采用半导体制冷片的温控系统的设计.docx
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采用半导体制冷片的温控系统的设计
湖南科技大学
毕业设计（论文）
题目
采用半导体制冷片的温控系统的设计
作者
方云熠
学院
信息与电气工程学院
专业
自动化
学号
1204020309
指导教师
曾照福
二〇一六年五月十五日
湖南科技大学
毕业设计（论文）任务书
信息与电气工程学院通信工程系
系主任:
（签名）年月日
学生姓名:
方云熠学号:
1204020309专业:
自动化
1设计（论文）题目与专题：
采用半导体制冷片的温控系统的设计
2学生设计（论文）时间：
自2015年10月8日开始至2016年5月25日止
3设计（论文）所用资源和参考资料：
[1]何道清,张禾,谌海云.传感器与传感器技术:
3版[M].北京:
科学出版社,2014.
[2]何希才,任力颖,杨静.实用传感器接口电路实例[M].北京:
中国电力出版社,2007.
[3]王南阳.单片优质语音录放集成电路应用手册[M].北京:
机械工业出版社,2006.
[4]来清民.传感器与单片机接口与实例[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2008.
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4设计（论文）应完成的主要内容：
（1）半导体制冷片温控系统的方案设计；
（2）半导体制冷片温控系统的硬件设计；（3）半导体制冷片温控系统的软件设计；（4）系统调试。
要求：
能控制制冷温度为-5℃-0℃，中的任意温度，可显示、语音播报当前温度值，能将温度值存储。
5提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）与要求：
（1）撰写设计报告；
（2）设计报告要求字数1.5万字左右，提供电子版和纸质版；（3）设计报告包括目录，中英文摘要，关键词，方案选择与确定，设计过程与参数计算，软件流程图与源程序，调试方法与步骤，小结等；（4）提供硬件电路原理图，印制电路板图，元器件清单。
6发题时间：
2015年10月5日
指导教师：
（签名）
学生：
（签名）
湖南科技大学
毕业设计（论文）指导人评语
[主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价]
指导人：
（签名）
年月日
指导人评定成绩：
湖南科技大学
毕业设计（论文）评阅人评语
[主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价]
评阅人：
（签名）
年月日
评阅人评定成绩：
湖南科技大学
毕业设计（论文）答辩记录
日期：
学生：
学号：
班级：
题目：
提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：
1设计（论文）说明书共页
2设计（论文）图纸共页
3指导人、评阅人评语共页
毕业设计（论文）答辩委员会评语：
[主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价]
答辩委员会主任：
（签名）
委员：
（签名）
（签名）
（签名）
（签名）
答辩成绩：
总评成绩：
摘要
随着工业技术的不断发展和相关领域的需求，对于产品、设备的工作温度要求越来越苛刻，而对于微型化设备或器件的温度控制，半导体制冷器由于其无机械运动、不需要化学制冷剂、无污染、体积小且能够改变形状等优点，在微型化器件温度控制领域正扮演着越来越重要的角色。
采用半导体制冷片的温控系统主要实现对目标系统的温度恒定作用，采用STC15系列单片机作为核心处理器，单片机接收温度传感器的反馈信号，通过内部PID控制算法处理，输出一定占空比的PWM信号，然后经过功率驱动电路驱动半导体制冷片制冷，最终实现对目标系统温度恒定的控制目的。
系统能通过液晶显示模块实时显示当前温度值，能通过语音播报温度值，也能通过键盘设置所需温度值，使系统能适应于不同的应用场合。
关键词：
单片机；半导体制冷；温度控制；PID；PWM
ABSTRACT
Withthecontinuousdevelopmentofindustrialtechnologyandrelatedareasofdemand,forproductsandequipmentoperatingtemperaturemoreandmoredemandingrequirements,andfortheminiaturizationofequipmentordevicetemperaturecontrol,semiconductorcoolerbecauseofthenomechanicalmovinganddoesnotrequireachemicalrefrigerant,nopollution,smallvolumeandcanchangeshape,etc.,intheminiaturizationofthedevicetemperaturecontrolfieldisplayingamoreandmoreimportantrole.Thetemperaturecontrolsystemofsemiconductorrefrigerationpiecemainlytoachievetheobjectivesofthesystemofconstanttemperatureeffect,usingstc15SeriesMCUasthecoreprocessor,MCUreceivesthefeedbacksignalofthetemperaturesensor,throughinternalPIDcontrolalgorithmtodealwith,theoutputmustaccountforadutycycleofthePWMsignal,andthenthroughthepowerdrivecircuittodrivethesemiconductorrefrigerationpieceofrefrigeration,andultimatelyachievethegoaloftargetsystemofconstanttemperaturecontrol.Thesystemcandisplaythecurrenttemperaturevaluethroughtheliquidcrystaldisplaymodule,canbroadcastthetemperaturevaluethroughthevoice,alsocansetthedesiredtemperaturevaluethroughthekeyboard,sothatthesystemcanadapttodifferentapplications.
