半导体电子制冷系统的设计毕业设计说明书管理资料.docx
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半导体电子制冷系统的设计毕业设计说明书管理资料
1绪论
1.1概述
半导体制冷又称为热电制冷（Thermoelectriccooler）或温差电制冷。
当直流电流通过具有热电转换特性的导体组成的回路时具有制冷功能，这就是所谓的热电制冷。
由于半导体材料具有非常好的热电能量转换持性，它的应用才真正使热电制冷实用化，在国际上被普遍采用，为此人们又把热电制冷称为半导体制冷[1]。
它主要是帕尔帖效应（Pehiereffect）在制冷技术方面的应用。
1.2本课题研究的意义
结构简单，尺寸小，整个制冷器由制冷片和导线组成，无任何机械运动部件，噪音低，无磨损，寿命长；具有高度的可靠性和良好的可维修性；不用制冷剂，对环境没有污染，绿色环保；冷却速度和制冷温度可以通过改变工作电流和工作电压的大小任意调节，启动快，控制灵活，控制精度高；制冷片可以做成各种形状，在任何方向下，甚至在失重和超重状态下都可工作；操作具有可逆性，既可制冷，又可供热，而这只需改变工作电流的方向；制冷量可在MW级-KW级变化，制冷温差可达2O℃～150℃范围。
虽然其用于制热时效率很高，但用于制冷时效率较低，损耗大。
半导体制冷由于具有以上特点，所以在工业、医疗卫生、军事等很多方面得到了广泛的应用。
比如在工业中，热电制冷零点基准仪的应用就是对传统的使用以冰块作为零度基准点的重大创新；在医疗卫生上，它可以对高烧病人进行局部或全身快速降温，在外科手术中实施冷冻麻醉等；在军事上，它可应用于导弹、雷达装置中的红外探测器的冷却等。
在我们的日常生活中，半导体制冷可用于冰箱、空调，也可以给的电脑CPU散热。
[2,3]
在电子设备的散热方面，半导体制冷也有着广泛的应用。
对温度反映敏感、使用条件严格的电子元器件，可以用半导体制冷使它们维持低温或恒温的工作条件。
例如：
对大规模集成电路、光敏器件、功率器件、高频晶体管等电子元器件以及热摄像仪、电视摄像管和电视摄像仪等的冷却或恒温。
在高精尖科技领域内，常对各种电子元器件的温度性能要求很高，为了定标测量标准电子元器件的温度性能，国产超级恒温槽采用半导体制冷，℃左右。
此外，具有我国自主知识产权的高效半导体热电元件，其优值系数已在原来的基础上成倍增长，可以超过13x10-3/K，现在高效的半导体制冷器在温差50℃时，制冷系数大于3，制冷效率还能高于压缩机制冷。
电子制冷技术将是未来的主流制冷方式，半导体电子制冷技术的发展对工业生产、我们的生活都有极大的推动作用，但是现在的制冷技术还远没有成熟，因此，半导体电子制冷技术的研究还是一个热门的研究方向。
1.3半导体电子制冷系统发展现状
可供制冷用的半导体材料很多，如PbTe、ZnSb、SiGe、AgSbTe2等，衡量半导体材料制冷效率高低的一个重要参数是优值系数z，z值越大，则效率越高。
优值系数z决定于制冷元件的传热系数、电偶的总电阻和总热导系数，是反映半导体制冷性能的重要参数。
[4,5]
目前，用于制冷使用最多的半导体材料是P-Bi2Te3Sb2Te3和N-Bi2Te3Bi2Se3准三元合金，它们具有较高的优值系数Z。
P型半导体材料的优值系数ZP>×10-8/度，N型半导体材料的优值系数ZN>3×10-8/度。
理论计算表明，优值系数Z的上限为17×10-8/度。
如果实现优值系数Z达到13×10-8/度，则半导体制冷效率将与机械压缩式制冷效率几乎一样。
在半导体制冷材料的优值系数z值没有突破之前，半导体制冷只能在小体积和微型化上比传统的机械压缩式制冷优越。
我国半导体制冷技术始于上世纪50年代末、60年代初。
当时在国际上属比较早的研究单位之一。
上世纪60年代中期，我国半导体材料的性能达到了国际水平。
6O年代末至80年代初是我国半导体制冷技术发展的一个新台阶。
在此期间，一方面研究半导体制冷材料的高优值系数，另一方面拓宽其应用领域。
中国科学院半导体研究所在这方面投入了大量的人力与物力，获得了丰硕的成果，对当今的半导体制冷的生产及其二次产品的开发和应用．奠定了坚实的基础。
[6-8]
1.4课题分析
半导体制冷系统由温度传感器来采集箱内温度，然后通过单片机内部的A／D转换器将模拟信号转换为数字信号，通过控制规则，单片机作出相应的处理，将结果显示出来并进行调控，使系统的温度控制在要求的范围内，。
场效应管
显示器
键盘
CPU
AD转换器
风扇
半导体制冷片
制冷负载
热敏电阻NTC
PWM
半导体制冷控制系统
1.5技术指标
本课题要求的供电电压为220V交流电，温度控制精度要求控制在±℃，整机最大功耗要求小于70W。
2
半导体电子制冷系统的方案设计
2.1设计要求
了解半导体制冷技术发展状况及制冷片的性能指标，并设计一控制装置，能够实现温度的平稳控制。
完成本课题电器原理电路图的设计。
2.2系统的总体构成
