【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 中 Interface公司可以達(dá)到日本 NEC公司的技術(shù)水平，溫度控制范圍最大可以達(dá)到 20℃～ +85℃。 從國(guó)內(nèi)外對(duì)半導(dǎo)體制冷研究的現(xiàn)狀來看，半導(dǎo)體制冷技術(shù)還沒有成熟，目前還有一些因素制約它的發(fā)展： (1)制冷方面，制冷系數(shù)以及半導(dǎo)體熱電偶優(yōu)值系數(shù)還有需要進(jìn)一步提高，新材料還有待于去發(fā)現(xiàn)或發(fā)明 ， 1998 年秋季在美國(guó)波士頓召開的材料研究學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議上，熱電材料再一次成為討論的主題，美國(guó)科學(xué)家 Tritt 比較樂觀地認(rèn)為在未來幾年內(nèi)熱電材料的研究將會(huì)有驚人的突破。 (2)熱電材料的制取、焊接工藝還要努力提高，采用無限級(jí)聯(lián)溫差電偶對(duì)結(jié)構(gòu)、場(chǎng)致電發(fā)射結(jié)構(gòu)、柔性功能梯度材料做絕緣層、熱電偶冷端點(diǎn)陣接觸結(jié)構(gòu)、懸臂熱接觸結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)模式，可以優(yōu)化電臂結(jié)構(gòu)熱傳遞，減少接觸層電阻和熱阻的不利影響，消除熱應(yīng)力損傷，從而提高熱電制冷器性能，但是，這些結(jié)構(gòu)模型都有工藝上的困難，要達(dá)到工程應(yīng)用階段還需時(shí)日。 (3)熱電制冷要求 使用平穩(wěn)的直流電，要把半導(dǎo)體制冷技術(shù)用在家用空調(diào)上，必須有一個(gè)大電流整流設(shè)備，目的是將交流電轉(zhuǎn)為直流電。 (4)半導(dǎo)體制冷在大功率方面的突破，采用串聯(lián)并聯(lián)的復(fù)合模式將成為一個(gè)發(fā)展方向，但是，會(huì)面臨更加復(fù)雜的半導(dǎo)體散熱性能以及效率問題，已經(jīng)成為該行業(yè)應(yīng)用的一個(gè)主要問題。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 (5)提高半導(dǎo)體溫度控制精度，確定熱電堆的最佳工作狀態(tài)是最困難的，與常規(guī)的制冷方式相比，半導(dǎo)體制冷的一個(gè)重要的不同之處在于制冷元件的工作不穩(wěn)定性。半導(dǎo)體的特性隨著溫度的變化而變化，因此，半導(dǎo)體制冷元件的熱電堆的最佳工作狀態(tài)不是一成不變的。如何 確定一定條件下半導(dǎo)體熱電堆的最佳工作參數(shù)一直困擾著人們，也是制約半導(dǎo)體制冷得以大范圍推廣的一個(gè)重要因素，這個(gè)問題將在后續(xù)階段不斷研究。 半導(dǎo)體制冷的發(fā)展前景 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中相當(dāng)重要的參數(shù) ,溫度檢測(cè)和控制的準(zhǔn)確性直接影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。因此 ,在很多工業(yè)儀器儀表中 ,對(duì)溫度要求 較為 嚴(yán)格。較高精度的恒溫系統(tǒng)是一個(gè)儀表儀器的有力保證。現(xiàn)在的儀器都是趨于小型化 、 便攜化的方向發(fā)展 ,所以研究小型化溫控系統(tǒng)意義明顯。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所投入了大量的人力和物力，獲得了半導(dǎo)體制冷片，因而才有了現(xiàn)在的半導(dǎo)體制冷片 在溫控系統(tǒng)方面的應(yīng)用?？刂破骷捎冒雽?dǎo)體 制 冷器，使得小型溫控系統(tǒng)達(dá)到了較高的要求 ,為解決溫度控制提供了良好的基礎(chǔ)。 半導(dǎo)體制冷技術(shù)有其廣闊的應(yīng)用前景，特別是在電子、軍工、醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)，半導(dǎo)體制冷往往是唯一的選擇 。 隨著人們的生活水平提高，人們?cè)絹碓阶⒅厣钇焚|(zhì)， 國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的應(yīng)用半導(dǎo)體制冷技術(shù)的產(chǎn)品日漸豐富起來。 如飲水機(jī) (冷熱兩用型 )，小型冷藏箱，便攜式汽車／旅游冰箱，冷熱兩用杯，高檔名貴酒類藏柜，女性用的化妝盒等等。在冰箱上的應(yīng)用國(guó)內(nèi)仍處于起步階段，這主要是受到半導(dǎo)體材料本 身的性能指標(biāo)的限制，也就是材 料 優(yōu)值系數(shù)的限制， 以至于 半導(dǎo)體冰箱只能應(yīng)用于制冷量較小、只需要冷藏溫度的場(chǎng)合，在現(xiàn)階段的應(yīng)用中，主要是半導(dǎo)體片的熱面散熱問題未能得到很好的解決，隨著基礎(chǔ)科學(xué)的研究，材料性能得以提高，實(shí)際的散熱問題 一定能 解決，應(yīng)該說， 半導(dǎo)體制冷器在 不久的將來將有較大的市場(chǎng) 。 半導(dǎo)體 制冷優(yōu)缺點(diǎn) 機(jī)械壓縮式制冷系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥、制冷劑等，而熱電制冷系統(tǒng)僅包括冷端、熱端、電源、電路等，即它不需要制冷劑。