半導體制冷式果蔬配送箱控制系統(tǒng)

鄒熾導 呂恩利 陸華忠 曾志雄 趙俊宏

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，廣東 廣州 510642；2. 廣東省農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510642)

半導體制冷式果蔬配送箱控制系統(tǒng)

鄒熾導1,2呂恩利1,2陸華忠1,2曾志雄1,2趙俊宏1,2

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，廣東 廣州 510642；2. 廣東省農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510642)

保鮮配送環(huán)境中溫度是保障果蔬品質(zhì)的重要因素。以半導體制冷式果蔬配送箱為研究對象，設計基于AVR系列ATmega16微處理器為核心的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)基于ICCV7 for AVR開發(fā)環(huán)境，通過C語言進行軟件編程，采集果蔬配送箱的保鮮環(huán)境溫度與半導體制冷器散熱系統(tǒng)水溫，使用雙限值控制方法，控制半導體制冷器、風機、水泵等執(zhí)行機構(gòu)工作，實現(xiàn)對半導體制冷式果蔬配送箱保鮮環(huán)境的溫度調(diào)控和散熱系統(tǒng)高溫保護。試驗結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)能實時獲取果蔬配送箱內(nèi)保鮮環(huán)境溫度與半導體制冷器散熱系統(tǒng)水溫的動態(tài)變化，根據(jù)控制邏輯精確、有效地進行執(zhí)行機構(gòu)控制，系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定。

果蔬；保鮮；半導體制冷；控制系統(tǒng)

近年來，順豐優(yōu)選、京東商城、天貓商城等知名電商紛紛進軍鮮活農(nóng)產(chǎn)品商場。冷鏈宅配的興起，實現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品從產(chǎn)地到客戶的無縫冷鏈對接，減少了超市百貨實體采辦的中間流通環(huán)節(jié)，降低了物流中轉(zhuǎn)時間，提升了新鮮農(nóng)產(chǎn)品的可獲得性[1]14-29 [2-3]。據(jù)估算[1]32-56 [4-5]，2013～2015年冷鏈宅配年復合增速達80%～120%。但就目前來看，開發(fā)可控溫的果蔬宅配配送設備，確保果蔬“最后一公里”低溫運輸，保證果蔬品質(zhì)，降低配送成本等關鍵問題還有待進一步深入研究。

保鮮配送環(huán)境中溫度是保障果蔬品質(zhì)的重要因素[6-7]。半導體制冷(thermoelectric cooling，TEC)又稱為熱電制冷，是在帕爾貼效應的基礎上建立起來的一種人工制冷技術(shù)[8-10]。該技術(shù)具有體積小、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性強等特性[11-13]，符合果蔬保鮮配送的制冷系統(tǒng)要求?，F(xiàn)有的果蔬配送箱，多采用冰袋冷凍方式，存在溫度控制粗放、溫度場不均勻、局部冷害等缺點，難以滿足果蔬保鮮配送的要求[14-15]。

保證配送箱的智能控溫和散熱系統(tǒng)的高溫保護是研究半導體制冷式果蔬配送箱需要解決的關鍵問題。本研究擬以半導體制冷式果蔬配送箱為研究對象，設計以AVR系列ATmega16微處理器為核心的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)借助ICCV7 for AVR開發(fā)環(huán)境，通過C語言編寫程序與函數(shù)，采集果蔬配送箱的保鮮環(huán)境溫度與半導體制冷器散熱系統(tǒng)水溫，控制TEC、風機、水泵等執(zhí)行設備工作，進行保鮮環(huán)境的溫度調(diào)控和散熱系統(tǒng)高溫保護，為半導體制冷式果蔬運輸設備控制系統(tǒng)的設計提供依據(jù)。

