调大、温差大等缺点。根据保鲜箱需要进行优化，通过多路温度传感器，以及PWM控制电路实现了半导体制冷片、水泵PID控制，风机风速控制，控制对象选择，前后温差调整等功能；提高了控制系统智能化程度，提高了保鲜箱工作效率，减少能耗，提高温度场调控，保证果蔬品质，适用于各种果蔬保鲜贮运，值得推广。
[0075] 以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