因为提供的是220V交流电源，而半导体制冷片制冷的最大电压为12V，所以先将220V交流电源转为12V直流电源，而大多数元件正常工作电压为DC5V，因此需要再提供一个5V直流电源，风扇所需电压为DC8V，因此再提供一个8V直流电源。
场效应管IRFZ44
LCD显示
74LS245
8031
ADC0809
风扇
半导体制冷片
热敏电阻1005
PWM
半导体制冷控制系统
AC220V
DC12V
DC5V
程序存储器
2764
数据存储器
6264
地址锁存器
74LS373
DC8V
键盘
2.3系统的工作过程
本系统启动后先由控制键盘设置所需的制冷温度，热敏电阻1005采集箱内实际温度，通过A/D转换器ADC0809将温度模拟信号转换为数字信号，并将信号传给8031，将温度结果显示出来，单片机8031通过比较实际温度和所需温度，作出相应的处理，发出脉宽控制信号给场效应管IRFZ44，由场效应管识别脉宽控制制冷片两端所需电压，以调节制冷强度，使系统的温度控制在要求的范围内。
3
硬件设计
3.1中央控制系统的设计
中央控制系统部分由以下几部分组成：
单片机8031，数据存储器6264，地址锁存器74LS373，程序存储器2764，复位电路，晶振电路。
。
中央控制系统
8031芯片简介
8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器型号选择为6264。
用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。
写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。
。
（1）主电源引脚VCC和VSS
VCC——（40脚）接+5V电压；
VSS——（20脚）接地。
（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。
当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。
XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。
在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。
采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。
8031引脚图
（3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP
①RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。
，与VCC引脚之间连接一个约10μF的电容，以保证可靠地复位。
VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。
当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（5±）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。
②ALE/PROG（30脚）：
当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。
即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。
然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。
对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。
③PSEN（29脚）：
此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。
在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。
但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。
④EA/VPP（31引脚）：
当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。
当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。
对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。
对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。
（4）输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）
①P0口（39脚至32脚）：
是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。
②P1口（1脚至8脚）：
是准双向8位I/O口。