1 控制系統(tǒng)整體設計

1.1 果蔬配送箱試驗平臺組成

根據(jù)TEC技術(shù)的特點和果蔬配送的要求，搭建半導體制冷式果蔬配送箱試驗平臺[16-18]。如圖1所示，果蔬配送箱試驗平臺由冷卻水箱、水排散熱器、風機、水泵、水冷傳熱模塊、TEC片、聚氨酯保溫板、保溫箱體、導冷鋁板等組成。配送箱箱體長×寬×高為540 mm×240 mm×320 mm，外覆20 mm厚的聚氨酯保溫材料，內(nèi)覆熱反射膜，箱體側(cè)面中部的壁面上留有矩形凹槽，用以安裝半導體制冷器。試驗采用的半導體制冷片(TEC-12706型，廣東奧冷科技有限公司)，外形尺寸為40 mm×40 mm×4 mm，額定工作電壓為12 V，最大電流為6 A。TEC片兩端分別接導冷鋁板和水冷傳熱模塊，熱端與水冷傳熱模塊貼合，TEC片冷端與導冷鋁板聯(lián)接。冷卻水通過水泵驅(qū)動，流經(jīng)水冷傳熱模塊與TEC片熱端傳熱換熱，經(jīng)過水排散熱器散熱后流入水箱中并在水路中循環(huán)。散熱風機位于水冷散熱器前方，采用12 V直流風機，額定工作電流為0.5 A。當配送箱工作時，導冷風機強制驅(qū)動氣流循環(huán)，氣流在導冷鋁板處吸收冷能，并導流到果蔬保鮮環(huán)境內(nèi)，與果蔬實現(xiàn)傳熱后重新經(jīng)風機流入導冷鋁板處，如此實現(xiàn)了制冷降溫過程。風機為TPOMOTOR牌DF1204SH，額定電壓為12 V，額定電流為0.08 A。水泵型號為JAVTOP牌JT-180，額定工作電壓為12 V，額定功率為5 W。

1. 冷卻水箱 2. 水溫傳感器 3. 冷卻水管 4. 水排散熱器 5. 散熱風機 6. 水泵 7. 控制系統(tǒng) 8. 水冷傳熱模塊 9. 半導體制冷片 10. 聚氨酯保溫板 11. 保溫箱體 12. 熱反射膜 13. 導冷鋁板 14. 導冷風機 15. 保鮮環(huán)境溫度傳感器 16. 開關電源 17. 數(shù)據(jù)記錄儀 18. 計算機

1.2 控制系統(tǒng)組成

在半導體制冷系統(tǒng)中，熱端散熱是影響制冷效率的關鍵因素。在果蔬配送箱的保鮮環(huán)境和散熱系統(tǒng)的冷卻水箱各布置一枚Pt100傳感器，控制系統(tǒng)通過繼電器控制風機、水泵和TEC片開關?？刂芓EC模塊，將箱體內(nèi)溫度維持在(7±1)℃的范圍內(nèi)，使得箱內(nèi)保鮮環(huán)境的溫度自動調(diào)節(jié)，當熱端溫度不超過40℃，超過40℃則停止TEC工作從而保護半導體制冷模塊，避免燒蝕。

控制系統(tǒng)主要由溫度采集模塊、繼電器、數(shù)碼管驅(qū)動模塊、鍵盤輸入模塊以及執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊組成，系統(tǒng)整體框圖見圖2。以AVR系列微處理器ATmega16單片機為核心，溫度傳感器電阻變化經(jīng)過變送器和傳感器采集模塊轉(zhuǎn)為模擬電壓信號，通過單片機自帶ADC通道[19]采集保鮮環(huán)境與散熱系統(tǒng)溫度的模擬信號。通過ATmega16進行邏輯判斷、分析后，利用功放電路控制對應的繼電器通斷而實現(xiàn)導冷風機、散熱風機、水泵和TEC片等執(zhí)行機構(gòu)的控制。

圖2 系統(tǒng)整體框圖Figure 2 Structure of control system

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 溫度采集電路

果蔬配送箱控制參數(shù)包括配送箱保鮮環(huán)境的空氣溫度和散熱系統(tǒng)的水溫。所使用的溫度傳感器為Pt100溫度傳感器，精度為±0.3℃。Pt100是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。本設計中采用三線制方法，通過連接變送器轉(zhuǎn)為4～20 mA 標準電流信號，再傳輸至溫度采集模塊，見圖3。

控制系統(tǒng)采用5 V參考電壓。溫度采集電路采樣電阻為220 Ω，則輸入電壓范圍為0.88～4.40 V，在參考電壓范圍之內(nèi)。

2.2 繼電器驅(qū)動電路

執(zhí)行機構(gòu)主要包括半導體制冷器、散熱風機、導冷風機和水泵。ATmega16微處理器芯片的驅(qū)動能力為20～30 mA，不能直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，硬件設計時選用驅(qū)動芯片ULN2003A驅(qū)動繼電器控制相應執(zhí)行機構(gòu)，電路見圖4。ULN2003A驅(qū)動芯片具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強的特點，能直接驅(qū)動繼電器[22]。

圖3 溫度傳感器采集模塊電路圖Figure 3 Circuit diagram of temperature sensor acquisition module

圖4 繼電器驅(qū)動模塊電路圖Figure 4 Circuit diagram of relay drive module

2.3 數(shù)碼管驅(qū)動電路

為呈現(xiàn)單片機的工作狀態(tài)進行用戶體驗，系統(tǒng)中加入4位數(shù)碼管作為信息顯示。4位共陰數(shù)碼管有12個引腳，由于I/O口限制，使用2個74HC595芯片，實現(xiàn)3個引腳控制數(shù)碼管，節(jié)省I/O口資源，見圖5。74HC595含有數(shù)據(jù)移位寄存器和三態(tài)輸出鎖存器，具有串行移位輸入、8位并行輸出的功能[23]。

