高精度酿酒恒温箱系统的设计与实现

吴建清，羊大立，张铁民，严世胜

（海南师范大学 物理与电子工程学院，海南 海口 571158）

酿造米酒在中国有着悠久的历史，在中国南方的农村，米酒是常见的传统地方风味食品，多是自家酿制食用，生产米酒的小作坊也以自产自销为多。酒酿和米酒历来受到人们的喜爱，不仅是因为其本身具有果香味、酒香味等独特风味和口感的缘故，更重要的是它营养十分丰富、酒精度数低、酸甜可口且富含多种氨基酸、葡萄糖、麦芽糖以及适量的有机酸、维生素和各种矿物质。酒酿中的低糖成分人体极易吸收，具有健脾、健胃，快速补充能量的功效，适量的有机酸和各种维生素矿物质亦能被人体快速地消化和吸收，达到均衡营养和保健的作用[1]。

米酒的酿造步骤为：洗米、浸米、蒸煮、冷却、配曲、糖化和发酵。制作好米酒的关键除了在全部制作过程中要做好人手、工具和容器的清洁卫生外，还要控制好酵母菌生长过程中发酵的温度[2]。通常酵母菌所处的环境温度如果低于0 ℃或者高于47 ℃，那么它就不能正常生长，米酒就不能正常发酵。最适合酵母菌生长的温度范围是25～30 ℃，所以在酿造米酒的时候最好能保持在这个温度范围之内。

在现代生活中，恒温箱广泛应用于各行各业，特别是实验室、物流、医药、酿酒和工业生产方面，为了得到精确的实验数据和保持精确的恒定温度，这些领域对恒温箱有非常严格的要求。在当今市场上，已存在很多种恒温箱，但大多数温度精度不高、波动范围较大，制热制冷效率不高、体积不可变、适应性差。本文设计的酿酒恒温箱，具有精度高、实时性好、控制器和箱体可分离等特点，可用于家庭一年四季的糯米酒等的酿造中。

1 酿酒恒温箱方案设计

如图1 所示为系统总体结构框图，主控芯片采用STM32F103C8T6，接收温度传感器DS18B20 发送过来的温度值[3]，并显示在0.96″的OLED显示屏上，独立按键模块可以设定目标温度和PID 3个参数。根据设定好的3个参数，通过驱动芯片SI4336加热或制冷用泡沫做成的恒温箱，并运行PID算法，使恒温箱内部的温度慢慢稳定于设定温度。用C#语言在Visual Studio 2019上编写了上位机软件，通过串口实时描绘温度曲线并存储这些温度值。最后用SolidWorks软件设计了酿酒恒温箱控制器的外壳，并3D打印。如果恒温箱温度超过警示温度值，系统会超温报警[4-5]。

图1 系统总体结构框图Figure 1 Overall structure block diagram of the system

2 酿酒恒温箱硬件设计

系统硬件电路主要包括了主控电路、显示电路、加热模块电路、制冷模块电路、电源模块电路、温度数据采集电路和按键电路，下面主要介绍前4个模块。

2.1 主控STM32最小系统电路设计

根据酿酒恒温箱系统的功能要求，需要一个运算速度快、通信接口多、成本相对低廉的嵌入式芯片。本设计采用了意法半导体公司的STM32F103C8T6作为系统的核心芯片。它基于超低功耗的ARM Cortex-M3处理器核心、64 KB的FLASH存储器和20KB的SRAM，采用LQFP48的封装方式，具有37个通用I/O口，工作电压为2.0～3.6 V，4个16位定时器，1个CAN接口，2个12位ADC，2个I2C接口，3个USART接口，2个SPI接口，支持串口调试（SWD）和JTAG调试，其内部时钟振荡器频率为8 MHz，具有可灵活配置的PLL[6-8]，最小系统原理图如图2所示。

图2 STM32F103C8T6最小系统图Figure 2 Minimum system diagram of STM32F103C8T6

2.2 OLED显示屏模块电路设计

显示屏模块采用0.96″的OLED液晶屏幕，分辨率为128×64，4线的I2C接口方式，屏幕所用的驱动IC为SSD1306，其具有内部升压功能，所以在设计的时候不需要再专门设计升压电路，模块电路图如图3所示。

图3 0.96”OLED屏幕电路图Figure 3 Circuit diagram of 0.96"OLED screen

2.3 加热模块电路设计

加热模块的功能是对酿酒恒温箱进行加热，输入的电源是12V/10A，STM32 发出脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号，MOS管功率芯片SI4336接收PWM信号，然后输出大功率的信号给电热丝对恒温箱进行加热。芯片SI4336是N型管，最大耐压30V，最大通过电流22A，导通电阻4.2MΩ。对加热模块设置了一个开关K1，如图4所示，当按下K1时，加热电路模块接通，如果DS18B20检测到的环境温度低于设定温度，就开始加热，还设计了一个用于检测加热模块是否通电的电路，如果通电了，红色的发光二极管LEDR1就会亮，如果电热丝开始工作，LEDRED会亮，电热丝功率越大，LEDRED会越亮。

