智能冰箱开题报告文档.docx
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智能冰箱开题报告文档
毕业设计（论文）
开题报告
题目名称：
基于半导体制冷的电子冰箱设计
院系名称：
中原工学院电子信息学院
班级：
电气103
学号：
201000474327
学生姓名：
李庆
指导教师：
温盛军
2014年2月
目录
1课题研究的目的、意义及发展概述2
1.1课题研究的目的2
1.2课题研究的意义2
1.3发展概况2
2课题研究的内容及设计方案3
2.1半导体制冷器工作原理3
2.2系统总体方案4
2.3方案选择5
2.3.1控制系统方案选择5
2.3.2微处理器6
2.3.3显示部分7
2.3.4键盘部分8
2.3.5上位机通信8
2.3.6珀尔贴驱动部分9
2.3.7温度测量部分9
2.3.8网络通信模块部分10
2.3.9半导体制冷器珀尔贴选择10
3软件模块设计10
3.1编程语言的选择10
3.2软件模块设计11
4进度时间安排13
5参考文献13
1课题研究的目的、意义及发展概述
1.1课题研究的目的
冷冻储藏为人们所熟知,给食品的保鲜带来一定的好处。
但传统的冷冻储藏有其缺陷,即冷藏后产品营养流失,形状、色泽、气味均有改变,且不能复原,并且传统的制冷装置制冷所需时间长。
为了解决上述冰箱储藏存在的缺点,常采用加快冷却速度的方法。
此方法能延长食品的存放期,提高食品的保鲜度
和产品的储藏质量。
现有冰箱使用的氟制昂冷剂,存在着污染问题。
随着科学技术的发展,国内外学者都在寻求氟利昂的替代品,其中无氟冰箱早已出现,但它们仍有不足之处,因而就要寻找另一种新的制冷源。
经研究,利用帕尔贴效应的（热电）半导体制冷器件来克服污染问题。
半导体制冷是一种利用帕尔帖效应的温度控制方法，它具有体积小、重量轻、寿命长、无噪音、无机械运动、加热制冷灵活迅速、温控精度高、不需制冷剂，对环境无污染等优点。
基于半导体制冷的电子冰箱设计采用半导体帕尔帖作为温控执行器，并且通过控制通过珀尔贴元件的电流大小可以十分方便灵活迅速的控制冰箱内的温度。
而且通过微控制器的作用控制可以达到精确温度控制的效果。
对传统冰箱进行了
改革,使其能满足现代生活需要,减少对环境污染。
1.2课题研究的意义
温度控制技术是一种非常重要的和常用工业技术。
传统的温度控制技术中，制冷根据应用场合的不同可以采用风冷、水冷和压缩式制冷。
在某些特定的场合中，温控系统往往需要体积小，重量轻，加热制冷反应灵活迅速且易于控制，这时采用一般温控方法显得很不方便；而采用热电制冷器帕尔帖作为控温执行器的半导体冰箱可以通过改变流过制冷器的电流方向实现加热和制冷的转换，并且通过控制电流大小可以十分方便灵活迅速的控制温度。
从而实现精确控制温度的目的。
体积小、重量轻、寿命长、无噪音、无机械运动的优点可以极大的满足现代人对生活中食品保鲜的需要.再通过触摸屏、红外遥控、网络通信等丰富的人机人机交互方式，极大的丰富和方便人们的生活。
1.3发展概况
1834年法国科学家帕尔帖发现了热电制冷和制热现象——即金属温差电效应或帕尔帖效应。
本世纪50年代末期，随着半导体材料技术的大力发展，解决了早期系统制冷效率低的问题。
特别是美、英、日等国在这一领域做了大量研究，60年代末热电制冷即已达到实用化阶段。
半导体制冷技术在国外已广泛地应用于低温生物学、超导技术、低温外科学、低温电子学、通讯技术、红外技术、激光技术以及空间技术等领域。
随着技术的不断进步，半导体制冷技术已开始广泛地应用于家庭用的电冰箱，空调及其它一些制冷设备。