由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。
P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。
对8052、8032，，、重装触发，即T2的外部控制端。
对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。
③P2口（21脚至28脚）：
是准双向8位I/O口。
在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。
在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。
P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。
④P3口（10脚至17脚）：
是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。
P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。
作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。
值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。
根据系统设计的需要，本系统主机由一片8031单片机组成。
时钟电路选用外接1MHz石英晶体，考虑晶振两侧电容的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，。
复位电路由电阻、电容构成，具有上电复位功能。
再加上单片机Vcc接至+5V电源以及GND接地。
P0口为数据总线，～～D7数据线以及ADC0809的msb2-1～2-7及1sb2-8相连。
，提供PWM信号由控制制冷片两端电压来控制制冷效率；；～；～，用以调节所需制冷温度；～～A14相连；。
RXD与报警器相连，用于报警控制；TXD与74HC164相连；X1和X2连接着晶振电路。
。
6264是8K的低功耗静态RAM存储器，采用单一+5V电源供电，双列直插式28引脚封装，。
6264引脚图
6264引脚功能如下：
A12～A0（addressinputs）：
地址线，可寻址8KB的存储空间。
D7～D0（databus）：
数据线，双向，三态。
OE（outputenable）：
读出允许信号，输入，低电平有效。
WE（writeenable）：
写允许信号，输入，低电平有效。
CS1（chipenable）：
片选信号1，输入，在读/写方式时为低电平。
CS2（chipenable）：
片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。
VCC：
+5V工作电压。
GND：
信号地。
6264的操作方式：
Intel6264的操作方式由CS1、CS2的共同作用决定
①写入：
当CS1为低电平，且OE为高电平时WE为低电平，数据输入缓冲器打开，数据由数据线D7～D0写入被选中的存储单元。
②读出：
当CS1为低电平，且WE为高电平时OE为低电平，数据输出缓冲器选通，被选中单元的数据送到数据线D7～D0上。
③保持：
当CS1为高电平，芯片未被选中，处于保持状态，数据线呈现高阻状态。
MCS-51单片机系统扩展时，用P0和P2来扩展外部Ram（），一般使用P0口作为地址低8位（与数据口分时复用），而P2口作为地址高8位，它共有16根地址总线，寻址空间为64KB。
6264与8031连接图
74LS373的输出端Q0～Q7可直接与地址总线相连。
当三态允许控制端OE为低电平时，Q0～Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时，Q0～Q7呈高阻态，既不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时，Q随数据D而变。
当LE为低电平时，Q被锁存在已建立的数据电平。
。
引出端符号：
D0～D7：
数据输入端
OE：
三态允许控制端（低电平有效）
LE：
锁存允许端
Q0～Q7：
输出端
74LS373管脚图
。
74LS373的推荐工作条件
最小
额定
最大
单位
电源电压Vcc
5
V
输入高电平电压ViH
2
V
输入低电平电压ViL
V
输入高电平电流IOH
mA
输入低电平电流IOL
24
mA
脉冲宽度tW
LE（H）
15
ns
LE（L）
15
保持时间tH
D
10↓
ns
D
0↓
ns
由于8031内部存储较小，所以选择添加外部程序存储设备，考虑到系统设计不是太复杂，所以选择存储为8K的2764作为外部存储设备，。
管脚功能如下：
A0～A12：
地址线
D0～D7：
数据线
CE：
端口选择
OE：
输出使能
PGM：
编程脉冲输入
Vpp：
编程电源
2764引脚图