其次其工質(zhì)是在固體中傳導(dǎo)的電子，無工質(zhì)泄漏，且無機(jī)械運(yùn)動(dòng)，無噪聲，體積小，可靠性強(qiáng)。半導(dǎo)體制冷片熱慣 性非常小，制冷制熱時(shí)間很快，在熱端散熱良好冷端空常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達(dá)到最大溫差。第三，其 制 冷量調(diào)節(jié)范圍寬，冷熱轉(zhuǎn)換快。因此，在某些地方，有著壓縮式制冷機(jī)無法替代的作用。第四，半導(dǎo)體制冷片是電流換能型 元 件，通過輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制， 再加上溫度檢測(cè)和控制手段， 很容易實(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)控制， 便于組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。第五，半導(dǎo)體制冷片的單個(gè)制冷元件對(duì)的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、并聯(lián)的方法組合成制冷系統(tǒng)的話，功率就可以做的很大，制冷功率可以做到幾毫瓦到上萬 瓦的 范疇 。 但是， 由于 半導(dǎo)體材料，電源和熱端散熱等方面的影響，熱電制冷與常規(guī)的壓縮制冷相比，仍然存在著制冷效率低等問題。 溫度控制 的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 溫度是科學(xué)技術(shù)中最基本的物理量之一，物理、化學(xué)、生物等學(xué)科都離不開溫度。在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中，像電力、化工、石油、冶金、航空航天、機(jī)械制造、糧食存儲(chǔ)、酒類生產(chǎn)等領(lǐng)域內(nèi)，溫度常常是表征對(duì)象和過程狀態(tài)的最重要的參數(shù)之一。比如，發(fā)電廠鍋爐的溫度必須控制在一定的范圍之內(nèi)；許多化學(xué)反應(yīng)的工藝過程必須在適當(dāng)?shù)臏囟认虏拍苷＿M(jìn)行；煉油過程中，原油必須在不同的溫度和壓 力條件下進(jìn)行分餾才能得到汽油、柴油、煤油等產(chǎn)品。沒有合適的溫度環(huán)境，許多電子設(shè)備就不能正常工作，糧倉的儲(chǔ)糧就會(huì)變質(zhì)霉?fàn)€，酒類的品質(zhì)就沒有保障。因此，各行各業(yè)對(duì)溫度控制的要求都越來越高?？梢?，溫度的測(cè)量和控制是非常重要的。 溫度控制 在工業(yè)自動(dòng)化控制中占有非常重要的地位。單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命，自動(dòng)化、智能化均離不開單片機(jī)的應(yīng)用。將單片機(jī)控制方法運(yùn)用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴(yán)重滯后現(xiàn)象，同時(shí)在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度?，F(xiàn) 代自動(dòng)控制越來越朝著智能化發(fā)展，在很多自動(dòng)控制系統(tǒng)中都用到了工控機(jī)，小型機(jī)、甚至是巨型機(jī)處理機(jī)等，當(dāng)然這些處理機(jī)有一個(gè)很大的特點(diǎn)，那就是很高的運(yùn)行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但隨之而來的是巨額的成本。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機(jī)的成本占系統(tǒng)成本的比例高達(dá) 20%，而對(duì)于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一個(gè)如此高速的處理機(jī)沒有任何必要，因?yàn)檫@些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟(jì)效益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用成本低廉的單片機(jī)常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 控制小型的，而又不是很復(fù)雜，不需要大量復(fù)雜運(yùn)算的系統(tǒng)中是非常適合的。 隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn) 步，以及測(cè)溫儀器在各個(gè)領(lǐng)域的 廣泛 應(yīng)用，智能化已是現(xiàn)代溫度控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。特別是近年來，溫度控制系統(tǒng)已應(yīng)用到人們生活的各個(gè)方面，但溫度控制一直是一個(gè)未開發(fā)的領(lǐng)域，卻又是與人們息息相關(guān)的一個(gè)實(shí)際問題。針對(duì)這種實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景與實(shí)際意義。 