一种片仓环境温湿度调节方法

摘要

本发明公开了一种片仓环境温湿度调节系统，包含：中央控制单元；温湿度传感器，与所述中央控制单元通过控制回路连接；制冷片，与所述中央控制单元连接，且所述制冷片位于片仓内；温度传感器，设置在所述制冷片的接触面上，与所述中央控制单元连接；上位机，通过串口通信模块与所述中央控制单元连接；水冷水泵；供电电源，分别连接所述中央控制单元及水冷水泵。本发明还公开了及一种片仓环境温湿度调节方法。本发明能够有效调节片仓内环境温湿度，使其控制在湿度＜40％，温度＜30℃范围内，为试剂片提供适宜储存环境，保证试剂片的活性。

权利要求

1.一种片仓环境温湿度调节方法，其特征在于，包含以下步骤：S1、实时采集片仓环境温湿度及转盘温度；

S2、当片仓环境湿度大于等于目标湿度且小于告警湿度时，向制冷片输出制冷信号；

S3、实时采集制冷片接触面的温度，并将制冷片接触面的温度数据传输至中央控制单元；

S4、判断转盘温度是否大于告警温度；

S4 .1、若是，则输出报警信号；

S4 .4、若否，则执行步骤S5；

S5、判断制冷片接触面的温度是否大于等于第一预设值；

S5 .1、若是，则向制冷片输出100％占空比启动信号；

S5 .2、若否，则执行步骤S6；

S6、判断制冷片接触面的温度是否大于等于第二预设值且小于第一预设值；

S6 .1、若是，则向制冷片输出防结霜控制信号；

S6 .2、若否，则则执行步骤S7；

S7、判断制冷片接触面的温度是否大于等于第三预设值且小于第二预设值；

S7 .1、若是，则向制冷片输出除霜控制信号；

S7 .2、若否，则向制冷片输出停止运转信号。

2.如权利要求1所述的片仓环境温湿度调节方法，其特征在于，所述的步骤S2中还包含当片仓环境温度小于目标温度时，向加热片输出启动信号，加热片启动加热。

3.如权利要求1或2所述的片仓环境温湿度调节方法，其特征在于，所述的步骤S2中还包含向拌匀风扇输出启动信号，拌匀风扇启动拌匀片仓内空气，以使片仓内各处温度均匀。

4.如权利要求1所述的片仓环境温湿度调节方法，其特征在于，所述的步骤S2中还包含当片仓环境湿度大于等于告警湿度时，输出报警信号。

5.如权利要求2所述的片仓环境温湿度调节方法，其特征在于，所述的目标湿度为38％RH，目标温度为10℃，告警湿度为45％RH，告警温度为35℃。

6.如权利要求1所述的片仓环境温湿度调节方法，其特征在于，所述的第一预设值为4℃、第二预设值为0℃、第三预设值为-4℃。

说明书

一种片仓环境温湿度调节方法

技术领域

[0001] 本发明涉及温湿度调节技术领域，具体涉及一种片仓环境温湿度调节系统及其调节方法。

背景技术

[0002] 为了保证试剂片的活性，需要为试剂片提供适宜的存储环境，使试剂片的片仓控制在合适的温度及湿度范围内。现有技术中，制冷片与片仓分离，除湿效果不佳，并且使用的是U型制冷片组件，将除湿后气体压送至片仓，由于鼓风机送气压力不足，及U型制冷片组件制冷接触面太小，除湿效果不佳。

[0003] 现有技术中，对制冷片的控制采用继电器方式，无法实现PWM波控制，继电器控制制冷片，由于继电器动作时间长(10ms左右)，无法实现制冷片的PWM占空比精确控制。再者，现有技术中，制冷片产生的水难以及时排除片仓，导致湿度难以下降到很低点。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种片仓环境温湿度调节系统及其调节方法，能够有效调节片仓内环境温湿度，使其控制在湿度<40％，温度<30℃范围内，为试剂片提供适宜储存环境，保证试剂片的活性。

[0005] 为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种片仓环境温湿度调节系统，其特点是，包含：

