半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的研究

保定職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告（論文）系機(jī)電工程系專業(yè)應(yīng)用電子技術(shù)班級電子0805姓名榮桂婷學(xué)號20080549題目半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的研究指導(dǎo)教師安衛(wèi)超完成時(shí)間2010年01月05保定職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告（論文）系機(jī)電工程系專業(yè)應(yīng)用電子技術(shù)班級電子0805姓名榮桂婷學(xué)號20080549題目半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的研究指導(dǎo)教師安衛(wèi)超完成時(shí)間2010年01月05日2010年01月05日內(nèi)容摘要本文介紹了基于半導(dǎo)體制冷器件的小型溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想以及實(shí)現(xiàn)方法。重點(diǎn)研究了半導(dǎo)體制冷器件的基本原理、系統(tǒng)構(gòu)成、以及PID控制方法的單片機(jī)(SCM)實(shí)現(xiàn)。采用此方法設(shè)計(jì)的小型溫度控制系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)使用壓縮機(jī)的制冷技術(shù)而采用半導(dǎo)體制冷器件，因而具有控制靈活，控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，并顯著降低了成本。能夠滿足生物、醫(yī)學(xué)以及一些工業(yè)領(lǐng)域?qū)π⌒秃銣叵涞囊螅哂幸欢ǖ耐茝V應(yīng)用價(jià)值和市場前景。索引關(guān)鍵詞內(nèi)容摘要本文介紹了基于半導(dǎo)體制冷器件的小型溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想以及實(shí)現(xiàn)方法。重點(diǎn)研究了半導(dǎo)體制冷器件的基本原理、系統(tǒng)構(gòu)成、以及PID控制方法的單片機(jī)(SCM)實(shí)現(xiàn)。采用此方法設(shè)計(jì)的小型溫度控制系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)使用壓縮機(jī)的制冷技術(shù)而采用半導(dǎo)體制冷器件，因而具有控制靈活，控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，并顯著降低了成本。能夠滿足生物、醫(yī)學(xué)以及一些工業(yè)領(lǐng)域?qū)π⌒秃銣叵涞囊螅哂幸欢ǖ耐茝V應(yīng)用價(jià)值和市場前景。索引關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷器件、溫度控制、PID控制目錄第一章緒論..........................................................................................................................11.1引言..................................................................................................................................11.2半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢..........................................................11.3研究的意義......................................................................................................................1第二章半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理簡介......................................................................................22.1帕爾帖效應(yīng)原理介紹......................................................................................................22.2半導(dǎo)體致冷器件原理概述..............................................................................................2第三章半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)..........................................................................33.1半導(dǎo)體制冷的溫控系統(tǒng)的硬件組成..............................................................................33.2硬件電路的具體設(shè)計(jì)......................................................................................................33.3對MSP430單片機(jī)溫控制核心電路的研究目錄第一章緒論..........................................................................................................................11.1引言..................................................................................................................................11.2半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢..........