半导体制冷片温度控制课程设计报告.docx

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半导体制冷片温度控制课程设计报告

题

课程设计说明书

目：

半导体制冷片温度控制

院（系）：

xxxxxxxxxxx学院xxxxx

专

业：

xxxxxxxxxxxx

学生姓名：

XXXX

学

号：

xxxxxxxxxxxx

指导教师：

xxxxxxxxxxxxxxx

2012

年3

月10

日

摘

要

温度是工业中非常关键的一项物理量，在农业，现代科学研究和各种高新技术的开发和研究中也是一个非常普遍和常用的测量参数。

温度控制的原理主要是：

将随温度变化而变化的物理参数，通过温度传感器转变成电信号，传给计算机，与给定温度相减后得到偏差，经过控制器后输出给控制对象达到控温的目的。

半导体制冷片是利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时,在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量,可以实现制冷的目的。

制冷速度与通过的电流大小成正比。

本设计针对用半导体对水箱的制冷模型设计了相应模糊PI控制器对水箱进行计算机恒温控制。

关键词:

半导体制冷；STC12C5A08S2；模糊PI；PWM；

1

引言.......................................................................................................................1

1

2

课程设计概述.................................................................................................1

1.1课程设计题目.......................................................1

1.2主要仪器设备.......................................................1

硬件设计.........................................................................................................1

2.1单片机部分.........................................................1

2.2串行接口部分.......................................................2

2.3驱动电路部分.......................................................2

3软件设计...........................................................................................................3

3.1流程图设计.........................................................3

3.1.1温度控制主程序流程图..............................................3

3.2控制算法设计.......................................................4

3.2.1控制对象模型......................................................4

3.2.2PI控制器设计......................................................5

3.2.3控制器的设计......................................................5

4

系统调试.........................................................................................................5

4.1

单片机程序仿真.....................................................5

4.2STC12C5A08S2单片机系统电路调试....................................6

4.3

4.4

驱动电路调试.......................................................7

系统调试...........................................................7

5

6

总结与改进展望.......................................................................................7

谢辞.................................................................................................................8

2

引言

温度作为一项热工参数,在工业现场和过程控制中具有至关重要的作用。

半导体制冷相对于传统制冷方式，有着体积小，重量轻，无制冷剂而不污染环境，作用速度快，使用寿命长，且易于控制。

本文介绍了使用DS18B20作为温度传感器的PWM半导体制冷控制系统。

1

课程设计概述

1.1课程设计题目

设计半导体制冷片的线性驱动电路和热敏元件的测温电路，再设计PI控制器来调节制冷电压，实现温度控制，控制范围15~25度，控制精度±0.5度，通过键盘进行温度设置，实际温度可以实时显示。