[0006] 中央控制单元；

[0007] 温湿度传感器，与所述中央控制单元通过控制回路连接；

[0008] 制冷片，与所述中央控制单元连接，且所述制冷片位于片仓内；

[0009] 温度传感器，设置在所述制冷片的接触面上，与所述中央控制单元连接；

[0010] 上位机，通过串口通信模块与所述中央控制单元连接；

[0011] 水冷水泵；

[0012] 供电电源，分别连接所述中央控制单元及水冷水泵。

[0013] 所述的片仓环境温湿度调节系统还包含一加热片，所述加热片与中央控制单元通过控制回路连接。

[0014] 所述的片仓环境温湿度调节系统还包含一拌匀风扇，所述拌匀风扇设置在片仓的一侧，所述拌匀风扇与所述中央控制单元通过控制回路连接。

[0015] 所述的片仓环境温湿度调节系统还包含一吸水组件，分别与所述制冷片组件及加热片连接。

[0016] 一种片仓环境温湿度调节方法，其特点是，包含以下步骤：

[0017] S1、实时采集片仓环境温湿度及转盘温度；

[0018] S2、当片仓环境湿度大于等于目标湿度且小于告警湿度时，向制冷片输出制冷信号；

[0019] S3、实时采集制冷片接触面的温度，并将制冷片接触面的温度数据传输至中央控制单元；

[0020] S4、判断转盘温度是否大于告警温度；

[0021] S4.1、若是，则输出报警信号；

[0022] S4.4、若否，则执行步骤S5；

[0023] S5、判断制冷片接触面的温度是否大于等于第一预设值；

[0024] S5.1、若是，则向制冷片输出100％占空比启动信号；

[0025] S5.2、若否，则执行步骤S6；

[0026] S6、判断制冷片接触面的温度是否大于等于第二预设值且小于第一预设值；

[0027] S6.1、若是，则向制冷片输出防结霜控制信号；

[0028] S6.2、若否，则则执行步骤S7；

[0029] S7、判断制冷片接触面的温度是否大于等于第三预设值且小于第二预设值；

[0030] S7.1、若是，则向制冷片输出除霜控制信号；

[0031] S7.2、若否，则向制冷片输出停止运转信号。

[0032] 所述的步骤S2中还包含当片仓环境温度小于目标温度时，向加热片输出启动信号，加热片启动加热。

[0033] 所述的步骤S2中还包含向拌匀风扇输出启动信号，拌匀风扇启动拌匀片仓内空气，以使片仓内各处温度均匀。

[0034] 所述的步骤S2中还包含当片仓环境湿度大于等于告警湿度时，输出报警信号。

[0035] 所述的步骤S2中目标湿度为38％RH，目标温度为10℃，告警湿度为45％RH，告警温度为35℃。

[0036] 所述的第一预设值为4℃、第二预设值为0℃、第三预设值为-4℃。

[0037] 本发明一种片仓环境温湿度调节系统及其调节方法与现有技术相比具有以下优点：制冷片组件设置在片仓内，增大除湿接触面，制冷除湿效果好，并且免去布置送气管道的麻烦；使用内阻小的MOS管控制制冷片电源，能实现PWM控制，且发热量小；设有吸水组件能有效排除制冷片产生的水；控制回路中使用光电耦合器进行控制，将控制端与大电流负载端隔离，抗干扰能力强；控制回路中使用内阻极小的MOS管IRF3205，发热量极小；控制回路中通过跳线组合，能实现输出端2个负载的串联并联切换。

附图说明

[0038] 图1为本发明一种片仓环境温湿度调节系统的整体结构框图；

[0039] 图2为本发明一种片仓环境温湿度调节方法的示意图；

[0040] 图3为实施例效果图。

具体实施方式

[0041] 以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

[0042] 如图1所示，一种片仓环境温湿度调节系统，包含：中央控制单元101(主控MCU)；温湿度传感器102(温湿度传感器的型号为SHT11)，与所述中央控制单元101通过控制回路连接；制冷片103(制冷片组件的型号为一冷科技60W)，与所述中央控制单元101连接，且所述制冷片103位于片仓内；温度传感器104(温度传感器的型号为DS18B20)，设置在所述制冷片103的接触面上，与所述中央控制单元101连接；上位机105，通过串口通信模块106与所述中央控制单元101连接，中央控制单元101与上位机105的 通信使用RS-232串行接口，上报温湿度值；水冷水泵107；供电电源108，分别连接所述中央控制单元101及水冷水泵107。