半导体制冷技术首先应用于高科技领域和军事领域，主要用于对红外探测器、激光器和光电倍增管等光电器件的制冷。
在夜视机载跟踪系统、夜间跟踪器和夜间观察装置上所用的硫化铅、硒化铅光电导型和光伏型HgCdTe等单元都可用半导体制冷器冷却到190K~270K或更低的工作温度。
在超导技术核潜艇上作为低温冷源，是核燃料系统最好的小型电源。
前苏联早在50年代，就开始研制约10L的冰箱。
目前，国内外市场上也出现一种冷暖两用箱的产品，它通过采用12T对偶组成的制冷器，在通常的环境下，冷热面的温差大于50℃，当有效容积为9~12L时，最低温度可达-5℃。
环境试验用的半导体低温试验箱，可用于集成电路半导体器件，无线电元件和金属与非金属材料的低温试验。
采用水冷的一级温度制冷器时工作温度范围是-10℃～+50℃，有效容积8L；采用二级制冷时，工作温度范围可以达到-20℃～+50℃，有效容积为6L。
半导体光刻用恒温槽；水循环恒温器，最低温度可达-20℃的低温恒温槽；恒温范围在-10℃～+60℃的生物化学试验用恒温槽等等。
二十世纪七十年代，我国开始研究并研制半导体制冷器件，80年代末期进入应用产品的研制阶段，产品主要为小型冷藏箱，其外形与内部结构主要模仿国外同类产品。
90年代开发出实用价值广泛的民用便携式冷藏箱，高低温测试设备、日化品专用冷藏箱以及半导体去湿系列产品。
这些产品价格低廉，耗电量小，安全可靠”…[8]。
我国的半导体制冷技术的研究虽然有了一定程度的发展，但大多应用在家用电器场合没有很好地将其与自动控制技术、计算机技术等先进科技相结合。
因此。
结合自动控制原理和微处理器的基于半导体制冷的电子冰箱设计就尤为必要。
2课题研究的内容及设计方案
2.1半导体制冷器工作原理
相比于传统蒸汽压缩式制冷，半导体制冷技术具有诸多优点，它是一种固半导体制冷（Thermoelectriccooler，简写TEC）也称温差电制冷，其原理主要是利用了帕尔帖元件的帕尔帖效应。
帕尔帖效应：
当电流I通过由两种不同材料组合成的闭合回路时，在材料的接头处一端会吸收热量
，另一端会放出热量
。
这种吸收或放出的热量叫做帕尔帖热，其大小由公式2-1决定[6]，吸热或放热由电流的方向决定。
=π*I（2-1）
其中π为帕尔帖系数，与温差电动势率有关，
π=
（
）*T，
为组成回路两种材料的温差电动势率，T为相关接头的温度。
实际上，帕尔帖元件在工作时除了产生帕尔帖效应外，还会产生四种效应，即：
赛贝克效应、焦耳效应、汤姆逊效应和傅立叶效应。
因此，帕尔帖元件的制冷量应该是这五种效应混合作用的结果。
在这五种效应中，汤姆逊效应和傅立叶效应的影响比较微弱，可以忽略不计。
在这里我们只考虑尔帖效应、焦耳效应，另外还有热传导的影响。
使用半导体制冷器进行温度控制，只需控制流过半导体制冷器的电流。
改变电流方向可以实现加热和制冷的转换；改变电流的大小可以调节吸收或放出热量的大小。
半导体制冷器的制冷量受环境温度影响。
在不同环境温度条件下同一个半导体制冷器所能达到的温控下限不一样.焦耳效应和热传导影响了半导体制冷器的制冷效果。
当半导体制冷器处于制冷状态时，应该对其进行散热，减少焦耳效应和热传导对半导体制冷器制冷效果的影响[6]。
2.2系统总体方案
控制器的设计从功能、硬件、软件、工作过程等方面描述一个以微控制器作为控制核心的冷热温度控制系统。
控制系统由单片机、温度传感器、半导体器件珀尔贴、触摸屏显示、红外遥控、网络通讯电路、电源电路等组成，其组成框图如图1-1，控制系统组成如图1-2.