图4 加热电路图Figure 4 Heating circuit diagram

2.4 制冷模块电路设计

制冷模块的功能是对酿酒恒温箱进行制冷，输入电源是12V/10A，STM32发出PWM信号，MOS管功率芯片SI4336接收PWM信号，然后输出大功率的信号给半导体制冷片TEC1-12706进行制冷，在制冷片的制冷面和散热面都装有散热片和风扇，使冷气和热气快速散开，2个散热风扇的风速可以通过滑动变阻器进行调节。对制冷模块设置了一个开关K2，如图5所示，当按下K2时，制冷电路模块接通，如果DS18B20检测到的环境温度高于设定温度，就开始制冷，还设计了用于检测制冷模块是否通电的电路，如果通电了，绿色的发光二极管LEDRB2就会亮，如果制冷半导体片开始工作，LEDBLUE会亮，制冷半导体片功率越大，LEDBLUE会越亮。

图5 制冷电路图Figure 5 Refrigeration circuit diagram

3 酿酒恒温箱软件设计

在酿酒恒温箱系统中，系统的主要功能是通过软件来实现的，软件设计的好坏决定着系统的性能，所以软件设计是一个重要环节。系统要实现的功能是首先测量恒温箱内的温度，然后与设定温度值相比较，通过PID算法，用STM32的PWM去控制MOS管功率芯片SI4336，使电热丝加热或半导体制冷片制冷[9-10]。

整个控制板的软件采用模块化设计思路，控制板上的软件由多个模块组成，每个模块实现不同的功能。主要由主程序模块、PID算法模块、加热模块和制冷模块等组成。

为了方便酿酒恒温箱的PID参数整定、温度设定、系统调试和查看，使用C#在Visual Studio 2019环境下编写了上位机程序，还设计并制作了控制器的外壳。

3.1 主程序设计

恒温酿酒箱主程序流程图如图6所示，主程序首先对系统进行初始化，当系统上电后，主程序对STM32、DS18B20、串口和OLED等进行初始化操作，然后通过3个独立的按键，设定系统将要稳定在的目标温度和3个PID参数，当设定温度高于酿酒恒温箱内的环境温度时，系统需要加热才能达到设定的温度，所以要按加热按键；当设定温度低于酿酒恒温箱的环境温度时，系统需要制冷才能达到设定的温度，所以要按制冷按键。要是加热和制冷按键同时按下，加热优先。

图6 主程序流程图Figure 6 Main program flow chart

3.2 PID算法程序设计

PID控制算法是最经典、最简单、最成熟而又应用最广泛的控制方法，它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点。虽已被提出有几十年之久，但仍然广泛应用在工程领域。

PID 算法的执行流程是非常简单的，即利用反馈来检测偏差信号，PID 算法将控制偏差e(t)的比例、积分、微分进行线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PID控制系统框图如图7所示。控制量u(t)可以由式（1）表示，

图7 PID算法框图Figure 7 PID algorithm block diagram

其中，KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。

在嵌入式系统中，实现PID算法需要用数字PID算法，本设计采用位置式算法，将实际温度与设定温度之差经比例积分微分运算后拟合成PWM占空比数值，输出给MOS管功率芯片SI4336去驱动加热或制冷电路，对式（1）进行离散化处理可得：

通常把式（2）称为位置式PID算法[11]。

PID算法模块主要功能是实现位置式PID控制，先将偏差值e(k)的初值置零，然后读取设定温度的值和恒温箱内的实测温度值，算出温度偏差值e(k)，接着根据位置式PID算法计算出增量u(k)，最后用增量去控制STM32输出的PWM占空比。

3.3 PWM波形输出程序设计

STM32依据PID算法输出的控制信号来确定要输出的PWM占空比，当设定温度高于恒温箱内部环境温度并按下加热键，系统通过调节STM32输出的PWM 占空比来控制加热丝的功率，PWM 占空比越大表示加热丝在一个周期内工作的时间越长，平均功率也大，发热增多；反之，平均功率小，发热少。

3.4 上位机软件设计

系统的上位机软件采用Microsoft Visual Studio2019开发环境作为开发平台，用C#语言编写上位机程序，首先设置好串口相关参数，接着打开串口，发送设定温度、PID参数和PWM最大值给控制器，在上位机软件上就实时显示恒温箱内的温度，同时也用曲线实时显示温度，并将这些数据保存到.txt文本中，图8～9就是正在运行中的上位机界面[12]。

图8 目标温度为31℃时的温度数据曲线Figure 8 Temperature data curve when the target temperature is 31 ℃