[0043] 使试剂片的片仓控制在合适的温度及湿度范围内，其除湿的原理是通过制冷装置降温，使空气中水蒸气液化，冰水混合物的温度为0℃，空气中的水分子在0℃时会从气化状态转变为液化状态，在制冷片上凝结成水珠，将凝结成的液化水排出，减少空气中的水分子，达到除湿效果。

[0044] 在设备启动时，制冷片温度远大于0℃，因此制冷片以最大工作效率运行，当制冷片温度为0℃时，降低制冷片工作效率，由于片仓温度在环境温度影响下会产生波动，在0℃附近时动态调节工作效率，使制冷片的温度保持在0℃左右。通过片仓温度调节制冷效率，调节片仓湿度。在制冷片上设计风冷散热，将制冷过程中产生的热量排出。

[0045] 在本实施例中，较佳地，还包含一加热片109，所述加热片109与中央控制单元101通过控制回路连接。

[0046] 在本实施例中，较佳地，还包含一拌匀风扇110，所述拌匀风扇110设置在片仓的一侧，且与所述中央控制单元101通过控制回路连接。

[0047] 在本实施例中，较佳地，还包含一吸水组件，分别与所述制冷片103及加热片109连接。

[0048] 在本发明的较佳实施例中，吸水组件为耐高温的海绵，一端连在制冷片103上吸水，另一端贴在加热片上，这样加热片热量将海绵吸收的水蒸发，及其将制冷除湿产生的水排出。

[0049] 1、中央控制单元电路设计

[0050] 1.1中央控制单元芯片介绍

[0051] 中央控制单元芯片选用ATMEL公司的ATmega88PA-AU芯片，该芯片主要性能如下：

[0052] (1)电源范围1.8～5.5V，8位低功耗；

[0053] (2)8KB非易失性的程序和数据存储器；

[0054] (3)两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器；

[0055] (4)具有独立振荡器的实时计数器RTC；

[0056] (5)六通道PWM；

[0057] (6)8路10位ADC；

[0058] (7)1个可编程的串行USART接口；

[0059] (8)可工作于主机/从机模式的SPI串行接口；

[0060] (9)面向字节的两线串行接口；

[0061] (10)具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。

[0062] 1.2、中央控制单元实现功能

[0063] (1)实时处理采集的温度和湿度信息；

[0064] (2)根据采集的制冷片温度和片仓温度湿度数据，实时控制制冷片的制冷功率；

[0065] (3)根据转盘的温度，控制水冷散热风扇工作效率；

[0066] (4)与上位机进行信息交互。

[0067] 2、制冷片设计

[0068] 制冷片主要由高性能半导体制冷片(TEC)组成，TEC通电后，制冷的一端安装一块铝制散冷片，TEC通电后制冷，散冷片温度降低，与片仓空气接触发生液化现象，由此片仓内湿度降低。因此控制好制冷片的使用，对除湿效果至关重要。

[0069] 2.1、制冷片的选型

[0070] 制冷片选用高效率半导体制冷片CP12706。

[0071] 制冷片主要是由PCT制冷片、冷却板组成，PCT制冷片与冷却板安装在一起，PCT制冷片通电后制冷使制冷面温度降低，冷却板表面积较大且导热性能较好，与空气接触面积较大，增强空气中水蒸气的液化效果，达到更好的除湿作用，保证使用环境空气湿度低于40％RH。

[0072] 2.2、制冷片的控制

[0073] 由于在整个除湿工作过程中需要实时调整制冷的功率，因此使用了脉冲宽度调制(PWM)的控制技术，根据温湿度数据实时控制制冷片的开断。对于制冷片的控制电路，选用了场效应晶体管(FET)电路来进行控制。