图1-1系统组成
图1-2控制系统组成
2.3方案选择
2.3.1控制系统方案选择
1方案一
控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统两大类。
开环控制系统中没有测量元件，不使用反馈信号，系统框图如图2-1所示。
开环系统的优点是系统结构简单，容易调试。
但是当工作环境和系统本身的元部件性能参数发生变化时，开环系统的被控量会受到较大影响，即抗干扰能力差。
一般说，高精度的开环控制系统要求所有的元部件都有较高的精度和很稳定的性能。
即开环控制对环境和元件的要求都比较严格。
图2-1开环控制方案
2方案二
闭环控制系统输出信号不仅受到输入信号的控制，而且还受到与输出信号成比例的反馈信号的控制。
系统框图如图2-2所示。
闭环控制系统本身能检测出被控量的设定值与真实值之差，实际上是用偏差量去减小和消除偏差，所以抗干扰能力强。
闭环控制系统可以明显减弱某些元件参数和控制象本身的参数变化对被控量的不利影响，所以对这些部件要求不是很严格。
本文选用此结构。
但是闭环控制系统结构复杂，设计和调试技术也比较复杂，有可能会产生不稳定。
图2-2闭环控制方案
系统以冰箱内温度为被控量，通过改变制冷片的输入电压，进而改变流入制冷片的电流，从而控制温度。
而对于这样的被控对象，其模型具有非线性的特点，且容易在控制量及被控量自身的影响下发生改变。
这就要求系统采用的控制算法适用于非线性对象，能消除因被控对象模型改变带来的影响。
半导体电子制冷冰箱的温度控制为了得到较高的控制精度采用闭环控制。
系统输入r（t）与系统输出y（t）比较后形成偏差e（t），e（t）经采样-保持器及模数转换器转换成数字量e（kT），输入计算机，由计算机实现数字控制器的运算规律，得到离散的控制量u（kT），再经数模转换及保持器转换为连续控制量u（t），作用到连续的被控对象上，以控制被控对象的输出y（t）。
系统设计中，通过对被控对象施加阶跃输入，测绘出对象输出量随时间变化的响应曲线。
由响应曲线的结果分析，采用两点法，确定山被控对象的传递函数。
为简化模型，建立线性模型，控制算法采用PID算法，PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差
。
将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量对被控对象进行控制。
闭环温度控制系统一般由三部分组成：
温度传感器、温度控制器和温度调节器。
温度传感器采集受控对象的温度，温度控制器根据采集的温度和预期要达到的温度。
2.3.2微处理器
1方案一
采用TI公司的MSP430F149单片机。
MSP430单片机是TI公司推出的一个新型单片机系列，其主要特点是：
超低功耗、16位指令、内置A/D转换器、串行通信接口、硬件乘法器、高抗干扰能力等。
因此，MSP430单片机特别适合应用在智能仪表、防盗系统、智能家电、电池供电便携式设备等产品之中。
其性能特点如下：
低工作电压（1.8~3.6V）；超低功耗（工作模式4下耗电仅为0.1μA）；16位精简指令结构（RISC）；150ns指令周期；片内有JTAG调试接口和FLASH型存储器，可在线串行编程；开发环境十分方便高效，支持C语言和汇编语言。
低电压、超低功耗。
正常工作模式280μA@1MHz，2.2V，待机模式1.6μA，RAM数据保存的掉电模式下0.1μA。
五级节电模式。
快速苏醒，从待机模式下恢复工作，只需要不到6μS时间。
12位ADC，具有内部参考电压源，并且具有采样、保持、自动扫描等功能。
具有12位的模数转换器可以得到很高的精度，并且省去了使用专门的模数转换器给设计电路板带来的麻烦。
2个16位计数器。
具有捕获、门限功能。
具有片内比较器。
支持ISP（在系统编程），方便开发和项目升级。
支持序列号，熔丝位烧写。
方便简单。
双串口支持[1]。
2方案二
STM32F系列中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex-M3。
该系列芯片按片内Flash的大小可分为三大类：
小容量（16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K、384K和512K）。
芯片集成有USB，CAN，最多8个定时器，2个ADC，SPI，I2C，USB，UART等多种功能。
STM32F103x8和STM32F103xB增强型系列使用高性能的ARM® Cortex™-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。
所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：
多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。
STM32F103xx中等容量增强型系列产品供电电压为2.0V至3.6V，包含-40°C至+85°C温度范围和-40°C至+105°C的扩展温度范围。
一系列的省电模式保证低功耗应用的要求[2]。
3微处理器方案选择
综合MSP430和STM32的资源和性能比较，STM32的比较丰富内设资源和快速的运行速度是本系统的最佳选择。