................................................11.3研究的意義......................................................................................................................1第二章半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理簡介......................................................................................22.1帕爾帖效應(yīng)原理介紹......................................................................................................22.2半導(dǎo)體致冷器件原理概述..............................................................................................2第三章半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)..........................................................................33.1半導(dǎo)體制冷的溫控系統(tǒng)的硬件組成..............................................................................33.2硬件電路的具體設(shè)計(jì)......................................................................................................33.3對MSP430單片機(jī)溫控制核心電路的研究....................................................................43.4MSP430的作用.................................................................................................................53.5對AD轉(zhuǎn)換器的原理認(rèn)識................................................................................................53.6PWM實(shí)現(xiàn)原理...................................................................................................................6第四章半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)..................................................................................74.1軟件設(shè)計(jì)流程..................................................................................................................74.2溫度采集系統(tǒng)..................................................................................................................74.3PID算法的介紹...............................................................................................................8第五章半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的工作過程..........................................................................8第六章半導(dǎo)體制冷器件使用注意事項(xiàng)..............................................................................9后記....................................................................................................................................10參考文獻(xiàn)..........................................................................................................................111半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第一章緒論1.1引言半導(dǎo)體制冷又稱電子制冷，它利用特種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P—N結(jié)，形成熱電偶對，產(chǎn)生珀?duì)柼?yīng)，即當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導(dǎo)體材料N、P的元件對數(shù)來決定的。制冷片內(nèi)部是由上百對電偶聯(lián)成的熱電堆，以達(dá)到增強(qiáng)制冷(制熱)的效果。半導(dǎo)體制冷器件不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，無污染，即能制冷又能制熱。并且半導(dǎo)體制冷片是電流轉(zhuǎn)換型器件，通過對輸入電流的控制即可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制?？蓮V泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域，如實(shí)驗(yàn)室冷箱、恒溫顯影槽、細(xì)菌培養(yǎng)基等。