圖5 數(shù)碼管驅(qū)動模塊電路Figure 5 Circuit diagram of digital drive module

2.4 鍵盤輸入模塊

為手動改變箱內(nèi)保鮮環(huán)境溫度控制范圍，設計了鍵盤輸入模塊，見圖6。MAX端與單片機PD2引腳連接，按下后PD2引腳電平拉低，觸發(fā)中斷INT0，設置溫度上限。MIN端與單片機PD3引腳連接，按下后PD2引腳電平拉低，觸發(fā)中斷INT1，設置溫度下限。通過UP、DOWN、MOVE 3個鍵實現(xiàn)對系統(tǒng)溫度上下限的調(diào)整。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 主程序設計

半導體制冷式果蔬配送箱控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)配送箱內(nèi)保鮮環(huán)境的溫度和半導體制冷器水冷散熱系統(tǒng)水溫的實時控制。通過傳感器采集的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行邏輯分析、決策，輸出控制信號，控制導冷風機、散熱風機、水泵、TEC片等執(zhí)行機構(gòu)開關，實現(xiàn)了果蔬配送箱內(nèi)保鮮環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)在最優(yōu)范圍。由于配送箱需要保鮮運輸不同種類的果蔬，控制系統(tǒng)需提供保鮮參數(shù)范圍的選擇功能，實現(xiàn)人機交互與鍵盤輸入，并通過顯示屏呈現(xiàn)溫度值。主控制流程圖見圖7。

圖6 鍵盤輸入模塊電路圖Figure 6 Circuit diagram of keyboard input module

對箱體內(nèi)的保鮮環(huán)境溫度采用雙限值法控制。當箱體內(nèi)溫度高于設定溫度時，開啟水泵、TEC片、散熱風機和導冷風機等執(zhí)行機構(gòu)。當溫度低于設定溫度下限時，停止TEC片以及導冷風機，水泵和散熱風機繼續(xù)工作進行熱端散熱。這是因為當TEC片停止工作時，熱端和冷端易形成熱橋，應盡量減少冷熱端溫差。同時由于降低熱端冷卻水溫度對TEC片的工作效率有極大的幫助，因此在TEC片停止工作時，熱端仍保持散熱。

圖7 主程序控制流程圖Figure 7 Structure of main program

TEC片的熱端高溫保護功能實現(xiàn)是通過監(jiān)測水箱內(nèi)冷卻水溫度，當冷卻水溫度高于上限時，停止TEC片和導冷風機工作，維持水泵以及散熱風機工作，從而對熱端以及冷卻水降溫。當水溫降至下限時，則停止保護。這是由于當TEC片熱端溫度較高時，TEC片制冷效率會大幅降低，甚至燒毀。

3.2 溫度設定程序

為提高系統(tǒng)的操作簡便性[21,24]，設計了溫度設定程序，程序流程圖見圖8。用戶根據(jù)具體配送的果蔬設定保鮮環(huán)境溫度上下限。按下限、上限設定鍵后進入中斷，設定程序啟動，數(shù)碼管第一位進行閃爍進入設定程序。當用戶按下鍵盤按鍵后，系統(tǒng)讀取鍵值。當按下結(jié)束鍵，退出中斷；當按下增加鍵后，所選位數(shù)值增加1，當數(shù)值原值為9，再按當位歸0，并寫入限值；當按下減少鍵后，所選位數(shù)值減少1，當數(shù)值原值為9，再按當位歸0，并寫入限制；當按下移位，下一位閃爍，當移到第四位再移位，第一位閃爍。

圖8 溫度設定程序控制流程圖Figure 8 Structure of temperature setting program

4 半導體制冷式果蔬配送箱試驗

4.1 傳感器校驗

分別在果蔬配送箱保鮮環(huán)境溫度傳感器檢測點(圖1中位置15)和半導體制冷器散熱系統(tǒng)水溫傳感器檢測點(圖1中位置2)位置處布置相同型號的溫度傳感器監(jiān)測點，啟動TEC片、風機與水泵，記錄兩組溫度數(shù)據(jù)的變化。

校驗結(jié)果顯示，溫度在控制過程中測試值與數(shù)據(jù)記錄儀獲取的數(shù)據(jù)基本一致。這表明該系統(tǒng)的傳感器特征滿足控制要求。