單片機(jī)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測(cè)和溫度控制。隨著溫度控制器應(yīng)用范圍的日益廣泛和多樣，各種適用于不同場(chǎng)合的智能溫度控制器應(yīng)運(yùn)而生。 溫度控制系統(tǒng)完成的功能 本設(shè)計(jì)的內(nèi)容是溫度控制系統(tǒng)，控制 對(duì)象是溫度。溫度控制在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛，比如溫室、水池、發(fā)酵缸、電源等場(chǎng)所的溫度控制。而以往溫度控制是由人工完成的而且不夠重視，其實(shí)在很多場(chǎng)所溫度都需要監(jiān)控以防止發(fā)生意外。針對(duì)此問題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)一種可連續(xù)調(diào)溫的溫度控制系統(tǒng)，它 是對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí) 檢測(cè) 與控制，系 統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基本的溫度控制功能： 當(dāng)溫度高于設(shè)定 溫度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)半導(dǎo)體制冷器 降溫，使溫度下降，當(dāng)溫度下降到 設(shè)定 溫度以下時(shí)，停止降溫。數(shù)碼管即時(shí)顯示溫度，精確到小數(shù)點(diǎn)一位。 本課題所要解決的主要問題 1）硬件設(shè)計(jì)： 在元器件的布 局方面，應(yīng)該把相互有關(guān)的元件盡量放得靠近一些 ， 在電路板上要焊接到位，消除虛焊等不良因素。在整個(gè)電路設(shè)計(jì)上如何消除電路中的信號(hào)干擾，這也是非常重要的一步。 2） 供電電源設(shè)計(jì)： 220V 交流電經(jīng)變壓 、 整流 、 濾波后，穩(wěn)壓于 5V 做 為電路的電源。 必須 對(duì)系統(tǒng)的模擬電源和數(shù)字電源嚴(yán)格分開，以免對(duì)輸出的信號(hào)有干擾 ,尤其在高頻部分的電源是要去耦處理的 [4]，避免電源引線產(chǎn)生電路諧振。 3） 軟件設(shè)計(jì) :系統(tǒng)硬件電路確定后，整個(gè) 系統(tǒng) 的功能 都 由系統(tǒng)軟件來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)軟件是整個(gè)儀器的血液和靈魂，軟件編寫的好壞直接影響系統(tǒng)功能和性能的好壞 。因此，軟件的研制是本課題的一項(xiàng)主要 任務(wù) 。常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 總體方案比較 顯示器方案 方案一：使用 LCD 液晶顯示器。優(yōu)點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單，界面友好，顯示的數(shù)據(jù)量大。但是 LCD 在制造過程中 由于良品率很低，導(dǎo)致成本無法降低；可視角度小，對(duì)于個(gè)人使用來說是 足 夠了，但 是如果幾個(gè)人同時(shí)觀看，失真的問題就顯現(xiàn)出來了； 由于液晶分子不能自己發(fā)光，所以，液晶顯示器需要靠外界光源輔助發(fā)光 ，其亮度和對(duì)比度不是很好。 方案 二 ：采用 LED 數(shù)碼管。優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低 、 體積小 、 重量輕 ； 壽命長(zhǎng) ， 使用壽命在 10 萬小時(shí)以上，甚至 可達(dá) 100 萬小時(shí)； 抗沖擊性能好 ； 能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動(dòng)發(fā)光 ， 發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短 ，高頻特性好； 單色性好，亮度高 ， 顯示數(shù)據(jù)清晰明了 。 溫度方案 方案一：通過溫度傳感器 LM35 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過數(shù)據(jù)總線產(chǎn)生的模擬電信號(hào)經(jīng)過 AD 采集電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)再處理后顯示。 .LM35 是 3 腳的溫度模擬傳感器 ,輸出 的是電壓信號(hào) ,它是 根據(jù)電壓大小來測(cè)量溫度的 ,缺點(diǎn) 是很容易壞 。 方案 二 ：利用熱 敏電阻做為傳感器。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏電阻的阻值也將發(fā)生變化， 再通過 A/D采集電路把當(dāng)前的電壓值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)， 通 過單片機(jī) STC89C51 計(jì)算再顯示。 但是 電阻價(jià)格高， 需要復(fù)雜的恒流源伺服電路， 數(shù)據(jù)處理復(fù)雜 ， 電阻較大損耗大，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)速度較長(zhǎng) ，它的阻值與溫度的關(guān)系非線性嚴(yán)重，而且元件的一致性差，互換性差、易老化，穩(wěn)定性較差 。 