1.2半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢溫度是工業(yè)生產(chǎn)中相當(dāng)重要的參數(shù)之一,溫度檢測和控制的準(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,對溫度要求嚴(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。而且現(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。針對這一情況，中國早在50年代末60年代初，就開始了半導(dǎo)體制冷技術(shù)的研究工作。60年代中期，半導(dǎo)體材料的性能達(dá)到了國際水平，60年代末至80年代初是我國半導(dǎo)體制冷片技術(shù)發(fā)展的一個(gè)臺階。在此期間，一方面半導(dǎo)體制冷材料的優(yōu)值系數(shù)提高，另一方面拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。中國科學(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)體致冷器，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)。1.3研究的意義研究意義：在“帕爾貼效應(yīng)”的原理基礎(chǔ)上，對半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)高1半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第一章緒論1.1引言半導(dǎo)體制冷又稱電子制冷，它利用特種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P—N結(jié)，形成熱電偶對，產(chǎn)生珀?duì)柼?yīng)，即當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導(dǎo)體材料N、P的元件對數(shù)來決定的。制冷片內(nèi)部是由上百對電偶聯(lián)成的熱電堆，以達(dá)到增強(qiáng)制冷(制熱)的效果。半導(dǎo)體制冷器件不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，無污染，即能制冷又能制熱。并且半導(dǎo)體制冷片是電流轉(zhuǎn)換型器件，通過對輸入電流的控制即可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制?？蓮V泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域，如實(shí)驗(yàn)室冷箱、恒溫顯影槽、細(xì)菌培養(yǎng)基等。1.2半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢溫度是工業(yè)生產(chǎn)中相當(dāng)重要的參數(shù)之一,溫度檢測和控制的準(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,對溫度要求嚴(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。而且現(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。針對這一情況，中國早在50年代末60年代初，就開始了半導(dǎo)體制冷技術(shù)的研究工作。60年代中期，半導(dǎo)體材料的性能達(dá)到了國際水平，60年代末至80年代初是我國半導(dǎo)體制冷片技術(shù)發(fā)展的一個(gè)臺階。在此期間，一方面半導(dǎo)體制冷材料的優(yōu)值系數(shù)提高，另一方面拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。中國科學(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)體致冷器，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)。1.3研究的意義研究意義：在“帕爾貼效應(yīng)”的原理基礎(chǔ)上，對半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)高效率，高精度制冷。半導(dǎo)體致冷系統(tǒng)普遍應(yīng)用于軍事，醫(yī)療，實(shí)驗(yàn)室裝置，各種高低溫實(shí)驗(yàn)儀器，專用裝置等諸多領(lǐng)域。2第二章半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理簡介2.1帕爾帖效應(yīng)原理介紹半導(dǎo)體致冷亦稱電子致冷也叫溫差致冷，是由半導(dǎo)體所組成的一種冷卻裝置如圖2-1：圖2-1這是由X及Y兩種不同的金屬導(dǎo)線所組成的封閉線路，通上電源之后，冷端的熱量被移到熱端，導(dǎo)致冷端溫度降低，熱端溫度升高，這就是著名的帕爾帖效應(yīng)。以帕爾帖效應(yīng)為理論依據(jù)，經(jīng)過多年的摸索實(shí)踐，研制的半導(dǎo)體制冷器件被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制冷技術(shù)。2.2半導(dǎo)體致冷器件原理概述半導(dǎo)體致冷器件原理：把一個(gè)N型和P型半導(dǎo)體的粒子用金屬連接片焊接而成一個(gè)電偶對。當(dāng)直流電流從N極流向P極時(shí)，2.3端上產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象，此端稱冷端而下面1.4端產(chǎn)生放熱現(xiàn)象，此端稱熱端如果電流方向反過來，則冷熱端相互轉(zhuǎn)換。由于一個(gè)電偶產(chǎn)生熱效應(yīng)（一般約1Kcal／h）所以實(shí)際上將幾十。上百對電偶聯(lián)成的熱電堆。所以半導(dǎo)體的致冷即一端吸熱一端放熱，是由載流子（電子和空穴）流過結(jié)點(diǎn)，由勢能的變化而引起的能量傳遞，這是半導(dǎo)體致冷的本質(zhì)。如圖2-2所示：圖2-2半導(dǎo)體致冷的過程：電子由負(fù)極出發(fā)經(jīng)過金屬片流向P點(diǎn)4，到P型，再流向2第二章半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理簡介2.1帕爾帖效應(yīng)原理介紹半導(dǎo)體致冷亦稱電子致冷也叫溫差致冷，是由半導(dǎo)體所組成的一種冷卻裝置如圖2-1：圖2-1這是由X及Y兩種不同的金屬導(dǎo)線所組成的封閉線路，通上電源之后，冷端的熱量被移到熱端，導(dǎo)致冷端溫度降低，熱端溫度升高，這就是著名的帕爾帖效應(yīng)。