[0074] 3、温度湿度检测设计

[0075] 在整个除湿模块工作时，需要对3个位置进行温度监控：

[0076] (1)对制冷片的温度进行监控反馈，防止制冷片制冷功率持续太大而导致结霜，影响除湿效果。

[0077] (2)对转盘温度进行监控反馈，防止转盘温度过高而影响在测试中的试 剂片的活性。

[0078] (3)对片仓的温度和湿度检测，确认当前温度湿度是否已达到试剂片存储的适宜环境，以便实时控制调整。

[0079] 3.1、温度传感器的选型

[0080] 温度传感器选用美国DALLAS公司的DS18B20数字温度传感器，该传感器有以下特点：

[0081] 电源范围3.0～5.5V，-10～+85℃时精度±0.5℃；

[0082] 独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯；

[0083] 无需外部器件；

[0084] 测温范围-55～+125℃，以0.5℃递增。华氏器件-67～+2570F，以0.90F递增；

[0085] 温度以9位数字量读出；

[0086] 温度数字量转换时间200ms(典型值)。

[0087] 3.2、温度传感器检测

[0088] 对温度传感器DS18B20的检测采用常用的单总线控制电路，该控制方法简单可靠。

[0089] 4、温湿度一体传感器的选型

[0090] 温湿度一体传感器要求体积小且精度高，选用了瑞士Sensirion公司生产的SHT11，该温湿度传感器的主要特点如下：

[0091] 全量程标定，两线数字输出；湿度测量范围：0～100％RH；温度测量范围：-40～+123.8℃；湿度测量精度：±3％RH；温度测量精度：±0.4℃；响应时间：8s(tau63％)；低功耗
80μW(12位测量，1次/s)。

[0092] 4.1、温湿度一体传感器的控制

[0093] SHT11的控制使用双线控制，一线用于SCK时钟，一线用于DATA数据传输。

[0094] 5、串口通信

[0095] 由于串口通信实现较简单，因此选用串口通信与上位机进行数据交互。按照规定的协议格式，将除湿模块的相关信息传输给上位机。

[0096] 5.1、串口芯片的选型

[0097] 串口芯片选用TI公司的MAX3232CSE，该芯片是目前市场上非常成熟 的产品。其主要特点如下：

[0098] 符合所有的RS-232C技术标准；功耗低，典型供电电流5mA；内部集成2个RS-232C驱动器；高集成度，片外最低只需4个电容即可工作；内部集成两个RS-232C接收器；独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯；无需外部器件。

[0099] 6、水冷单元设计

[0100] 水冷单元的作用主要是为了给制冷片散热，降低制冷片热端温度，保证制冷片的制冷效率。水冷单元主要包括水冷水泵，散热风扇和排水蠕动泵。

[0101] 水冷装置选用九州风神公司的“水元素120T”水冷系统；由于结构限制，排热风扇使用台湾悦伦公司的涡轮风机D12BM-12，该风机为9733规格，基本电气参数为12V,0.3A，属于中速低噪音类型；排水泵蠕动泵用于排去片仓内的冷凝水，选用kamoer公司KPP-S10DC蠕动泵，电气参数为12V，0.2A。

[0102] 在本发明的另外一些实施例中，水冷单元主要由除湿转接板、水冷循环系统、风扇、水冷隔离盒、隔热棉组成，PCT制冷片在制冷过程中，另一面会产生大量的热，产生的热量通过热传递作用传到除湿转接板，除湿转接板表面积较大比较有利于热量挥发，且制作导热性能极佳，为了更好的达到散热的效果，在除湿转接板上安装一套水循环系统，水循环系统中的冷水会把热量带出，再通过风扇作用把水中的热量散发到机器外部，达到给PCT制冷片降温的作用，为了不影响PCT制冷片的制冷效果，制冷组件与水冷装置组件之间用隔热棉隔开；液化水排出组件主要是由除湿水槽、蠕动泵、除湿水泵支架组成，空气中水蒸气的液化的水由于自重滴落到除湿水槽中，除湿水槽中的水经过蠕动泵排出到机器外部。

[0103] 结合上述的片仓环境温湿度调节系统，本发明还公开了一种片仓环境温湿度调节方法。

[0104] 根据需求约束，调节方法需要实现4部分功能：

[0105] 温湿度采集：读取各传感器信号；

[0106] 温湿度上传：通过RS232上传当前片仓的温湿度信息；

[0107] 温湿度调节：根据采样的制冷片湿度，通过控制制冷片的工作效率调节片仓湿度；

[0108] 冷凝水排放：排除制冷过程中产生的冷凝水。

[0109] 由于受电源功率影响，温湿度控制和冷凝水排放之间存在一个状态转换。

[0110] 当中央控制单元初始化完成之后，首先会通过RS232将当前软件版本信息上传给上位机，然后设置抽水泵启动的时间。由于不确定上电之前冷凝收集器内部是否存有冷凝水，所以此时抽水泵启动时间设定为1分钟。