Keywords:
Single-chipMicrocomputer；Semiconductorrefrigeration；Temperaturecontrol；PID；PWM
第一章绪论
1.1课题研究意义
基于环境友好、无污染、低噪音、安全可靠的产品要求以与热电材料快速发展的背景下，一种以帕尔贴效应为主要理论基础的新型制冷方式——半导体制冷（亦称温差电制冷或热电制冷），逐渐被人们所关注和研究，并且正在逐步走入我们的日常生活。
半导体制冷的优点：
（1）噪声小；
（2）安装方便；（3）可以根据所需改变形状，使用于某些特殊需要的场所，如应用于微型化设备或是器件的温度控制方面，十分方便；（4）不用化学制冷剂，绿色无污染；（5）半导体制冷速度比较快，反应快。
半导体制冷的工作性质：
（1）无机械运动；
（2）在小空间范围内，制冷或制热的速度快，效果比较好，时间比较短；（3）利用相关的电路控制，如采用H桥电路可以实现半导体制冷器的冷端和热端的迅速转换；（4）半导体制冷片通过改变输入电流或电压大小，能够实现对制冷片功率的自动控制；（5）半导体单个制冷功率较小，但是可以通过串联或并联的方式增大半导体制冷的功率[1]。
在温度控制技术中，主要有吸收式制冷，压缩机制冷等，然而上述的几个制冷方式，在一些微型化设备或器件中要实现制冷，却难以实现对既定目标的温度恒定进行精确的自动控制。
随着微型电子技术的高速发展，微型电子器件运用得越来越广泛。
然而很多电子元器组件一旦温度过高会影响其性能，为保持良好的性能要求在恒温或者是在低温的条件下工作。
而且电子元器件的体积一般都比较小，而半导体制冷片能够根据电子器件的具体大小改变形状，十分便利。
半导体制冷片，通上足够的直流电就能立马制冷，制冷功率适合于小功率设备，并且通过调节半导体制冷片的输入电流从而调节输出功率，能够使微型元器件保持在稳定的工作环境，保护其电路结构，确保其稳定工作。
半导体制冷技术对于一些温度可调且制冷功率不高的场所十分适用，如微型化设备或器件的温度控制。
鉴于微型化设备或器件的温度控制需求以与半导体制冷技术的不断发展，半导体制冷技术用于微型化温度控制有着充足的现实意义，因而提出了本研究课题。
1.2采用半导体制冷技术的温控系统的研究现状与发展
自19世纪初伊始，塞贝克和帕尔帖发现温差电流现象，热电制冷正式进入人们视野。
然而19世纪50年代前，由于转化效率很低很低，半导体制冷技术一直停滞不前，直至19世纪50-80年代，由于半导体材料的发现，转化效率得到很大提高。
到了19世纪80年代以后，特别是地球环境持续遭到破坏，半导体制冷，无污染，受到各国的青睐。
国外在采用半导体制冷技术用于温度控制方面，起步早，经验较为丰富。
西方发达国家的半导体制冷技术已渗透到军用、民用、医用等各个领域。
如德国的Micropelt公司在2010年发布了世界上最小的高效半导体制冷器（MPC-D40X）[2]，又于2012年推出了全球首款集成型薄膜热电转换芯片。
自19世纪50年代开始，我国开始研究半导体材料，并取得了一定成效。
军用方面，以半导体制冷为原理的航天冰箱成功应用于神舟八号飞船。
民用方面，汽车小型冷藏箱、冷热两用型饮水机等产品逐渐出现在市场上。
虽然我国的在半导体制冷技术的研制方面发展很快，自主研发的温度控制设备虽逐步趋于完善，但是理论研究与国外差距依然较大，同进口设备相比，仍存有一定差距。
但由于半导体制冷材料的研究还不够深入、热端散热不快等导致制冷效率低等原因，使用半导体制冷技术的温控产品还没有大规模使用，还不能够生产出具备足够制冷量的制冷器件。
1.3半导体制冷工作原理
半导体制冷原理图如图1.1所示。
图1.1半导体制冷原理图
在半导体材料的P-N结两端接上直流电，便能够实现一端制冷，另一端制热。
当电流从N流向P方向时，接触处就会吸热，形成冷端；当电流从P流向N方向时，接触处就会放热，形成热端[3]。