2.3.3显示部分
该系统设置触摸屏进行显示和相关的状态值设定，可显示时间、温度值、设定值。
一般液晶所用的触摸屏，最多的就是电阻式触摸屏。
TFTLCD触摸屏不仅可以显示高质量彩色图像，也可以作为微处理器输入设备。
电阻式触摸屏利用压力感应进行控制。
电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，本系统选择触摸屏进行显示。
2.3.4键盘部分
本系统使用红外遥控器、触摸屏以及上位机进行设置。
红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本低，易实现等显著优点，被诸多电子设备特别是家用电器广泛采用，并越来越多的应用到计算机系统中。
TFTLCD电阻触摸屏是一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属（透明的导电电阻）导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层、它的内表面也涂有一层涂层、在他们之间有许多细小的（小于1/1000英寸）的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。
当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在X和Y两个方上产生信号，然后送触摸屏控制器。
控制器侦测到这一接触并计算出（X，Y）的位置，再根据获得的位置模拟鼠标的方式运作。
遥控器和触摸屏可以设置相应的功能键。
1.启动/停止键：
系统无故障时操作该键有效，允许机器运行；运行时按此停止机器运行。
2.设置键：
启动状态下操作该键，进入时间、温度设置状态。
按该键，可进行温度设定,设置值自动保存。
3.“+”键设置：
按该键可将设置值递增，按住可自动递增。
4.“-”键设置时：
按键可将设置值递减，按住可自动递减。
2.3.5上位机通信
UART是最常用的一种串口通信方式，单片机和计算机PC通信，就是通过UART串口通信的。
UART串口通信只需要2根线TXD发送数据、RXD接收数据，成本低传输速度快。
STM32F103RBT6，有3个串口，有分数波特率发生器、支持同步单线通信和半双工单线通讯。
本系统选用UART使用RS-232通信方式和上位机进行通信。
在上位机上查看实时温度值和进行温度设定。
2.3.6珀尔贴驱动部分
计算机通过并行接口电路输出的开关量信号，往往是低压直流信号。
一般来说，这种信号无论是电压等级、还是输出功率，均无法满足执行机构的要求，所以应该进行电平转换和功率放大，再送往执行机构。
常用的驱动方式有小功率低压开关量输出、继电器输出、晶闸管输出、功率场效应管输出、集成功率电子开关输出。
对于低压小功率开关量输出，可采用晶体管、OC门或运放等方式输出。
一般仅能提供几十毫安级的输出驱动电流。
继电器经常用于计算机控制系统中的开关量输出功率放大，即利用继电器作为计算机输出的执行机构，通过继电器的触点控制较大功率设备或控制接触器的通断以驱动更大功率的负载，从而完成从直流低压到交流（或直流）高压、从小功率到大功率的转换。
但继电器的工作频率较低。
作为一种大功率半导体无触点开关器件，晶闸管具有以较小的功率来控制大功率的特点。
晶闸管用于交流电系统中。
功率场效应管（MOSFET）是压控电子开关，只要在其栅极G和源极S之间加上足够的控制电压，漏极D和源极S之间即可导通。
MOSFET的栅极控制电流为微安级，而导通后漏极D和源极S之间允许通过较大的电流，如IRF3250导通时，D、S间允许通过的最大电流可达110A。
工作频率也很高。
本系统选择功率场效应管作为珀尔贴的驱动。
2.3.7温度测量部分
目前市场上常见的温度传感器主要有模拟集成温度传感器、热敏电阻、铂电阻以及热电偶。
模拟集成温度传感器是将温度传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量模拟信号输出功能的专用集成电路，如AD590、LM335等。
它的特点是功能单一、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、线性好。
其缺点是测温范围比较窄。
热敏电阻具有高稳定性、精密、小尺寸、灵敏和价格低廉等优点，每摄氏度可以改变儿百欧姆，适合稳定性超过0．01℃的系统。
但热敏电阻是非线性电阻，它的非线性表现在：
其电阻值与温度之间早指数关系和电流随电压的变化不服从欧姆定律。
这一特性以及窄的温度敏感范围（一般为50℃）是这种敏感元件的缺点。
铂电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠。
但是在还原介质中，特别是在高温下很容易被氧化中还原出来的蒸气所沾污，容易使铂丝变脆，并改变它的电阻与温度间的关系。
热电偶的测量电路，必须对所测温度进行冷端补偿。
LM35是由NationalSemiconductor所生产的温度传感器，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，0时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV。