4.2 綜合控制試驗方法

為了驗證半導體制冷式果蔬配送箱控制系統(tǒng)控制過程的準確性和穩(wěn)定性，在半導體制冷式果蔬配送箱試驗平臺進行了系統(tǒng)的自動控制試驗。保鮮參數(shù)設定范圍：配送箱內(nèi)保鮮環(huán)境控制溫度設置為6～8℃；外界環(huán)境為(25±1)℃。箱體內(nèi)、冷端導冷鋁板、熱端散熱系統(tǒng)的冷卻水箱各布置Pt100溫度傳感器，溫度傳感器與數(shù)據(jù)記錄儀相連，數(shù)據(jù)記錄儀與計算機連接用于記錄箱體內(nèi)實時溫度變化。

4.3 結(jié)果分析

由圖9可知：綜合試驗耗時約50 min，實現(xiàn)4個循環(huán)的溫度變化過程。系統(tǒng)工作后，箱內(nèi)溫度到達保鮮參數(shù)下限用時9.7 min，停止TEC工作后，用時5 min到達保鮮參數(shù)上限。開啟TEC工作后的前3 min，冷端導冷鋁板的溫度下降較快，制冷效率較高。這是因為工作初期，冷卻水溫度接近室溫，溫度相對較低，散熱潛力大。當冷卻水溫升高后，箱內(nèi)溫度下降速率減小。配送箱保鮮環(huán)境溫度在6～8℃波動。

試驗結(jié)果表明：半導體制冷式果蔬配送箱控制系統(tǒng)能夠根據(jù)設置的控制流程進行邏輯判斷、決策，控制準確、可靠，穩(wěn)定地將半導體制冷式果蔬配送箱的保鮮參數(shù)控制在設定的要求內(nèi)，誤差值在允許范圍內(nèi)。

圖9 箱內(nèi)溫度變化曲線圖Figure 9 Chart of temperature changing inside cabinet

5 結(jié)論

(1) 以半導體制冷式果蔬配送箱為平臺，通過硬件電路設計，以及軟件的編寫，實現(xiàn)了保鮮環(huán)境溫度控制以及散熱系統(tǒng)水溫保護。

(2) 該系統(tǒng)實現(xiàn)根據(jù)自身的需要來編輯相應的保鮮參數(shù)范圍，通過顯示屏顯示和鍵盤輸入，實現(xiàn)了人機交互功能。

(3) 控制系統(tǒng)能夠根據(jù)設置的控制流程進行邏輯分析、決策，工作準確、穩(wěn)定，能有效地將半導體制冷式果蔬配送箱的保鮮參數(shù)控制在設定的要求內(nèi)。系統(tǒng)能夠保證連續(xù)穩(wěn)定的工作，實現(xiàn)系統(tǒng)自動化控制。

(4) 半導體制冷式果蔬配送箱控制系統(tǒng)解決了箱內(nèi)果蔬智能控溫和散熱系統(tǒng)高溫保護等問題?；诠呶镄缘姆诸惸Ｐ涂刂撇呗砸约爸评淠芎膬?yōu)化等問題尚未完善，課題組后續(xù)將對此進行深入研究。

[1] 中國物流與采購聯(lián)合會冷鏈物流專業(yè)委員會, 中國物流技術(shù)協(xié)會. 中國冷鏈物流發(fā)展報告: 2015[R]. 北京: 中國財富出版社, 2015.

[2] 謝晶, 邱偉強. 我國食品冷藏鏈的現(xiàn)狀及展望[J]. 中國食品學報, 2013, 13(3): 1-7.

[3] 張建軍, 楊艷玲. 我國農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究[J]. 物流科技, 2013, 36(2): 102-105.

[4] 周家華, 常虹, 趙毅, 等. 中國果蔬冷鏈物流的發(fā)展現(xiàn)狀及建議[J]. 食品工業(yè)科技, 2012(6): 8-10.

[5] 周山濤. 果蔬貯運學[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 1998: 36-79.

[6] 韓耀明, 鄭志勇, 傅愛華. 濕冷新技術(shù)在果蔬保鮮中的應用與發(fā)展[J]. 現(xiàn)代食品科技, 2007, 23(6): 92-93.

[7] 汪國超, 徐偉民, 張麟. 果蔬保鮮方法的研究進展[J]. 包裝學報, 2011, 3(4): 57-61.

[8] 張奕, 張小松, 胡洪, 等. 冷/熱端散熱對半導體冷藏箱性能的影響[J]. 江蘇大學學報: 自然科學版, 2008, 29(1): 43-46.