以帕爾帖效應(yīng)為理論依據(jù)，經(jīng)過多年的摸索實(shí)踐，研制的半導(dǎo)體制冷器件被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制冷技術(shù)。2.2半導(dǎo)體致冷器件原理概述半導(dǎo)體致冷器件原理：把一個(gè)N型和P型半導(dǎo)體的粒子用金屬連接片焊接而成一個(gè)電偶對。當(dāng)直流電流從N極流向P極時(shí)，2.3端上產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象，此端稱冷端而下面1.4端產(chǎn)生放熱現(xiàn)象，此端稱熱端如果電流方向反過來，則冷熱端相互轉(zhuǎn)換。由于一個(gè)電偶產(chǎn)生熱效應(yīng)（一般約1Kcal／h）所以實(shí)際上將幾十。上百對電偶聯(lián)成的熱電堆。所以半導(dǎo)體的致冷即一端吸熱一端放熱，是由載流子（電子和空穴）流過結(jié)點(diǎn)，由勢能的變化而引起的能量傳遞，這是半導(dǎo)體致冷的本質(zhì)。如圖2-2所示：圖2-2半導(dǎo)體致冷的過程：電子由負(fù)極出發(fā)經(jīng)過金屬片流向P點(diǎn)4，到P型，再流向P點(diǎn)3，結(jié)點(diǎn)金屬片從結(jié)點(diǎn)2，到達(dá)N型，再返過結(jié)點(diǎn)1，到達(dá)金屬片回到電源正極。由于左半部是P型，3導(dǎo)電方式是空穴，空穴流動(dòng)方向與電子流動(dòng)方向相反，所以空穴是結(jié)點(diǎn)3金屬片，到P型，再到結(jié)點(diǎn)4金屬片，最后到電源負(fù)極。結(jié)點(diǎn)4金屬中的空穴具有的能量低于P型中空穴能量，當(dāng)空穴在電場作用下要從3到達(dá)P型，必須要增加能量，并把這部分勢能轉(zhuǎn)變?yōu)榭昭ǖ碾娔堋Ｒ蚨诮Y(jié)點(diǎn)3處的1金屬被冷卻下來，當(dāng)空穴流向4時(shí)，金屬片曲于P型中空穴能量太子金屬中空穴的能量，因而要釋放多余的勢能，要將熱放出來這4處的金屬片是被加熱。右半部是N型，與金屬片聯(lián)接是靠自由電子導(dǎo)電的，而在結(jié)點(diǎn)2金屬中勢能低于N型電子勢能，當(dāng)自由電子在電場作用1電子通過結(jié)點(diǎn)2到達(dá)N型時(shí)必然要增加電能，這部分勢能只能從金屬片勢能取得，同時(shí)必然使結(jié)點(diǎn)2金屬片冷下來。當(dāng)電子由N型流向結(jié)點(diǎn)1金屬片時(shí)，由于電子從勢能較高的地方流向勢能低處，故要釋放多余的電能。并變成熱能，在結(jié)點(diǎn)1處使金屬片加熱，是熱端。第三章半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1半導(dǎo)體制冷的溫控系統(tǒng)的硬件組成本系統(tǒng)即是基于半導(dǎo)體制冷片TEC1—12706，加之溫度檢測裝置和MSP430單片機(jī)PID控制手段實(shí)現(xiàn)一個(gè)高精度溫度控制系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)由MSP430F149單片機(jī)控制單元、帶驅(qū)動(dòng)電路的制冷單元、溫度檢測模塊以及鍵盤輸入和液晶顯示四大部分組成。半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)工作原理框圖如圖3-1：圖3-13.2硬件電路的具體設(shè)計(jì)一、鍵盤部分設(shè)計(jì)要求采用八個(gè)鍵，實(shí)現(xiàn)用戶對溫度的設(shè)定和PID參數(shù)的設(shè)定。二、顯示部分采用液晶顯示，能夠顯示溫度的變化并以曲線的形式直觀的給出。三、制冷驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用兩片制冷片串聯(lián)疊加的方式來提高制冷能力，故電路采用兩片IR公司芯片IR2103作為核心驅(qū)動(dòng)芯片，輸人與單片機(jī)輸出的PWM相連，通過改變占空比調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動(dòng)電壓。由于同時(shí)接入兩片半導(dǎo)體制冷器件功率較大，必須保證電提供MSP430單片機(jī)控制系統(tǒng)溫度曲線顯示電壓采樣ADS1878DS18B20制冷器件驅(qū)動(dòng)電路半導(dǎo)體制冷器件鍵盤3導(dǎo)電方式是空穴，空穴流動(dòng)方向與電子流動(dòng)方向相反，所以空穴是結(jié)點(diǎn)3金屬片，到P型，再到結(jié)點(diǎn)4金屬片，最后到電源負(fù)極。結(jié)點(diǎn)4金屬中的空穴具有的能量低于P型中空穴能量，當(dāng)空穴在電場作用下要從3到達(dá)P型，必須要增加能量，并把這部分勢能轉(zhuǎn)變?yōu)榭昭ǖ碾娔?。因而在結(jié)點(diǎn)3處的1金屬被冷卻下來，當(dāng)空穴流向4時(shí)，金屬片曲于P型中空穴能量太子金屬中空穴的能量，因而要釋放多余的勢能，要將熱放出來這4處的金屬片是被加熱。右半部是N型，與金屬片聯(lián)接是靠自由電子導(dǎo)電的，而在結(jié)點(diǎn)2金屬中勢能低于N型電子勢能，當(dāng)自由電子在電場作用1電子通過結(jié)點(diǎn)2到達(dá)N型時(shí)必然要增加電能，這部分勢能只能從金屬片勢能取得，同時(shí)必然使結(jié)點(diǎn)2金屬片冷下來。當(dāng)電子由N型流向結(jié)點(diǎn)1金屬片時(shí)，由于電子從勢能較高的地方流向勢能低處，故要釋放多余的電能。并變成熱能，在結(jié)點(diǎn)1處使金屬片加熱，是熱端。第三章半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1半導(dǎo)體制冷的溫控系統(tǒng)的硬件組成本系統(tǒng)即是基于半導(dǎo)體制冷片TEC1—12706，加之溫度檢測裝置和MSP430單片機(jī)PID控制手段實(shí)現(xiàn)一個(gè)高精度溫度控制系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)由MSP430F149單片機(jī)控制單元、帶驅(qū)動(dòng)電路的制冷單元、溫度檢測模塊以及鍵盤輸入和液晶顯示四大部分組成。半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)工作原理框圖如圖3-1：圖3-13.2硬件電路的具體設(shè)計(jì)一、鍵盤部分設(shè)計(jì)要求采用八個(gè)鍵，實(shí)現(xiàn)用戶對溫度的設(shè)定和PID參數(shù)的設(shè)定。