1.4课题主要研究内容
本文基于半导体制冷技术和单片机的控制技术，采用半导体制冷片对目标系统进行温度控制的方案设计。
从半导体制冷片温控系统的硬件和软件方面分别进行设计和详细的说明，能控制制冷温度为-5℃-0℃中的任意温度，可显示、语音播报当前温度值，能将温度值存储。
第二章半导体制冷温控系统总体方案设计
2.1半导体制冷温控系统的组成框图和参数指标
半导体制冷温控系统的组成框图如图2.1所示。
主要由单片机系统，温度检测模块，键盘输入模块，语音播报模块，液晶显示模块，以与功率驱动电路组成。
图2.1半导体制冷温控系统的组成框图
在本研究课题中，通过单片机控制半导体制冷片的功率输出，从而实现对目标目标系统温度的控制，并且通过温度传感器的检测实时温度并进行反馈，整个温控系统形成闭环控制，可以实现对目标器件或设备温度的精确控制。
温度传感器检测目标系统的实时温度并反馈给单片机，单片机进行自动储存并控制温度语音播报模块和液晶显示模块分别播报和显示当前温度值，同时，单片机根据实际温度和设定温度，为提高温度控制精度，引入智能控制算法，控制输出PWM占空比大小，使目标系统稳定在设定温度。
半导体制冷温控系统技术指标如下：
温度控制范围：
-5℃～0℃；
温度控制精度：
0.5℃；
温度达到稳定时间：
小于3分钟。
2.2半导体制冷片的选择
TECI-12706参数如表2.1所示。
表2.1TECI-12706参数
型号
电
堆
数
电流
Imax
（A）
最大工作电压
Umax（V）
最大产冷量
Qcmax（W）
最大温差
△Tmax（℃）
外形尺寸（mm）
电阻（
）
重量（g）
热端温度Th=27℃
L
W
H
TECI-12706
127
6
15.2
56.5
70
40
40
3.9
1.94
23
为选择适合本研究课题的半导体制冷片（TEC，ThermoelectricCooler），从TEC的制冷功率、最大产冷量以与能够达到的最大温差等多个参数为参考依据，筛选满足本研究课题要求的TEC。
TECI-12706，最大电流为6A，最大工作电压为15.4V。
各参数满足本研究课题的设计要求。
2.3温度传感器的选择
方案一：
采用常见的温度传感器，如热电偶或热电阻。
两者主要优缺点是：
热电偶价格便宜，测量范围也较广，但测量精度低，需要进行冷端补偿，且电路设计复杂；热电阻测温精度较高，但时需要标准温度电阻与之匹配才能使用[4]，并且由于热电阻的不稳定性，导致测量温度容易受到外界干扰。
方案二：
采用温度传感器DS18B20。
体积小，检测的温度数据能够进行远距离传输而且数字信号的传输能够有效抗干扰，最关键的是与单片机接口只有一根数据线DQ，与单片机连接十分方便，能够减少占用单片机的I/O口。
DS18B20测量温度范围覆盖半导体制冷温度范围，完全能够满足本研究课题的技术参数指标，并且与单片机连接只需要占用一个I/O口，并且测量精度高[5]。
综上分析，选择方案二，可以简化电路，减少占用单片机I/O接口，提高电路的稳定性，减小测量误差。
2.4单片机的选择
本次课题中采用STC15系列STC15F2K60S2单片机作为整个系统的核心处理器，较之传统的51系列单片机，内置模块更加丰富，如A/D、D/A转换等。
STC15F2K60S2单片机是STC15系列单片机的典型产品，内部有大容量2048字节的SRAM，1KB的EEPROM，高精度R/C时钟，内部时钟5-35Hz可选，8-64KBFlash存储器，14个中断源，2个16位定时器/计数器，2个全双工的异步串行口（UART），3通道捕获、比较单元PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）、PCA（ProgrammableCounterArray，可编程计数器阵列）、CCP（Capture/Compare/PWM，输入捕捉/输出比较/脉宽调制），高度集中的A/D模块，4个8位可编程的并行I/O口[6]。
