高精度恒溫箱溫度控制系統的實現

為了減少環境溫度對所測水泥水化熱結果的影響，保證其準確度，文中設計一種基于 STM32 的高精度恒溫箱 控制系統。系統采用上下位機結構，上位機負責設定目標溫度值和顯示當前溫度數據并畫出曲線，下位機根據上位機設定 的溫度值利用模糊 PID 算法對恒溫箱的溫度進行控制。另外，為了保證恒溫箱內溫度場的均勻性，進行恒溫箱的機械結構 部分設計。實驗結果表明，該系統可以保證恒溫箱的溫度波動在±0.02 ℃范圍內，滿足準確測量水泥水化熱的環境溫度 要求。

水泥在水化時產生的熱量叫作水泥的水化熱[1]。水 化熱高的水泥不得用在大體積混凝土工程中，否則會使 混凝土的內部溫度大大超過外部，從而引起較大的溫度 應力，使混凝土表面產生裂縫，嚴重影響混凝土的強度 及其他性能。因此，必須對水泥的水化熱進行準確測 量，從而選擇合適水化熱的水泥用于混凝土。

 相對于其他常見物質的發熱量，例如 1 g 煤炭的發 熱量大約為 29 kJ，水泥水化熱的量級是非常小的，大約 為 250 J/g，因此，熱流傳感器測得的熱量信號是非常微 弱的。而測量該熱量的熱流傳感器靈敏度又非常低（約 為 0.1 mV/（W/m2 ）），所以量熱裝置周圍環境溫度的波動 對測得水化熱結果的影響非常顯著。

 針對量熱裝置對其周圍環境溫度的高敏感性，為了 保證水化熱測量結果的準確性，需將量熱裝置固定在恒 溫箱內且保證箱內溫度穩定度[7]為±0.02 ℃。首先，需設 計恒溫箱的機械結構，盡量減弱外界環境溫度變化對箱 內溫度的影響，且保證溫度控制的快速性和全面性。 其次，由于傳統 PID 的控制參數是固定不變的，響應速 度慢、抗干擾能力弱、誤差大等難以滿足本系統高精度 高穩定度的要求，而模糊控制不依賴精確的系統模型， 仿照人的經驗進行控制，對于非線性、時變系統控制效 果很好，具有較強的魯棒性和適應性。綜合考慮，本 文提出一種模糊 PID 的控制方式，并且通過所設計的精 密恒溫箱來驗證該控制方式的有效性。