二、顯示部分采用液晶顯示，能夠顯示溫度的變化并以曲線的形式直觀的給出。三、制冷驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用兩片制冷片串聯(lián)疊加的方式來提高制冷能力，故電路采用兩片IR公司芯片IR2103作為核心驅(qū)動(dòng)芯片，輸人與單片機(jī)輸出的PWM相連，通過改變占空比調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動(dòng)電壓。由于同時(shí)接入兩片半導(dǎo)體制冷器件功率較大，必須保證電提供MSP430單片機(jī)控制系統(tǒng)溫度曲線顯示電壓采樣ADS1878DS18B20制冷器件驅(qū)動(dòng)電路半導(dǎo)體制冷器件鍵盤輸入PWM溫度檢測閉環(huán)穩(wěn)壓4足夠的電流，可采用開關(guān)電源。斬波部分選用具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關(guān)頻率等優(yōu)點(diǎn)的全控性功率器件，此處采用電流容量為23A，耐壓值為100V的MOSFET(IRF540)，完全能夠滿足系統(tǒng)所用制冷器件TEC1—12706所需6A的驅(qū)動(dòng)電流和12V的額定電壓。為同時(shí)滿足制冷制熱的驅(qū)動(dòng)要求，需要改變制冷器件驅(qū)動(dòng)電源極性，電路采用繼電器進(jìn)行極性的切換，單片機(jī)10口通過三極管驅(qū)動(dòng)繼電器線圈，可以實(shí)現(xiàn)制冷與加熱的自動(dòng)切換。驅(qū)動(dòng)電路圖如下：圖3-2四、控制電路的設(shè)計(jì)：控制電路以MSP430單片機(jī)為溫控核心，主要負(fù)責(zé)對溫度進(jìn)行監(jiān)測根據(jù)PID算法輸入相應(yīng)占空比的PWM給驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。溫度檢測選用兩片數(shù)字溫度傳感器DS18B20同時(shí)對內(nèi)溫度和外溫度進(jìn)行監(jiān)測。同時(shí)為了輸出電壓的穩(wěn)定和過電壓的保護(hù)對輸出電壓AD進(jìn)行采樣。AD芯片采用TI公司的12位ADS7818高速串行AD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。參考電壓選5V，驅(qū)動(dòng)電路電壓經(jīng)過采樣電阻分壓送AD轉(zhuǎn)換。按最大輸出18V計(jì)算，選用100K和200K的采樣電阻。3.3對4足夠的電流，可采用開關(guān)電源。斬波部分選用具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關(guān)頻率等優(yōu)點(diǎn)的全控性功率器件，此處采用電流容量為23A，耐壓值為100V的MOSFET(IRF540)，完全能夠滿足系統(tǒng)所用制冷器件TEC1—12706所需6A的驅(qū)動(dòng)電流和12V的額定電壓。為同時(shí)滿足制冷制熱的驅(qū)動(dòng)要求，需要改變制冷器件驅(qū)動(dòng)電源極性，電路采用繼電器進(jìn)行極性的切換，單片機(jī)10口通過三極管驅(qū)動(dòng)繼電器線圈，可以實(shí)現(xiàn)制冷與加熱的自動(dòng)切換。驅(qū)動(dòng)電路圖如下：圖3-2四、控制電路的設(shè)計(jì)：控制電路以MSP430單片機(jī)為溫控核心，主要負(fù)責(zé)對溫度進(jìn)行監(jiān)測根據(jù)PID算法輸入相應(yīng)占空比的PWM給驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。溫度檢測選用兩片數(shù)字溫度傳感器DS18B20同時(shí)對內(nèi)溫度和外溫度進(jìn)行監(jiān)測。同時(shí)為了輸出電壓的穩(wěn)定和過電壓的保護(hù)對輸出電壓AD進(jìn)行采樣。AD芯片采用TI公司的12位ADS7818高速串行AD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。參考電壓選5V，驅(qū)動(dòng)電路電壓經(jīng)過采樣電阻分壓送AD轉(zhuǎn)換。按最大輸出18V計(jì)算，選用100K和200K的采樣電阻。3.3對MSP430單片機(jī)溫控制核心電路的研究一、MSP430單片機(jī)簡介功耗低,功能強(qiáng)大,它是以微處理器為核心的電子儀器,具有數(shù)據(jù)存儲、運(yùn)算、邏輯判斷能力,能根據(jù)被測參數(shù)的變化自選量程,可自動(dòng)校正、自動(dòng)補(bǔ)償、自尋故障等。二、MSP430單片機(jī)的特點(diǎn)1.采用flash存儲器作為程序代碼及信息存儲,因此可實(shí)現(xiàn)多次的寫入和擦除,也可實(shí)現(xiàn)在線寫入,且存儲空間大,其中ROM為60K,RAM為2K。52.在單片機(jī)內(nèi)集成了一個(gè)12位精度、高效通用的AD轉(zhuǎn)換模塊,即數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。3.片內(nèi)有1個(gè)硬件乘法器,這個(gè)硬件乘法器是1個(gè)16位的外圍模塊,它并不集成于CPU中,因此它的運(yùn)算獨(dú)立于CPU,也不需要特殊的指令。4.片內(nèi)有2個(gè)串行通訊接口,支持通用異步協(xié)議(UART協(xié)議)和同步協(xié)議(SPI協(xié)議)。5.片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器,且?guī)в卸鄠€(gè)捕獲比較寄存器,這樣寄存器的使用將更加靈活。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)不僅是單片機(jī)的主要組成部分也是整個(gè)智能儀器的核心部分。三、MSP430單片機(jī)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的介紹MSP430單片機(jī)的組成:數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)在MSP430中有1個(gè)12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC12,主要由5大功能模塊組成：帶有采樣保持功能的ADC內(nèi)核,可控制的轉(zhuǎn)換存儲,可控制的參考電平發(fā)生器,可控制和選擇的時(shí)鐘源,可控采樣及轉(zhuǎn)換時(shí)序電路。