半導體制冷片溫度控制課程設計報告

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　題 目：半導體制冷片溫度控制 </p><p>　　院 （系）：xxxxxxxxxxx學院xxxxx </p><p>　　專 業(yè)： xxxxxxxxxxxx </p><p>　　學生姓名： XXXX

2、 </p><p>　　學 號： xxxxxxxxxxxx </p><p>　　指導教師： xxxxxxxxxxxxxxx </p><p>　　2012 年 3 月 10 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　溫度是工

3、業(yè)中非常關鍵的一項物理量，在農業(yè)，現(xiàn)代科學研究和各種高新技術的開發(fā)和研究中也是一個非常普遍和常用的測量參數。溫度控制的原理主要是：將隨溫度變化而變化的物理參數，通過溫度傳感器轉變成電信號，傳給計算機，與給定溫度相減后得到偏差，經過控制器后輸出給控制對象達到控溫的目的。</p><p>　　半導體制冷片是利用半導體材料的Peltier效應，當直流電通過兩種不同半導體材料串聯(lián)成的電偶時,在電偶的兩端即可分別吸收熱量和

4、放出熱量,可以實現(xiàn)制冷的目的。制冷速度與通過的電流大小成正比。</p><p>　　本設計針對用半導體對水箱的制冷模型設計了相應模糊PI控制器對水箱進行計算機恒溫控制。</p><p>　　關鍵詞: 半導體制冷 ；STC12C5A08S2；模糊PI；PWM； 引言1</p><p>　　1 課程設計概述1</p><p>　　1.1

5、課程設計題目1</p><p>　　1.2 主要儀器設備1</p><p><b>　　2 硬件設計1</b></p><p>　　2.1 單片機部分1</p><p>　　2.2 串行接口部分2</p><p>　　2.3驅動電路部分2</p><p>&l

6、t;b>　　3 軟件設計3</b></p><p>　　3.1 流程圖設計3</p><p>　　3.1.1 溫度控制主程序流程圖3</p><p>　　3.2 控制算法設計4</p><p>　　3.2.1 控制對象模型4</p><p>　　3.2.2 PI控制器設計5</p&g

7、t;<p>　　3.2.3 控制器的設計5</p><p><b>　　4 系統(tǒng)調試5</b></p><p>　　4.1 單片機程序仿真5</p><p>　　4.2 STC12C5A08S2單片機系統(tǒng)電路調試6</p><p>　　4.3 驅動電路調試7</p><p&g

8、t;　　4.4 系統(tǒng)調試7</p><p>　　5總結與改進展望7</p><p><b>　　6 謝辭8</b></p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　溫度作為一項熱工參數,在工業(yè)現(xiàn)場和過程控制中具有至關重要的作用。半導體制冷相對于傳統(tǒng)制冷方式，有著體積小，

9、重量輕，無制冷劑而不污染環(huán)境，作用速度快，使用壽命長，且易于控制。本文介紹了使用DS18B20作為溫度傳感器的PWM半導體制冷控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　1 課程設計概述</b></p><p>　　1.1 課程設計題目</p><p>　　設計半導體制冷片的線性驅動電路和熱敏元件的測溫電路，再設計PI控制器來調節(jié)制冷電壓，實現(xiàn)溫

10、度控制，控制范圍15~25度，控制精度±0.5度，通過鍵盤進行溫度設置，實際溫度可以實時顯示。</p><p>　　*附加要求：通過RS232或RS485接口與PC機通信，在PC機上進行參數顯示和設置。</p><p>　　1.2 主要儀器設備</p><p>　　半導體制冷片（連水箱） 1臺</p><p>　　

11、示波器 1臺</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源 1臺</p><p>　　數字萬用表 1塊</p><p>　　PC機 1臺</p><p><b>　　2 硬件設計</b>&l

12、t;/p><p>　　整個系統(tǒng)以單片機STC12C5A08S2為核心部件。在08S2最小系統(tǒng)外圍添加了按鍵，顯示，與PC機的通信接口，以及光電耦合PC817和MOS管IRF9540構成的驅動電路。</p><p>　　2.1 單片機部分 </p><p>　　本設計選擇的單片機芯片是STC12C5A08S2，其原理圖如2-1所示。該芯片的P0.0-P0.3用作鍵盤數字