方案 三 ：利用 溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行溫度采集。通過數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)據(jù)給單片機(jī)， 經(jīng)過計(jì)算后顯示。 DS18B20 是一個(gè)數(shù)字溫度采集 IC，只需三根導(dǎo)線和一個(gè)電阻，因?yàn)?它輸出的信號(hào)就是 8位的數(shù)字信號(hào)， 所以不需要其他任何外圍電路即可 直接可以 測(cè)得 溫度值 ， 電路非常簡(jiǎn)單。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 最終選擇方案 1） 顯 示部分 采用 數(shù)碼管顯示器實(shí)現(xiàn)顯示功能。 在 降溫 過程中，我們 利用數(shù)碼管將 從 傳感器所測(cè)量出來的溫度顯示出來。這樣就能 直觀地 觀察到即時(shí)的溫度情況，以便更好的驗(yàn)證系統(tǒng)的性能。 2） 溫度測(cè)量部分， 采用溫度芯片 DS18B20 測(cè)量溫度 。因?yàn)?比較以上 三 種方案，很容易看出， 方案一 、 方案二測(cè)出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度，需要比較多的外部硬件支持，硬件電路復(fù)雜，軟件調(diào)試復(fù)雜，制作成本高； 而方案三 采用溫度芯片 作為 測(cè)溫元件，此元件線形較好。在 0— 100 攝氏度時(shí)，最大線形偏差小于 1 攝氏度。該芯片直接向單片機(jī)傳輸數(shù)字信號(hào)， 電路比較 簡(jiǎn)單，便于單片機(jī)處理及控制 ， 軟件設(shè)計(jì) 容易實(shí)現(xiàn) 。 直接采用溫度芯片對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量 是 本制作的最大特點(diǎn)之一， 因?yàn)樗箶?shù)據(jù)傳輸和處理簡(jiǎn)單化 ，體現(xiàn)了作品芯片化這個(gè)趨勢(shì)。部分功能電路的集成，使總體電路更簡(jiǎn)潔，搭建電路和焊接電路時(shí)更快。而且，集成塊的使用，有效地避免外界的干擾，提高測(cè)量電路的精確度。所以芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢(shì)。本方案應(yīng)用這一溫度芯片，也是順應(yīng)這一趨勢(shì)。 所以 實(shí)際設(shè)計(jì)中采用方案 三 。 實(shí)現(xiàn)原理 系統(tǒng)采用 89C52 單片機(jī)作為中心處理器 ， 采用 DS18B20 測(cè)量 溫度 后 由 數(shù)碼管 進(jìn)行顯示。同時(shí)以按鍵作為人機(jī)界面調(diào)整。 系統(tǒng)總體框圖 圖 21 系統(tǒng)總體框圖 給定量 （設(shè)定的溫度） 控制器 （單片機(jī)） 執(zhí)行器 （制冷系統(tǒng)） 被控對(duì)象 （密閉 空間 ） 被控量 （ 空間 實(shí)際溫度 ） 檢測(cè)裝置 （溫度傳感器） 控制量 （制冷量） 比較器 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 硬件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)主要分為 電源電路部分、 單片機(jī)最小系統(tǒng)部分、 按鍵電路部分、 數(shù)碼管顯示部分、 溫度采集部分、繼電器控制部分 。 核心控制 由于系統(tǒng)對(duì)速度、功耗等沒有特殊要求， 從性能及設(shè)計(jì)成本考慮 ,通用廉價(jià)的 STC89C52 完全能夠勝任，而且控制比較方便，用其他的比如 AVR 就顯得大材小用，所以選擇了 STC89C52 作為系統(tǒng)控制核心。 STC89C52 的廣泛使用，使單片機(jī)的價(jià)格大大下降。目前， 89C52 的市場(chǎng)零售價(jià)已經(jīng)低于 825 827 825 8250 等專用接口芯片中的任何一種 ， 而 89C52的功能實(shí)際上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以上芯片。因此，如 果 把 89C52 作為接口芯片使用，在經(jīng)濟(jì)上是合算的。 系統(tǒng)采用的 是 上電復(fù)位，時(shí)鐘晶振采用的是 6MHz 時(shí)鐘晶振。系統(tǒng)在接通電源的時(shí)候，由于電容的充放電作用，給單片機(jī)的 9引腳復(fù)位引腳一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的高電平，使系統(tǒng)復(fù)位，回到初始狀態(tài)。晶振兩邊各接有一個(gè) 22PF 的瓷片電容，是為了幫助晶振起振。單片機(jī)的 P0 口沒有內(nèi)置的上拉電阻，因此當(dāng) P0 口作為輸入或者輸出口時(shí)需要在 P0 口接上上拉電阻。單片機(jī)的 31 引腳是程序存儲(chǔ)器的選擇端口，系統(tǒng)采用的是內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器，因此 31 引腳要接高電平，保證系統(tǒng)能