對五大模塊的詳細(xì)說明：1.ADC12可以對8個(gè)外部模擬信號之一或4個(gè)內(nèi)部電壓之一作轉(zhuǎn)換,由ADC內(nèi)核把模擬信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)據(jù)并存入轉(zhuǎn)換存儲寄存器。內(nèi)核用到2個(gè)參考電平,即VR+和VR-作為轉(zhuǎn)換范圍的上下限和讀數(shù)的量程值和“0”值。轉(zhuǎn)換數(shù)值在輸入信號大于等于VR+時(shí)為滿量程,小于等于VR-時(shí)為“0”。2.對于ADC12的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘,用戶有各種選擇來形成采樣的時(shí)序。ADC12可以選擇所有有效的MSP430片內(nèi)時(shí)鐘,也可以選擇一個(gè)外圍模塊所含的時(shí)鐘,對于選擇時(shí)鐘源可以引入一個(gè)1～8的分頻因子。3.ADC12有452.在單片機(jī)內(nèi)集成了一個(gè)12位精度、高效通用的AD轉(zhuǎn)換模塊,即數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。3.片內(nèi)有1個(gè)硬件乘法器,這個(gè)硬件乘法器是1個(gè)16位的外圍模塊,它并不集成于CPU中,因此它的運(yùn)算獨(dú)立于CPU,也不需要特殊的指令。4.片內(nèi)有2個(gè)串行通訊接口,支持通用異步協(xié)議(UART協(xié)議)和同步協(xié)議(SPI協(xié)議)。5.片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器,且?guī)в卸鄠€(gè)捕獲比較寄存器,這樣寄存器的使用將更加靈活。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)不僅是單片機(jī)的主要組成部分也是整個(gè)智能儀器的核心部分。三、MSP430單片機(jī)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的介紹MSP430單片機(jī)的組成:數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)在MSP430中有1個(gè)12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC12,主要由5大功能模塊組成：帶有采樣保持功能的ADC內(nèi)核,可控制的轉(zhuǎn)換存儲,可控制的參考電平發(fā)生器,可控制和選擇的時(shí)鐘源,可控采樣及轉(zhuǎn)換時(shí)序電路。對五大模塊的詳細(xì)說明：1.ADC12可以對8個(gè)外部模擬信號之一或4個(gè)內(nèi)部電壓之一作轉(zhuǎn)換,由ADC內(nèi)核把模擬信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)據(jù)并存入轉(zhuǎn)換存儲寄存器。內(nèi)核用到2個(gè)參考電平,即VR+和VR-作為轉(zhuǎn)換范圍的上下限和讀數(shù)的量程值和“0”值。轉(zhuǎn)換數(shù)值在輸入信號大于等于VR+時(shí)為滿量程,小于等于VR-時(shí)為“0”。2.對于ADC12的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘,用戶有各種選擇來形成采樣的時(shí)序。ADC12可以選擇所有有效的MSP430片內(nèi)時(shí)鐘,也可以選擇一個(gè)外圍模塊所含的時(shí)鐘,對于選擇時(shí)鐘源可以引入一個(gè)1～8的分頻因子。3.ADC12有4種工作模式?？梢栽趩瓮ǖ郎蠈?shí)現(xiàn)單次轉(zhuǎn)換或多次轉(zhuǎn)換,也可以在序列通道上實(shí)現(xiàn)單次轉(zhuǎn)換或重復(fù)轉(zhuǎn)換。對于序列通道轉(zhuǎn)換,采樣順序完全由用戶定義。轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存在16個(gè)轉(zhuǎn)換寄存器中,這樣ADC12可以進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換而不需要軟件干預(yù),這一點(diǎn)提高了系統(tǒng)性能,也減少了軟件開銷。4.ADC12用5個(gè)控制寄存器,16個(gè)轉(zhuǎn)換存儲器和16個(gè)轉(zhuǎn)換存儲控制寄存器來配置。其中控制寄存器:ADC12CTL0,ADC12CTL1;存儲寄存器:ADC12MEM0-ADC12MEM15;存儲控制寄存器:ADCS12MCTL0-ADC12MCTL15;中斷標(biāo)志寄存器:ADC12IFG;中斷允許寄存器:ADC12IE;中斷向量寄存器:ADC12IV。3.4MSP430的作用溫度信號經(jīng)電壓采樣系統(tǒng)由模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入MSP430單片機(jī)處理后,一方面送到顯示控制部分，顯示溫度值,另一方面送到存儲部分保存。3.5對AD轉(zhuǎn)換器的原理認(rèn)識一、模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD轉(zhuǎn)換)亦稱模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換，與數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換相反，是將連續(xù)的模擬信號通過取樣轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號。使得單片機(jī)能夠?qū)υ撔盘栠M(jìn)行識別處理.6二、模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程圖3-3模數(shù)轉(zhuǎn)換流程說明：在某些特定的時(shí)刻對這種模擬信號進(jìn)行測量叫做采樣由于外界因素的影響，通常都采用寬度很短的采樣脈沖，所以采樣輸出是斷續(xù)的窄脈沖。然后要把一個(gè)采樣輸出信號數(shù)字化，需要將采樣輸出所得的瞬時(shí)模擬信號保持一段時(shí)間，這就是保持過程。量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間、離散幅度的數(shù)字信號，量化的主要問題就是量化誤差。假設(shè)噪聲信號在量化電平中是均勻分布的，則量化噪聲均方值與量化間隔和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗值有關(guān)。編碼是將量化后的信號編碼成二進(jìn)制代碼輸出。