特别是STC15F2K60S2单片机内部内置PWM和A/D模块，对于本系统设计中功率驱动电路的PWM控制方式十分便利。
在本次设计的系统中，单片机首先控制温度传感器检测温度，并读取温度传感器反馈的当前温度值，然后根据实际温度和设定温度，进行PID（Proportion-Integral-Derivative，比例-积分-微分控制器）控制，改变输出PWM占空比大小，同时控制液晶显示和播报模块播报温度。
2.5温控算法的选择
（1）采用PID控制
比例积分微分控制称为PID控制。
比例控制（P）方法简单易行，但是存在有稳态误差。
积分控制（I）是将系统误差积累到一起进行积分，即便是很小的误差经过长时间的积累，能够对误差进行放大从而进行有效调节，降低甚至消除系统的稳态误差。
微分控制（D）能减小超调量和调节时间，但是微分控制对干扰信号有很强的放大作用，因此微分控制不能单独存在。
在温控系统中，量化最近三次的温度偏差和偏差的变化率，整定比例、积分、微分系数，再进行分析和计算出PID控制信号，调整输出PWM占空比大小。
（2）采用神经网络控制
人工神经网络（ArtificialNeuralNetwork，ANN）是模拟生物神经细胞记忆和处理信息的方法。
神经网络由大量简单的处理单元（节点或神经元）相互连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法各有不同，其中BP（BackPropagation）算法应用最为广泛[7]。
人工神经网络能够进行自我学习和记忆联想，可以对外界环境的变化做精确地估算，而且抗干扰强，软件编程也比较方便。
但是由于温度的影响因素众多，如天气、气压、被制冷物体性质等，难以建立与之相类似的数理模型[8]。
（3）采用模糊控制
在温度控制系统中，模糊控制过程为：
首先进行模糊化，对温度偏差采用精确量模糊化，形成模糊模型。
然后进行与规则库进行对比。
对比后进行模糊推理。
最后解模糊，将推理得到的控制量作为温度控制输出，自动调节相应的执行模块，达到控制目标温度的目的。
同传统的PID控制比较，参数变化不敏感，不要求掌握受控对象的精确数学模型，但是依赖于操作人员的经验知识和直观判断[9]。
在本课题中，温度控制精度精度要求不是很高为0.5℃，并且PID控制结构简单，比例、微分、积分系数的参数整定也不是太麻烦，程序调试也相对而言容易调试，能达到本研究课题中目标系统的温度控制要求。
综上所述，本课题选用PID控制算法。
2.6语音芯片的选择
方案一：
选用语音芯片如ISD4004系列芯片。
芯片所有的操作命令都由单片机通过串行通信接口送入并进行控制。
使用ISD4004系列芯片，需要提前进行对应的录音，把录制的语音储存在芯片中，需要使用时再进行调用。
虽然录制的语音可以多次进行录放，而且语音还原效果也还不错。
但是使用该芯片，需要进行录音，占用单片机I/O口高达5个，压缩了其它模块与单片机的连接I/O接口，而且进行语音播放背景噪音较大。
方案二：
选用中文语音合成芯片SYN6288芯片。
SYN6288接收单片机中储存的温度数据，将文本数据转换为语音进行播放。
SYN6288与单片机通过RxD、TxD接口相连，占用单片机I/O口少，而且SYN6288在数字、符号识别方面更加精准，语音合成效果也更加自然[10]。
中文合成芯片不需要进行录音，可以省去很多的步骤让设计变得更加简单。
SYN6288语音模块与传统的语音芯片相比，不需要进行语音的录制，并且其与单片机接口更加简单，而且价格适当，满足本系统的实时播报系统温度值的设计要求。
综合考虑，选择方案二，采用SYN6288模块。
第三章半导体制冷温控系统硬件设计
3.1系统硬件框图
图3.1是半导体制冷温控系统的硬件框图。
图3.1半导体制冷温控系统硬件框图