3.5 控制器外壳设计与3D打印

在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便的软件之一，功能强大、易学易用，能够提供不同的设计方案，减少设计过程中的错误以及提高产品质量。由于SolidWorks软件是在Windows环境下重新开发的，因此能够充分利用Windows的优秀界面资源，为设计师提供友好、简便的工作界面。采用SolidWorks 2014版进行酿酒恒温箱控制器的外壳设计，并用爱能特（Anet）ET43D打印机打印的酿酒恒温箱控制器的外壳和按钮。

4 酿酒恒温箱测试

4.1 酿酒恒温箱控制器实物

采用54.0 cm×39.0 cm×17.5 cm大小的泡沫箱作为系统的箱体，系统上电后，对各个模块进行初始化，控制器的右下面有3个，左边第一个是“设置”功能切换键，每按一下切换一种功能，功能依次是：温度设定、P设定、I设定和D设定。当系统处于上面任何一种功能时，第二个键按下时参数值加1，第三个键按下时参数值减1，控制电路板运行的实物图如图10所示。

图10 酿酒恒温箱控制器实物图Figure 10 Physical drawing of brewing incubator controller

4.2 系统制热和制冷测试

对酿酒恒温箱系统的加热功能进行测试，上位机软件采集恒温箱的温度数据并实时显示在软件上，测试时恒温箱所处环境的温度为26.6 ℃，目标温度为31.0 ℃，PID的参数为400、8、380，采集到的温度数据曲线如图8所示。

对系统进行制冷测试时，测试时恒温箱所处环境的温度为26.6 ℃，目标温度为19.0 ℃，PID 的参数为400、30、100，采集到的温度数据曲线如图9所示。

图9 目标温度为19℃时的温度数据曲线Figure 9 Temperature data curve when the target temperature is 19 ℃

从图8～9中可以看出，酿酒恒温箱系统的加热和制冷都正常运转，系统经过2个振荡后箱体内的温度稳定在目标值附近，系统运行30 min后，恒温箱内的温度都稳定于目标温度。

4.3 系统温度控制精度测试

对酿酒恒温箱系统内的温度控制精度进行测试，测试时恒温箱所处环境的温度28.6 ℃，目标温度为40、35、30、25、20 ℃，系统运行1 h后，对恒温箱内温度进行测量，测量的结果如表1所示。由表1得到的数据可知，当系统运行1 h后，系统温度控制的最大偏差为0.1 ℃，所以系统的温度控制精度可以达到0.1 ℃。

表1 温度控制精度测量数据与超调量测量数据Table 1 Temperature control accuracy measurement data and overshoot measurement data

超调量是指输出量的最大值减去稳态值的差与稳态值之比的百分数，对系统内的超调量进行测试，测试时所处环境的温度为28.8 ℃，目标温度为40、35、30、25、20 ℃，系统运行1 h后，记录下恒温箱内温度的最大偏差，然后计算出系统的超调量，由表1的数据可知系统的超调量在2%以内，超调量是比较小的[13]。

4.4 不同箱体恒温到25℃测试

用相同的酿酒恒温箱控制器、加热丝和制冷模块，分别接尺寸为29 cm×26.5 cm×16.5 cm、54 cm×39 cm×17.5 cm、59 cm×35 cm×32.5 cm的小、中和大3个泡沫箱，整定的PID参数分别为360、6、100，360、10、100，360、14、100。图11为3个不同体积箱子的初始温度28.6 ℃，系统经过1 h运行后，3条曲线都慢慢恒温于25 ℃，即3个不同体积的恒温箱经过1 h的运行后箱内温度都恒温于系统设定温度25 ℃。

图11 3个不同体积的恒温箱恒温到25℃Figure 11 Constant temperature of three thermostats with different volumes to 25℃

4.5 系统发酵糯米酒

用上面做好的酿酒恒温箱来发酵米酒。将3 kg糯米浸泡1d，上蒸锅蒸0.5 h，完全熟透后，冷却到室温，放酒曲和凉开水，拌均匀，再把糯米放于盆中，中间掏一个洞，最后把盆放在尺寸为54 cm×39 cm×17.5 cm的恒温箱里，恒温在25 ℃发酵3 d，图12是发酵3 d的甜糯米酒。如果要酒味浓烈些，用薄膜盖住盆保持厌氧发酵，发酵越久甜味越少，酒味越浓，最长1个月即可。

图12 酿酒恒温箱酿糯米酒Figure 12 Brewing glutinous rice wine in a brewing incubator

5 结论

酿酒恒温箱以STM32F103C8T6单片机作为系统的核心芯片，使用加热丝加热和半导体制冷片制冷，系统具有加热、制冷和恒温功能，通过按键或上位机都可以进行温度和PID参数的设定与温度显示，系统温控范围为19～40 ℃，温度精度达0.1 ℃，超调量2%，箱体体积可变，运行0.5 h后系统趋于稳定，满足人们一年四季任意时刻酿米酒的需求。