[9] 卞之, 潘宇靖, 齊臣杰, 等. 太陽能半導體空調(diào)制冷裝置模塊化實驗研究[J]. 半導體技術(shù), 2012, 34(11): 1 131-1 134.

[10] 黃琪薇, 李彥, 徐立珍. 水冷式太陽能半導體空調(diào)的實驗研究[J]. 清華大學學報: 自然科學版, 2009, 94(11): 1 826-1 829.

[11] NNANNA A G A, RUTHERFORD W, ELOMAR W, et al. Assessment of thermoelectric module with nanofluid heat exchanger [J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(2): 491-500.

[12] HUANG Hsiang Sheng, WENG Ying Che, CHANG Yu Wei, et al. Thermoelectric water-cooling device applied to electronic equipment [J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2010, 37(2): 140-146.

[13] GAO Min, ROWE D M. Experimental evaluation of prototype thermoelectric domestic-refrigerators [J]. Applied Energy, 2006, 83(2): 133-152.

[14] HUANG Ho S, ROSARIO L, RAHMAN M M. Numerical simulation of temperature and velocity in a refrigerated warehouse[J]. International Journal of Refrigeration, 2010, 33(5): 1 015-1 025.

[15] RAHBAR N, ESFAHANI J A. Experimental study of a novel portable solar still by utilizing the heatpipe and thermoelectric module[J]. Desalination, 2012, 284(1): 55-61.

[16] 陸華忠, 曾志雄, 呂恩利, 等. 一種雙工況半導體制冷式果蔬配送箱及其控制方法: 中國, 104859958 A [P]. 2015-08-26.

[17] 陸華忠, 趙俊宏, 呂恩利, 等.一種回風道通風式半導體制冷果蔬配送箱: 中國, 104843339 A [P]. 2015-08-19.

[18] 陸華忠, 趙俊宏, 呂恩利, 等. 一種水冷式半導體制冷果蔬保鮮箱變頻控制系統(tǒng): 中國, 104816882 A [P]. 2015-08-05.

[19] 岑康華, 王海林, 呂恩利, 等. 基于AVR的果蔬保鮮陳列柜控制系統(tǒng)[J]. 農(nóng)機化研究, 2015, 37(5): 127-131.

[20] 庹朝永. 大型船舶蔬菜儲藏倉庫自動控制系統(tǒng)設計[J]. 食品與機械, 2014, 30(6): 128-131.

[21] 莫愁, 陳霖, 陳懿, 等. 微波干燥恒溫控制系統(tǒng)的設計[J]. 食品與機械, 2011, 27(2): 77-79.

[22] 賴火炬, 陳永明. 基于磁保持繼電器的電源自動切換裝置[J]. 機電技術(shù), 2014, 39(2): 64-67.

[23] 翟震, 張春玲. 用74HC595芯片驅(qū)動LED的電路設計[J]. 機床與液壓, 2004, 43(12): 151-152.

[24] 吳曉強, 李亞莉, 周紅杰, 等. 基于模糊PID的茶葉烘干機恒溫控制系統(tǒng)研究[J]. 食品與機械, 2015, 31(4): 111-113.

Control system of distributed cabinet based on thermoelectric cooler for fruits and vegetables

ZOU Chi-dao1,2LUEn-li1,2LUHua-zhong1,2ZENGZhi-xiong1,2ZHAOJun-hong1,2

(1.CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou,Guangdong510642,China; 2.GuangdongEngineeringResearchCenterofAgriculturalProductColdChainLogistics,Guangzhou,Guangdong510640,China)

Preservation of environment temperature is an important factor to protect distribution quality of fruits and vegetables. In this paper, distributed cabinet based on thermoelectric cooler (TEC) for fruits and vegetables was studied while control system based on ATmega16 microprocessor of AVR series was designed. By using ICCV7 for AVR software platform and C program, software of control system was researched. After ambient temperature of distributed cabinet and water temperature of TEC system were acquainted, executions such as TEC, fans and pumps were control automatically by using a dual limit control methods. Persevered temperature of distributed cabinet and high temperature protection of TEC system was realized. The results showed that control system could collect real-time monitoring parameters effectively and control executions according control logic, and the system is reliable.

fruit and vegetable; preservation; thermoelectric cooling; control system

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設專項資金(編號：CARS-33-13)；國家科技支撐計劃項目課題(編號：2013BAD19B01)

鄒熾導，男，華南農(nóng)業(yè)大學在讀博士研究生。

陸華忠(1963-)，男，華南農(nóng)業(yè)大學教授，博士，博士生導師。E-mail:huazlu@scau.edu.cn

2016-09-14

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.030