13、量輸入，加入了上拉電阻按鍵未按下時始終處于高電平狀態(tài)，讀按鍵值前先給P0口賦值為0；</p><p>　　P1.0作為DS18B20的數據輸入端口；</p><p>　　P2.0-P2.7作LCD1602的數據輸出端口；</p><p>　　P4.4-P4.6作LCD1602的控制信號；</p><p>　　P1.3作為光耦合的控制信號；&l

14、t;/p><p>　　P3.0和P3.1是STC12C5A08S2的串口，實現(xiàn)上電復位程序下載。</p><p>　　圖 2-1 STC12C5A08S2最小系統(tǒng)原理圖</p><p>　　2.2 串行接口部分</p><p>　　MAX232通過內部電壓倍增及電壓反向電路，把TTL電平與RS232電平互換，實現(xiàn)單片機與PC機的串口通信。<

15、/p><p>　　圖 2-2 MAX232及串行接口原理圖</p><p><b>　　2.3驅動電路部分</b></p><p>　　JPWM為P1.3口的PWM信號輸入，作為光耦PC817的觸發(fā)導通信號，從而產生MOS管IRP9540導通的觸發(fā)信號，實現(xiàn)對右端負載的控制。如圖2-3所示，本電路中還加入了撥動開關可對系統(tǒng)進行開關控制。</

16、p><p>　　圖 2-3 驅動部分原理圖</p><p><b>　　3 軟件設計</b></p><p><b>　　3.1 流程圖設計</b></p><p>　　3.1.1 溫度控制主程序流程圖</p><p>　　溫度控制主程序流程圖設計如圖 3-1所示。</p

17、><p>　　STC12C5A08S2中的主程序需要完成下幾個工作:</p><p>　　調用子函數對系統(tǒng)初始化,其中包括對自身的定時器T0,T1,I/O口,PWM口（P1.3），串口的初始化，以及對外部器件DS18B20和LCD1602的初始化；延時2S鐘顯示歡迎屏幕，等整個系統(tǒng)電壓穩(wěn)定后讀取開機時的溫度；</p><p>　　調用子函數讀取當前溫度值</p&g

18、t;<p>　　調用子函數把當前讀取的溫度以及設定值通過串口送入PC機顯示；</p><p>　　調用子函數判斷PC機是否有新的數據傳送到單片機；</p><p>　　調用子函數，把設定值與當前值相比較，對輸出PWM進行控制；</p><p>　　調用子函數刷新當前頁面；</p><p>　　調用子函數進行按鍵判斷，依據按鍵值調

19、用不同的子函數進行翻頁或者設置；</p><p>　　圖 3-1溫度控制主程序流程圖</p><p>　　3.2 控制算法設計</p><p>　　3.2.1 控制對象模型</p><p>　　制冷片的水箱模型可近似地認為成一階慣性環(huán)節(jié)，從而測量系統(tǒng)階躍響應可模擬出系統(tǒng)的數學模型，G(s)=1/（T*s+1），其中T等于階躍響應中調節(jié)時間Ts

20、的四分之一。給電流I=0.5A時階躍響應數據記錄如下，其中t=0時，溫度約為27℃；t=100時，溫度約為24℃。取終值11KΩ的98%，Ts約為54min=3240s，則G(s)=1/（810*s+1）。</p><p>　　1.由此看出，制冷系統(tǒng)是大慣性系統(tǒng)，制冷需要一段時間之后溫度才開始下降；</p><p>　　2.至停止制冷后，溫度還會有小幅度的下降，而設定溫度越低，下降的幅度越

21、??；</p><p>　　3.由于與外界的熱交換，溫度越低時，水箱的自然升溫速度越快。</p><p>　　圖 3-2 對象階躍響應擬合曲線</p><p>　　3.2.2 PI控制器設計</p><p>　　PI調節(jié)器的微分方程為：y(t)=Kp[e(t)+1/Ti*∫e(t)dt]?？刂破饔袃煞N算法，位置型和增量型。位置型算法時，計算每次