[0111] 具体地，片仓环境温湿度调节方法包含以下步骤：

[0112] S1、实时采集片仓环境温湿度及转盘温度；

[0113] S2、当片仓环境湿度大于等于目标湿度且小于告警湿度时，向制冷片输出制冷信号；

[0114] S3、实时采集制冷片接触面的温度，并将制冷片接触面的温度数据传输至中央控制单元；

[0115] S4、判断转盘温度是否大于告警温度；

[0116] S4.1、若是，则输出报警信号；

[0117] S4.4、若否，则执行步骤S5；

[0118] S5、判断制冷片接触面的温度是否大于等于第一预设值，表明制冷片离结霜临界点较远，可以全速开启制冷片，加速制冷；

[0119] S5.1、若是，则向制冷片输出100％占空比启动信号；

[0120] S5.2、若否，则执行步骤S6；

[0121] S6、判断制冷片接触面的温度是否大于等于第二预设值且小于第一预设值，表明离结霜点较近，为防止惯性太大，提前减速，减少控制占空比；

[0122] S6.1、若是，则向制冷片输出防结霜控制信号；

[0123] S6.2、若否，则则执行步骤S7；

[0124] S7、判断制冷片接触面的温度是否大于等于第三预设值且小于第二预设值，表明在结霜临界点，此时使用较低的占空比控制制冷片，防止结霜；

[0125] S7.1、若是，则向制冷片输出除霜控制信号；

[0126] S7.2、若否，制冷片接触面的温度是否小于第三预设值，表明已经是结霜点以下了，很可能会持续结霜，需要马上停止制冷则向制冷片输出停止运转信号。

[0127] 在本实施例中，较佳地，所述的步骤S2中还包含当片仓环境温度小于目标温度时，向加热片输出启动信号，加热片启动加热。

[0128] 在本实施例中，较佳地，所述的步骤S2中还包含向拌匀风扇输出启动 信号，拌匀风扇启动拌匀片仓内空气，以使片仓内各处温度均匀。

[0129] 在本实施例中，较佳地，所述的步骤S2中还包含当片仓环境湿度大于等于告警湿度时，输出报警信号。

[0130] 在本实施例中，较佳地，所述的步骤S2中目标湿度为38％RH，目标温度为10℃，告警湿度为45％RH，告警温度为35℃。

[0131] 在本实施例中，较佳地，所述的第一预设值为4℃、第二预设值为0℃、第三预设值为-4℃。

[0132] 具体应用：参见图2

[0133] 其中，控制制冷输出为"L"，占空比为X，制冷片温度为“T”，片仓环境湿度为“H”。

[0134] 1.湿度与温度的综合控制

[0135] 设定制冷片3个控制点：T1，T2，T3，K'是转盘温度反馈给制冷控制的一个值，其中T1为4℃，T2为0℃，T3为-4℃。

[0136] 1)设定一个片仓环境湿度控制点为H1，片仓环境湿度实时值为H，制冷片温度为T，T>T1，其中H1为38％RH。

[0137] 当H≥H1时，X＝100％-K'(K'为％类型的占空比值，如10％)；

[0138] 当H

[0139] 2)T2

[0140] 3)T3

[0141] 4)T

[0142] 关于K'值的计算如下：

[0143] 设定测得转盘温度为T'

[0144] a:T'≤29℃时，K'＝0；

[0145] b:29℃

[0146] T'>35℃时，X＝0，此时停止除湿(此点必须执行，防止仪器内部温度过高导致火灾)。

[0147] 2.设定报警点

[0148] 除湿过程中，设定2个报警点，上位机检测到了，在界面中报警：

[0149] 1)片仓环境湿度>45％RH(达到稳定状态后)时，报警；

[0150] 2)转盘温度>35℃时，报警。

[0151] 3.测试条件环境湿度50％RH，温度23℃时的控制效果如图3所示。

[0152] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。