*附加要求：

通过RS232或RS485接口与PC机通信，在PC机上进行参数显示和设置。

1.2主要仪器设备

半导体制冷片（连水箱）示波器

直流稳压电源

数字万用表

PC机

1台

1台

1台

1块

1台

2

硬件设计

整个系统以单片机STC12C5A08S2为核心部件。

在08S2最小系统外围添加了按

键，显示，与PC机的通信接口，以及光电耦合PC817和MOS管IRF9540构成的驱动电路。

2.1单片机部分

本设计选择的单片机芯片是STC12C5A08S2，其原理图如2-1所示。

该芯片的P0.0-P0.3用作键盘数字量输入，加入了上拉电阻按键未按下时始终处于高电平状态，读按键值前先给P0口赋值为0；

P1.0作为DS18B20的数据输入端口；

P2.0-P2.7作LCD1602的数据输出端口；

P4.4-P4.6作LCD1602的控制信号；

P1.3作为光耦合的控制信号；

P3.0和P3.1是STC12C5A08S2的串口，实现上电复位程序下载。

3

图2-1STC12C5A08S2最小系统原理图

2.2串行接口部分

MAX232通过内部电压倍增及电压反向电路，把TTL电平与RS232电平互换，实现单片机与PC机的串口通信。

图2-2MAX232及串行接口原理图

2.3驱动电路部分

JPWM为P1.3口的PWM信号输入，作为光耦PC817的触发导通信号，从而产生MOS管IRP9540导通的触发信号，实现对右端负载的控制。

如图2-3所示，本电路中还加入了拨动开关可对系统进行开关控制。

4

图2-3

驱动部分原理图

3软件设计

3.1流程图设计

3.1.1温度控制主程序流程图

温度控制主程序流程图设计如图3-1所示。

STC12C5A08S2中的主程序需要完成下几个工作:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

调用子函数对系统初始化,其中包括对自身的定时器T0,T1,I/O口,PWM口（P1.3），串口的初始化，以及对外部器件DS18B20和LCD1602的初始化；延时2S钟显示欢迎屏幕，等整个系统电压稳定后读取开机时的温度；调用子函数读取当前温度值

调用子函数把当前读取的温度以及设定值通过串口送入PC机显示；

调用子函数判断PC机是否有新的数据传送到单片机；

调用子函数，把设定值与当前值相比较，对输出PWM进行控制；

调用子函数刷新当前页面；

调用子函数进行按键判断，依据按键值调用不同的子函数进行翻页或者设置；

5

图3-1温度控制主程序流程图

3.2控制算法设计

3.2.1控制对象模型

制冷片的水箱模型可近似地认为成一阶惯性环节，从而测量系统阶跃响应可模拟

出系统的数学模型，G（s）=1/（T*s+1），其中T等于阶跃响应中调节时间T

s

的四分之

一。

给电流I=0.5A时阶跃响应数据记录如下，其中t=0时，温度约为27℃；t=100时，

温度约为24℃。

取终值11KΩ的98%，T

s

约为54min=3240s，则G（s）=1/（810*s+1）。

1.由此看出，制冷系统是大惯性系统，制冷需要一段时间之后温度才开始下降；2.至停止制冷后，温度还会有小幅度的下降，而设定温度越低，下降的幅度越小；

3.由于与外界的热交换，温度越低时，水箱的自然升温速度越快。

6

阶跃响应曲线（0.5A）

11.2

11

10.8

10.6

10.4

10.2

10

9.8

9.6

020406080100

时间/min

图3-2对象阶跃响应拟合曲线

3.2.2PI控制器设计

PI调节器的微分方程为：

y（t）=Kp[e（t）+1/Ti*∫e（t）dt]。

控制器有两种算法，位置型和增量型。

位置型算法时，计算每次实际值与设定值的偏差为e0，上次的偏差为e1，则控制量u=kp*e0+ki*（e0+e1）。

增量型算法时，u+=e0*ki+（e1-e0）*kp。

本次系统中选用的是位置型算法。

3.2.3控制器的设计

根据制冷片的滞后特点，为了使制冷片能迅速达到设定的温度，应该在离设定温度较远时给负载加上最大功率；又为了防止制冷片的大惯性的特性使系统产生严重的超调，需要提前在一定的范围内进行PI控制以达到最佳效果；而最后阶段，需要预先判断系统的停止工作点，让制冷片的温度扩散的整个水箱，此时停止制冷。

若设定温度大于当前温度时，系统也将停止制冷，等温度慢慢回升。

现设定开始进入PI控制的温度上限为设定值T+1℃，而停止制冷的温度，根据多次实验建立的数据库如下：

设定值温度范围T℃

停止制冷温度t℃

23<=T

T*0.006

19<=T<23

T+0.7

T<19

T

4

系统调试

4.1单片机程序仿真

由于PROTEUS中没有我们选用的STC12C5A08S2型号的单片机，因此使用AT89S2的单片机代替。

仿真电路如下图所示，仿真时除初始化时当前温度显示为85℃以外，一

7

切工作正常。

图4-1系统控制电路仿真电路图

4.2STC12C5A08S2单片机系统电路调试

STC12C5A08S2最小系统包括晶振和复位电路，按键电路，LCD显示，以及通信下载接口。

由于以前没有使用过