22、實際值與設定值的偏差為e0，上次的偏差為e1，則控制量u=kp*e0+ki*（e0+e1）。增量型算法時，u+=e0*ki+(e1-e0)*kp。本次系統(tǒng)中選用的是位置型算法。</p><p>　　3.2.3 控制器的設計</p><p>　　根據制冷片的滯后特點，為了使制冷片能迅速達到設定的溫度，應該在離設定溫度較遠時給負載加上最大功率；又為了防止制冷片的大慣性的特性使系統(tǒng)產生嚴重的超調

23、，需要提前在一定的范圍內進行PI控制以達到最佳效果；而最后階段，需要預先判斷系統(tǒng)的停止工作點，讓制冷片的溫度擴散的整個水箱，此時停止制冷。</p><p>　　若設定溫度大于當前溫度時，系統(tǒng)也將停止制冷，等溫度慢慢回升。</p><p>　　現(xiàn)設定開始進入PI控制的溫度上限為設定值T+1℃，而停止制冷的溫度，根據多次實驗建立的數據庫如下：</p><p><b

24、>　　4 系統(tǒng)調試</b></p><p>　　4.1 單片機程序仿真</p><p>　　由于PROTEUS中沒有我們選用的STC12C5A08S2型號的單片機，因此使用AT89S2的單片機代替。仿真電路如下圖所示，仿真時除初始化時當前溫度顯示為85℃以外，一切工作正常。</p><p>　　圖 4-1 系統(tǒng)控制電路仿真電路圖</p>

25、;<p>　　4.2 STC12C5A08S2單片機系統(tǒng)電路調試</p><p>　　STC12C5A08S2最小系統(tǒng)包括晶振和復位電路，按鍵電路，LCD顯示，以及通信下載接口。</p><p>　　由于以前沒有使用過這個型號的單片機，也沒有做過串口下載器，所以先把串口接口芯片MAX232及其外部電容和單片機的晶振電路接在面包板上，通過串口與單片機連接調試下載功能，由于一開始

26、電源和地之間沒有接電容，因此系統(tǒng)不是很穩(wěn)定，有時可以下載，有時不可以，接入電容之后系統(tǒng)比較穩(wěn)定了。</p><p>　　依據插在面包板的電路圖畫原理圖以及PCB，板子做出來之后，用萬用表測試各點的連接特性，正常。上電，電源指示燈偏暗，把10K的限流電阻換為1K的之后指示燈工作正常。</p><p>　　由于STC12C5A08S2單片機運算速度比89S52快，因此程序中延時子函數一律乘以1

27、2。修改管腳使其適應實際的電路板，重新編譯后下載程序。液晶沒有顯示，調節(jié)液晶顯示偏壓信號端的電壓，使其接近地，液晶顯示正常。接上DS18B20,溫度顯示正常。用按鍵進行翻頁及設置，按鍵功能正常。據此，單片機系統(tǒng)板及程序完全工作正常。</p><p>　　4.3 驅動電路調試</p><p>　　驅動電路板做好后進行測試。用外用表測量，各點連接特性正常。分別把PWM輸入端接地和接VCC，用示

28、波器觀察負載輸出電壓，輸出電壓對應為零和為12伏，工作正常，接入PWM信號后，輸出變?yōu)榱?，不正?！?lt;/p><p>　　用示波器觀察MOS管G極電壓，發(fā)現(xiàn)為鋸齒波，上升部分傾斜，下降部分豎直。分析原因為MOS管的S極與電源之間的電阻太大，使通過MOS管的電流太小，MOS管的電容特性使其在一定充電時間內電壓不能達到導通，因此輸出恒為零。把電阻調小，鋸齒波頂部逐漸變平，電阻繼續(xù)調小，輸出的最低電壓開始升高不為零。此時

29、繼續(xù)調節(jié)電阻已沒有意義，在程序中把PWM輸出的波形頻率降低，降到最低14HZ。此時G極波形已為方波，繼續(xù)減小電阻，直到G極輸出的最低電壓恰好為零，使其能通過更高頻率的信號。最后稍微增大該電阻，使其電壓被允許在一定范圍內波動。</p><p>　　測量連接負載的D極，D極波形為與輸入的PWM反向的方波，驅動電路工作正常。</p><p><b>　　4.4 系統(tǒng)調試</b&g