這些過程有些是合并進(jìn)行的，例如，采樣和保持就利用一個(gè)電路連續(xù)完成，量化和編碼也是在轉(zhuǎn)換過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)的，且所用時(shí)間又是保持時(shí)間的一部分。3.6PWM實(shí)現(xiàn)原理PWM控制方式的突出優(yōu)點(diǎn)是控制簡單、靈活、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，能提高控制精度，從而較好地解決了控制精度與控制時(shí)間之間的矛盾．因此，PWM控制方式被廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中．PWM既可由硬件實(shí)現(xiàn)(高性能的微處理器或PWM專用芯片或其他硬件電路)，也可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，但其原理是一樣的，即對被控參數(shù)先設(shè)定一個(gè)值，再與此參數(shù)的實(shí)測值經(jīng)比較器進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果來決定是輸出高電平還是低電平，這樣就得到一系列脈沖，其脈沖寬度與偏差成線性關(guān)系．用此脈沖去控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，半導(dǎo)體開關(guān)器件又觸發(fā)執(zhí)行元件，執(zhí)行元件按脈沖寬度的時(shí)間動(dòng)作．被控參數(shù)偏差大，脈沖寬度就寬，執(zhí)行元件的動(dòng)作時(shí)間就長，使參數(shù)的實(shí)測值與設(shè)定值的偏差迅速減小：當(dāng)偏差小時(shí)，脈沖寬度變窄，執(zhí)行元件動(dòng)作時(shí)間短，直到設(shè)定值與實(shí)測值相等，達(dá)到自動(dòng)控制參數(shù)的目的。采樣6二、模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程圖3-3模數(shù)轉(zhuǎn)換流程說明：在某些特定的時(shí)刻對這種模擬信號進(jìn)行測量叫做采樣由于外界因素的影響，通常都采用寬度很短的采樣脈沖，所以采樣輸出是斷續(xù)的窄脈沖。然后要把一個(gè)采樣輸出信號數(shù)字化，需要將采樣輸出所得的瞬時(shí)模擬信號保持一段時(shí)間，這就是保持過程。量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間、離散幅度的數(shù)字信號，量化的主要問題就是量化誤差。假設(shè)噪聲信號在量化電平中是均勻分布的，則量化噪聲均方值與量化間隔和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗值有關(guān)。編碼是將量化后的信號編碼成二進(jìn)制代碼輸出。這些過程有些是合并進(jìn)行的，例如，采樣和保持就利用一個(gè)電路連續(xù)完成，量化和編碼也是在轉(zhuǎn)換過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)的，且所用時(shí)間又是保持時(shí)間的一部分。3.6PWM實(shí)現(xiàn)原理PWM控制方式的突出優(yōu)點(diǎn)是控制簡單、靈活、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，能提高控制精度，從而較好地解決了控制精度與控制時(shí)間之間的矛盾．因此，PWM控制方式被廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中．PWM既可由硬件實(shí)現(xiàn)(高性能的微處理器或PWM專用芯片或其他硬件電路)，也可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，但其原理是一樣的，即對被控參數(shù)先設(shè)定一個(gè)值，再與此參數(shù)的實(shí)測值經(jīng)比較器進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果來決定是輸出高電平還是低電平，這樣就得到一系列脈沖，其脈沖寬度與偏差成線性關(guān)系．用此脈沖去控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，半導(dǎo)體開關(guān)器件又觸發(fā)執(zhí)行元件，執(zhí)行元件按脈沖寬度的時(shí)間動(dòng)作．被控參數(shù)偏差大，脈沖寬度就寬，執(zhí)行元件的動(dòng)作時(shí)間就長，使參數(shù)的實(shí)測值與設(shè)定值的偏差迅速減?。寒?dāng)偏差小時(shí)，脈沖寬度變窄，執(zhí)行元件動(dòng)作時(shí)間短，直到設(shè)定值與實(shí)測值相等，達(dá)到自動(dòng)控制參數(shù)的目的。采樣保持量化編碼7第四章半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)流程圖4-14.2溫度采集系統(tǒng)DS18B20和溫度檢測共同組成了溫度采集系統(tǒng)而DS18B20又是溫度采集系統(tǒng)的核心芯片，溫度控制算單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20為新的“一線器件”體積更小、適用電壓更寬。數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。DS18B20數(shù)字化溫度傳感器支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-50℃~+125℃,在-10℃~+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。DS1822的精度較差為±2℃。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，支持3v~5.5v的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。DS18B207第四章半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)流程圖4-14.2溫度采集系統(tǒng)DS18B20和溫度檢測共同組成了溫度采集系統(tǒng)而DS18B20又是溫度采集系統(tǒng)的核心芯片，溫度控制算單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20為新的“一線器件”體積更小、適用電壓更寬。