LM35在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到±1/4℃的准确率。
其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；在静止温度中自热效应低（0.08℃），单电源模式在25℃下静止电流约50μA，工作电压较宽，可在4—20V的供电电压范围内正常工作非常省电。
且稳定性好，价格低，容易在市场上购得，能够较好地满足设计的需求。
2.3.8网络通信模块部分
单片机加ENC28J60模块的网络通信,ENC28J60是带有行业标准串行外设接口（SerialPeripheralInterface，SPI）的独立以太网控制器。
它可作为任何配备有SPI的控制器的以太网接口。
ENC28J60符合IEEE802.3的全部规范，采用了一系列包过滤机制以对传入数据包进行限制。
它还提供了一个内部DMA模块，以实现快速数据吞吐和硬件支持的IP校验和计算。
与主控制器的通信通过两个中断引脚和SPI实现，数据传输速率高达10Mb/s。
两个专用的引脚用于连接LED，进行网络活动状态指示。
使用ENC28J60模块可以远程实现对温控系统进行远程控制。
2.3.9半导体制冷器珀尔贴选择
箱体的温度降到设计温度的过程中需要一定的冷量,设计冰箱外形尺寸长、宽、高分别是15cm、10cm、25cm。
冷冻室约为4L。
但由于冰箱的热交换比较复杂，综合市场上销售的半导体制冷片和电源功率限制决定选用TEC-12706，功率50W。
3软件模块设计
3.1编程语言的选择
编程语言可用汇编语言和C语言，汇编语言执行效率较高，但是编程复杂，适用于系统资源受限和对执行速度要求较高的场合。
C语言编程简单，易学易用，代码重复利用率高，但编译效率比较差。
适合于资源充足，对时间要求不高，或程序复杂的场合中。
综和本设计的特点，选择C语言进行设计，可以减少设计周期，也可利于对软件的升级。
3.2软件模块设计
软件模块有温度采集模块，PID算法模块，触摸屏显示，上位机通信模块，网络通信模块，红外遥控器模块，珀尔贴PWM控制模块。
流程图如图4-1
1温度采集模块
采用单片机自带的12位AD转换器进行温度采集转换。
2PID算法模块
编写PID算法程序对温度控制进行计算
3触摸屏显示模块
编写触摸屏显示与触摸温度设置程序
4上位机通信模块
编写上位机通信程序
5网络通信模块
编写网络通信模块程序
6红外遥控器模块
编写红外遥控通信模块程序
7珀尔贴驱动控制模块
编写pwm输出程序
图4-1流程图
在本设计中，整个系统协调工作在单片机系统控制下进行。
同时，为了便于温控系统与其他系统的统一操作与控制，设置人机交互界面，单片机系统与PC机系统的通讯与数据交换。
温度给定环节通过触摸屏、红外遥控器、上位机进行。
温度检测由温度传感器实现，模数转换由单片机内部AD转换电路实现。
控制器进行PID运算进而输出PWM信号给驱动电路对箱体内温度进行精确控制。
程序在读取AD值，PID运算，显示，上位机通信，网络通信和红外遥控器接收上循环。
红外遥控器接收使用中断，进行设定时才工作。
显示是实时性显示。
显示器也使用中断触发，有信息更新时进行，才进行显示更新。
4进度时间安排
13142学期第01周：
开题；
13142学期第02周至04周：
半导体制冷系统建模；
13142学期第05周至09周：
PID控制器设计，中期答辩；
13142学期第10周至12周：
仿真及实验；
13142学期第13周至15周：
完成毕业设计论文及答辩。
5参考文献
[1]Timsp系列单片机使用手册
[2]STM32F系列STM32F103RBT6系列单片机使用手册
[3]杨学昭，王东云等.单片机原理、接口技术及应用（含C51）.西安：
西安电子科技大学出版社2009年
[4]计算机控制系统/李元春主编.-2版。
-北京：
高等教育出版社，2009.1
[5]洪俊明.半导体制冷嵌入式智能控制仪的研究与开发[硕士学位论文]：
江苏：
东南大学，2009
[6]吴扬.半导体温度控制仪的研制：
[硕士学位论文].黑龙江：
哈尔滨工业大学，2006
[7]李爱博.单级半导体制冷器制冷特性分析及研究：
[硕士学位论文]，湖北：
华中科技大学，2011
[8]姬志君.基于半导体制冷技术的自动温控箱的研究与设计:
[硕士学位论文]，h河北：
河北农业大学，2011
[9]周永安,欧林林.半导体制冷冰箱的研究:
<<真空于低温>>2001年第4期
[10]JingboJiang∗,GovindV.Kaigala†,HoracioJ.Marquez∗,andChristopherJ.Backhouse∗.NonlinearcontrollerdesignsforthermalmanagementinPCRamplification,ControlSystemsTechnology,IEEETransactionson （Volume:
20,Issue:
1 ）,Jan.2012,Page（s）:
11-30
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