高精度恒温箱温度控制系统的实现

为了减少环境温度对所测水泥水化热结果的影响，保证其准确度，文中设计一种基于 STM32 的高精度恒温箱 控制系统。系统采用上下位机结构，上位机负责设定目标温度值和显示当前温度数据并画出曲线，下位机根据上位机设定 的温度值利用模糊 PID 算法对恒温箱的温度进行控制。另外，为了保证恒温箱内温度场的均匀性，进行恒温箱的机械结构 部分设计。实验结果表明，该系统可以保证恒温箱的温度波动在±0.02 ℃范围内，满足准确测量水泥水化热的环境温度 要求。

水泥在水化时产生的热量叫作水泥的水化热[1]。水 化热高的水泥不得用在大体积混凝土工程中，否则会使 混凝土的内部温度大大超过外部，从而引起较大的温度 应力，使混凝土表面产生裂缝，严重影响混凝土的强度 及其他性能。因此，必须对水泥的水化热进行准确测 量，从而选择合适水化热的水泥用于混凝土。

 相对于其他常见物质的发热量，例如 1 g 煤炭的发 热量大约为 29 kJ，水泥水化热的量级是非常小的，大约 为 250 J/g，因此，热流传感器测得的热量信号是非常微 弱的。而测量该热量的热流传感器灵敏度又非常低（约 为 0.1 mV/（W/m2 ）），所以量热装置周围环境温度的波动 对测得水化热结果的影响非常显著。

 针对量热装置对其周围环境温度的高敏感性，为了 保证水化热测量结果的准确性，需将量热装置固定在恒 温箱内且保证箱内温度稳定度[7]为±0.02 ℃。首先，需设 计恒温箱的机械结构，尽量减弱外界环境温度变化对箱 内温度的影响，且保证温度控制的快速性和全面性。 其次，由于传统 PID 的控制参数是固定不变的，响应速 度慢、抗干扰能力弱、误差大等难以满足本系统高精度 高稳定度的要求，而模糊控制不依赖精确的系统模型， 仿照人的经验进行控制，对于非线性、时变系统控制效 果很好，具有较强的鲁棒性和适应性。综合考虑，本 文提出一种模糊 PID 的控制方式，并且通过所设计的精 密恒温箱来验证该控制方式的有效性。