數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。DS18B20數(shù)字化溫度傳感器支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-50℃~+125℃,在-10℃~+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。DS1822的精度較差為±2℃?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，支持3v~5.5v的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。DS18B20可以程序設(shè)定9~12位的分辨率，精度為±0.5℃?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20主要由四個(gè)部分組成64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-2所示：8圖4-2DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦的E2RAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器.暫存存儲器包含了8個(gè)連續(xù)字節(jié),前兩個(gè)字節(jié)是測得的溫度信息,第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位,第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位。第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝,第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存的易失性拷貝,這三個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第六、七、八個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。4.3PID算法的介紹溫度控制算法十本溫度控制系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)采用PID控制算法，單片機(jī)作為控制器。在實(shí)際溫度中設(shè)定差值較大時(shí)無需采用PID算法，全功率制冷或制熱。當(dāng)溫度差超過3攝氏度則引入PID調(diào)節(jié)。具體采用增量計(jì)算法。就是相對于標(biāo)準(zhǔn)算法的相鄰兩次之差，得到的結(jié)果是增量，也就是說在上一次的控制量基礎(chǔ)上需要增加的控制量。計(jì)算公式如下：Pout=(t-1)=KP(e(t)-e(t-1))+Kie(t)+Kd(e(t)-2e(t-1)+e(t-2))式中e(t)表示當(dāng)前測量值與設(shè)定目標(biāo)之差，設(shè)定目標(biāo)是被減數(shù)，結(jié)果可以是正或負(fù)，正數(shù)表示還沒有達(dá)到，負(fù)數(shù)表示已經(jīng)超過了設(shè)定值。8圖4-2DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦的E2RAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器.暫存存儲器包含了8個(gè)連續(xù)字節(jié),前兩個(gè)字節(jié)是測得的溫度信息,第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位,第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位。第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝,第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存的易失性拷貝,這三個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第六、七、八個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。4.3PID算法的介紹溫度控制算法十本溫度控制系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)采用PID控制算法，單片機(jī)作為控制器。在實(shí)際溫度中設(shè)定差值較大時(shí)無需采用PID算法，全功率制冷或制熱。當(dāng)溫度差超過3攝氏度則引入PID調(diào)節(jié)。具體采用增量計(jì)算法。就是相對于標(biāo)準(zhǔn)算法的相鄰兩次之差，得到的結(jié)果是增量，也就是說在上一次的控制量基礎(chǔ)上需要增加的控制量。計(jì)算公式如下：Pout=(t-1)=KP(e(t)-e(t-1))+Kie(t)+Kd(e(t)-2e(t-1)+e(t-2))式中e(t)表示當(dāng)前測量值與設(shè)定目標(biāo)之差，設(shè)定目標(biāo)是被減數(shù)，結(jié)果可以是正或負(fù)，正數(shù)表示還沒有達(dá)到，負(fù)數(shù)表示已經(jīng)超過了設(shè)定值。這是面向比例項(xiàng)用的變動(dòng)數(shù)據(jù)。累計(jì)偏差：etet1et2e1這是我們每一次測量到的偏差值的總和，這是代數(shù)和，考慮到正負(fù)符號的運(yùn)算，這是面向積分項(xiàng)用的變動(dòng)數(shù)據(jù)。基本偏差的相對偏差：e(t)-e(t-1)，用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差，用于考察當(dāng)前控制的對象的趨勢，快速反應(yīng)的確定PID參數(shù)的重要依據(jù)。第五章半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的工作過程控制電路以MSP430單片機(jī)溫控制核心，主要負(fù)責(zé)對溫度進(jìn)行監(jiān)測根據(jù)PID算法輸入相應(yīng)占空比的PWM給驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。再通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)制冷器件制冷，通過溫度檢測得到想要的溫度，溫度信號經(jīng)電壓采樣和溫度系統(tǒng)由模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)