开环控制因其容易实现，在温控领域应用较为广泛，主要应用于单一温控对象或是粗略温控的情况下，如实验室的热水器，简单的温度报警器等。
其结构简单，由控制直接作用于执行单元，无反馈回路，难以实现快速调节和精确控制。
釆用闭环控制方式，可以实现较稳定并且相对可操控的温度控制。
闭环控制是指测量模块、控制模块、执行模块、被控模块构成回路，可实现自动控制[2]。
在本研究课题的温控系统中，采用闭环控制，温度传感器（测量模块）检测目标系统实时温度，送入单片机（控制模块），单片机根据实时温度与设定的目标温度值，实行PID控制，自动调节PWM占空比大小，并驱动半导体制冷片（执行模块）对目标系统（被控模块）的温度进行调节，正是由于负反馈的存在，现场温度才会稳定在目标值附近。
闭环控制原理图如图3.2所示，由于本课题对制冷温度调节值比较大，且对温度控制精度有较高要求，所以本课题设计引入PID控制和闭环负反馈控制。
图3.2闭环控制原理图
系统的工作原理如下：
半导体制冷温控系统采用的51系列的升级版本STC15系列单片机作为控制核心器。
DS18B20检测目标系统的温度，反馈至单片机中，单片机对温度值进行处理并存储，然后控制LCD1602显示实时温度，并且通过SYN6288实时播报当前温度。
同时，为提高温度控制精度，单片机采用PID控制，通过比较温度传感器反馈的实际温度和设定温度，调节PWM输出占空比。
而驱动半导体制冷片的制冷额定电流高达4.5A，而单片机输出的电流只有几十毫安，不足以驱动半导体制冷片制冷，所以需增添一个功率驱动电路，以增大单片机输出的微小电流，以驱动半导体制冷片正常工作，达到温控的目的。
3.2温度传感器DS18B20电路设计
本次设计温度检测反馈模块，并与单片机STC15之间进行通信的硬件设备是温度传感器DS18B20。
DS18B20和单片机之间采用单总线连接方式，有三个引脚，分别为VDD，DQ，GND。
每个温度传感器有其不同的光刻ROM中的64位地址序列码，存在于温度传感器的内部存储器中，在检测温度的时候，通过读取地址序列码的就能区分传感器。
本课题研究只需要对某个固定的器件或空间进行温度检测，所以只需用到一个DS18B20来测量温度。
DS18B20温度传感器的结构与引脚图，如图3.3所示。
图3.3DS18B20温度传感器结构与引脚图
温度传感器的各项参数与引脚说明如表3.1所示。
表3.1DS18B20参数
工作电压
3.3V-5V
测量范围
-55~+125℃
精度与温度范围
精度
0.5℃（-10~+85℃）
分辨率
0.0625℃
引脚DQ
数据I/O
引脚VDD
可选电源电压
引脚GND
地
DS18B20温度传感器和单片机之间的连接图，如图3.4所示。
DS18B20通过单根数据线DQ与单片机I/O口P3.2相连，同时在数据线DQ上串联一个上拉电阻，接5V电源，检测到的温度反馈数据和单片机的控制指令都通过DQ数据线进行双向通信。
本研究课题中温度传感器采用直接从单片机接口引出供电，也就是采用外部电源供电方式。
图3.4DS18B20温度传感器与单片机连接图
3.3半导体制冷片驱动电路设计
DS18B20温度传感器检测的实际温度反馈信号经过单片机的I/O口，作为偏差比较信号输入单片机，单片机进行PID控制后，调节PWM占空比输出信号，但是该输出信号十分微弱，只能控制一些芯片、元器件，驱动半导体制冷片的制冷额定电流高达4.5A，而单片机输出的电流只有几十毫安，不足以驱动半导体制冷片制冷，所以需要设计一个半导体制冷功率驱动电路。
图3.5为半导体制冷片的功率驱动电路[11]。
通过改变电流方向，可以实现半导体制冷片制冷或制热的转换，由于本次设计只需要制冷，所以不考虑驱动电路中电流的改向。
单片机通过I/O口P3
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