复位电路设计为上电自动复位，。
复位电路
时钟电路选用外接1MHz石英晶体，考虑晶振两侧电容的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，。
。
晶振电路
3.2LED显示电路的设计
本系统设计任务只需3位显示即可，虽然系统设计为双路温度值采集，但是为了使用方便和降低制造成本，选择三位LED显示即可，这样既可以降低制造成本，也可以简化系统。
于是，为了进一步简化系统，选用LG5631AH作为LED显示器，由于LG5631AH自身就是三位显示，因此只需使用一次此芯片即可。
。
LG5631AH连线图
3.3键盘部分的设计
为了系统温度的调控，必须有键盘部分来控制，考虑到系统的实用性和方便性，本系统设置了四位按键，其功能分别为：
电源开关，温度设置，设置温度增加，设置温度减少。
由于8031I/O口数量有限，所以用双向总线发送器/接收器74LS245扩展，以使键盘顺利连接。
。
其RD，。
引出端符号:
A0～A7：
A总线端
B0～B7：
B总线端
E：
三态允许端（低电平有效）
DIR：
方向控制端
键盘电路
74LS245的工作原理：
当E为高电平时，芯片未选通；E为低电平时，芯片选通，此时DIR为高电平，则由A总线向B总线传输数据，若DIR为低电平，则由B总线向A总线传输数据。
由于本设计只需将键盘信号传递给CPU，即只需由B总线向A总线传输数据，因此设置DIR接地为低电平，由E控制传递数据或者未选通。
3.4数据采集电路的设计
可供选择的测温元件有热敏电阻和热电偶。
热敏电阻按电阻温度特性分为三类。
①负温度系数热敏电阻（NTC）：
在工作温度范围内温度系数一般为（1～6）％/C°；②正温度系数热敏电阻（PTC）：
又分为开关型和缓变型，开关型在居里点的温度系数大约为（10～60）％/C°，缓变型一般为（～8）％/C°；③临界负温度系数热敏电阻（CTR）。
NTC热敏电阻测温范围为－60～＋300℃，在更高的温度时其稳定性开始变差。
NTC热敏电阻的标称阻值一般在1欧至100兆欧之间。
采用精密电阻和热敏电阻的各种组合网络可扩大测量温度线性范围。
℃，感温时间可少至10s以下。
也可以采用热电偶来测温，但是考虑到经济性，热电偶价格较高，所以采用负温度系数热敏电阻来测温。
负温度系数热敏电阻的主要参数有：
（1）标称阻值Rc:
一般指环境温度为25℃时热敏电阻器的实际电阻值。
（2）实际阻值RT:
在一定的温度条件下所测得的电阻值。
（3）材料常数:
它是一个描述热敏电阻材料物理特性的参数，也是热灵敏度指标，B值越大，表示热敏电阻器的灵敏度越高。
应注意的是，在实际工作时，B值并非一个常数，而是随温度的升高略有增加。
（4）电阻温度系数αT:
它表示温度变化1℃时的阻值变化率，单位为%/℃。
（5）时间常数τ：
热敏电阻器是有热惯性的，时间常数，就是一个描述热敏电阻器热惯性的参数。
它的定义为，在无功耗的状态下，当环境温度由一个特定温度向另一个特定温度突然改变时，%所需的时间。
τ越小，表明热敏电阻器的热惯性越小。
（6）额定功率PM:
在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续负载所允许的耗散功率。
在实际使用时不得超过额定功率。
若热敏电阻器工作的环境温度超过25℃，则必须相应降低其负载。
（7）额定工作电流IM:
热敏电阻器在工作状态下规定的名义电流值。
（8）测量功率Pc:
在规定的环境温度下，%时所消耗的电功率。
（9）最大电压:
对于NTC热敏电阻器，是指在规定的环境温度下，不便热敏电阻器弓起热失控所允许连续施加的最大直流电压;对于PTC热敏电阻器，是指在规定的环境温度和静止空气中，允许连续施加到热敏电阻器上并保证热敏电阻器正常工作在PCT特性部分的最大直流电压。
（10）最高工作温度Tmax:
在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许的最高温度。
（11）开关温度tb:
PCT热敏电阻器的电阻值开始发生跃增时的温度。
（12）耗散系数H:
温度增加1℃时，热敏电阻器所耗散的功率，单位为mW/℃。
A/D转换器
A/D转换器是模拟量输入的重要通道的核心部件。
根据设计任务的需要——2路采集，而ADC0809支持多路采集并在市场上最为常见，所以选择使用ADC0809芯片作为A/D转换器，只需要一个芯片即可完成完成任务需求。
并且ADC0809带有所存电路，可直接与CPU相连接。
ADC0809是单片双列直插式集成电路芯片，是8通路8位A/D转换器，其主要特点是：
分辨率8位；总的不可调误差为±1LSB；当模拟输入电压范围为0～5V时，可使用单一的5V电源；转换时间100μm；温度范围-40～+85℃；可直接与CPU连接，不需另加接口逻辑；内部带8路模拟开关，可以输入8路模拟信号；输出带锁存器；逻辑电平与TTL兼容。
ADC0809是一种带有8位转换器、8位多路切换开关以及与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