30、t;</p><p>　　各個部分的調試完成以后，對整個系統(tǒng)進行調試，從室溫約27.5℃開始，設置水箱的溫度分別為26℃，23℃，20℃。</p><p>　　具體記錄的數據如下所示。</p><p><b>　　表 6-5-1</b></p><p>　　加入算法后，超調量被控制在1%以下，溫度下降速度較快，較穩(wěn)定。&

31、lt;/p><p><b>　　總結與改進展望</b></p><p>　　本次設計中，我完成了包括資料收集，系統(tǒng)設計及仿真，程序編寫，電路圖與PCB板的繪制腐蝕焊接及調試的全過程，整個系統(tǒng)完成測試后，性能穩(wěn)定，基本達到了預期的目標。</p><p>　　水箱溫度在29~10攝氏度范圍內可控（設置值不大于當前室溫），LCD液晶溫度顯示穩(wěn)定，與之前購

32、買的溫度計有大約恒定1℃的溫差。傳送到PC機的數據顯示正常，可以從PC機接收數據對各個參數進行設置。</p><p>　　溫度控制算法的設計，在原模糊分段控制的基礎上，加上了PI控制，雖然最后由于時間關系，參數中只使用了P，但是可以證明，加入了PI控制的模糊算法比單純的模糊分段控制取得了更好的效果。</p><p>　　在本次設計中，也存在著可以改進的地方。例如程序中有部分程序段是幾乎重復

33、使用的，但在各種情況下，只使用了switch函數分情況討論，沒有總結出特定的函數對所有的情況進行處理，這導致了程序過長，應該還有可以壓縮的空間。還有對于參數的調整，只使用了P，沒有用到I，而且對于停止控制的位置，也還應該重新配合。這都是需要作出調整的，而且DS18B20檢測溫度只能精確到0.0625℃，若要再進一步提升各種指標的話，最好換一個精度更高的溫度檢測手段。</p><p><b>　　6 謝

34、辭</b></p><p>　　本次設計能夠完成得到了許多幫助，首先感謝xx老師，xx老師以及龍超老師的悉心指導，為我們提供了設計的思路，為我們指出了設計的各種不足指出，并一次次為我們解決了調試過程中出現(xiàn)的各種問題。正是有了他們的指導，我的設計才得以順利完成。</p><p>　　感謝一同進行設計的同學們，是他們在我對著板子一籌莫展地時候給我指出了可能的錯誤，在調試過程中給予我

35、各種意見，并且測量數據時給予我各種幫助，沒有他們的幫助，我的設計不能得以完善。  </p><p>　　感謝一直教導我的任課老師，是任課老師的諄諄教導，使得我們可以學以致用，完成本次設計一定是基于扎實的理論課基礎的。</p><p>　　最后感謝在本次設計中所有幫助過我的老師同學們。參考文獻</p><p>　　[1] 胡壽松. 自動控制原理[

36、M] . 北京:科學出版社,2007.</p><p>　　[2] 華成英,童詩白. 模擬電子技術基礎[M] . 北京:高等教育出版社,2006.</p><p>　　[3] 王再英，劉淮霞，陳毅靜. 過程控制系統(tǒng)與儀表[M] . 北京:機械工業(yè)出版社,2006.</p><p>　　[4] 馬淑華，王鳳文，張美金.單片機原理與接口技術[M] . 北京：郵電大

37、學出版社，2007.</p><p>　　[5] 潘新民，王燕芳. 微型計算機控制技術實用教程[M] . 北京:電子工業(yè)出版社,2006.</p><p>　　[6] 譚浩強. C程序設計[M] . 北京:清華大學出版社,2005.</p><p><b>　　附 錄</b></p><p><b>　　

38、主要電路PCB：</b></p><p>　　STC89C5A08S2最小系統(tǒng)</p><p><b>　　驅動電路</b></p><p>　　STC12C5A08S2程序</p><p>　　/********************************************************