8位A/D转换器的转换方法为逐次逼近法。
在A/D转换器的内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的256R分压器，以及一个逐次逼近的寄存器。
八路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在八个通道中任意访问一个单边的模拟信号。
ADC0809无需调零和满量程调整，又由于多路开关的地址输入能够进行锁存和译码，而且它的三态TTL输出也可以锁存，所以易于与微处理机进行接口。
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，。
ADC0809引脚图
下面说明各引脚功能。
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
2-1～2-8：
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：
通道号端子，用于选通8路模拟输入中的一路,C为最高位，A为最低位。
当C、B、A全零时，选中IN0通道接入；当C、B、A为001时，选中IN1通道接入；当C、B、A为111时选中IN7通道接入。
ALE：
地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
当ALE为高电平时，允许C、B、A所示的通道被选中，并将该通道的模拟量接入A/D转换器。
START：
A／D转换启动信号，输入，高电平有效。
EOC：
A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，发出一个正脉冲，表示A/D转换结束。
此信号可用作为A/D转换是否结束的检测信号或中断申请信号。
ENABLE（OUTPUTENABLE）：
数据输出允许信号，输入，高电平有效。
当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLOCK：
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）：
参考电压端子，用来提供D/A转换器权电阻的标准电平。
在单极输入时；REF（+）=5V，REF（-）=0V，当模拟量为双极性时，REF（+）、REF（-）分别接+、-极的参考电压。
Vcc：
电源，单一＋5V。
GND：
接地。
ADC0809的工作过程是：
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
3.5输出控制电路的设计
输出控制电路主要由两部分组成：
保护电路和控制电路。
控制电路的工作过程是CPU8031发出的PWM控制信号经由保护电路传递给控制电路中的场效应管IRFZ44，再由场效应管解读PWM控制信号来控制电路给制冷片的输出电压，进而控制制冷片的制冷效果。
，其作用是阻挡控制电路中向8031产生的回流电压，保护CPU8031，避免其被控制电路产生的回流电压所破坏。
保护电路
，其左端接12V直流输入电压，由于场效应管高电平导通，所以经PWM信号控制场效应管的导通，进而控制控制电路右端的输出电压，从而控制制冷效果。
控制电路
3.6报警系统的设计
为了保证系统运行可以被即时操作，所以设置一指示灯以显示系统的运行情况。
当系统通电，开始运行后，此指示灯亮起以指示系统正在运行。
当制冷结束，关闭电源后，此灯熄灭。
如果正在运行时此灯熄灭，则表示系统意外断电，以告知操作人员进行相应的处理。
指示系统连接图
3.712V电源
为了简化设计，电源决定使用12V直流电源适配器
3.85V电源模块
设计中由于很大一部分的芯片的供电电压要求是5V，又因为上一节中220V的市电经过12V电源适配器后已经转换为12V的直流电，所以这里为了不重复设计变压器以增加设计成本，直接将12V的直流电通过一个5V的电源模块转换为5V的直流电供芯片使用。
。
5V电压模块
在5V电压模块中使用的是7805芯片，这个芯片的主要功能是将高电压的直流电转换成5V的直流电。
其中输入端VIN的输入电压范围是：
7V-25V，。
由于转换完成后的输出电压中会有少部分的高频分量，为了将这部分的高频分量滤除掉，所以在输出端与地之间并联3个电容，以滤除掉高频分量。
3.98V电源模块
设计中有一部分的器件要求的供电电压是8V，所以还需要一个8V电压模块，同样我们为了不重复设计变压器以增加设计成本，直接将12V的直流电通过一个8V的电源模块转换为8V的直流电供芯片使用。
。
8V电压模块
在8V电压模块中使用的是7808芯片，这个芯片的主要功能是将高电压的直流电转换成8V的直流电。
其中输入端VIN的输入电压范围是：
，。
由于转换完成后的输出电压中会有少部分的高频分量，为了将这
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