基于单片机的温控器的研究.docx

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基于单片机的温控器的研究

摘要

自动控制仪器仪表总的发展趋势是高性能、数字化、集成化、智能化和网络化。

智能温度控制系统的设计是为了满足市场对成本低、性能稳定、可远程监测、控制现场温度的需求而做的课题，具有较为广阔的市场前景。

本文研究的温度控制仪采用的是半导体制冷。

半导体制冷是利用帕尔帖效应进行温度控制，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。

本文首先根据半导体制冷器（TEC）的物理特性分析了半导体制冷技术的关键，给出了系统的总体设计方案。

整个系统采用闭环控制结构，使系统的抗干扰能力大大增强；为半导体制冷器量身定做的驱动电路，可以方便的调节通过TEC电流的大小和方向，使TEC加热制冷灵活迅速的特点得到充分发挥；使用比例积分（PI）的控制方法使得温度控制快速稳定；同时，温控仪与上位机通过USB口进行通讯，实现了上位机对温控仪的远程控制。

关键词：

温度控制，帕尔帖效应，半导体制冷器，USB通讯

Abstract

Thetrendofthedevelopmentofinstruments,includingthetemperaturemeasuringequipment,iswell-performed,digitized,integrated,intelligentandnetworked.Thedesignofthetemperaturecontrolsystemistomeetthedemandofthemarket,whichasksforlowcost,stableperformance,remotemonitorcapability.Theproducthasabroaderprospectonthemarket.

Thesemi-conductortemperaturecontrolequipment,whichisexaminedinthispaper,adoptsthemethodofrefrigeratingwiththesemi-conductor.Refrigeratingwiththesemi-conductorisatemperaturecontroltechniqueutilizingthePeltierEffect,withtheadvantagesoflittlecubage,lightweight,longlife-span,nonoisedisturbance,noenginemovement.Itisrefrigeratingandheatingveryswiftlyandquickly.Theprecisionofthetemperaturecontrolisprettyhigh,andthereisnoneedforrefrigerator,makingnoharmtotheenvironmenteither.

Thispaperfirstanalyzesthekeytechniquesofthesemi-conductortechnologyaccordingtothephysicalfeaturesoftheThermoelectriccooler（TEC）,andthenprovidestheoverallblue-printdesignofthissystem.Thesystemadoptstheclosed-loopcontrollingsystem,whichgreatlystrengthenstheabilityofdisturbanceresistance.Thedrivingcircuit,whichisspeciallydesignedforthesemi-conductorrefrigeratorcanconvenientlyadjustthesizeandthedirection，whichpassesthroughtheTECelectricitysoastofullymakeuseoftheadvantagesofswiftandquickrefrigeratingandheating.AndthecontrollingmethodofPImakesthetemperaturecontrolquickandstable.Atthesametime,thepapercompletesthemutualcommunicationbetweentemperaturecontrolequipmentandcomputerbywayofUSBinterface,soastorealizetheremotecontrolofcomputertothetemperaturecontrolequipment.

Keywords:

Temperaturecontrol,PeltierEffect,Thermoelectriccooler,USB

Communication

目录

摘要I

AbstractII

第一章绪论1

1.1概述1

1.2本课题的目的与意义2

1.3国内外研究现状3

1.3.1国外研究现状3

1.3.2国内研究现状4

1.4课题的主要研究内容及指标5

第2章半导体温度控制仪系统总体方案6

2.1热电材料概述6

2.1.1热电效应的定义6

2.1.2材料的热电效率6

2.2半导体制冷器工作原理7

2.3系统总体方案9

2.3.1系统结构设计9

2.2.2系统方案选择10

第3章半导体温度控制仪硬件设计15

3.1系统的性能要求及特点15

3.1.1功能要求15

3.1.2系统特点15

3.2系统的硬件总体结构15

3.3单片机系统16

3.3.1单片机的选择16

3.3.2存储器芯片的选择17

3.3.3单片机IO口扩展及外部存储器电路17

3.4USB数据传输接口电路18

3.5温度获取与采样电路20

3.5.1温度传感器信号采集放大电路20

3.5.2A/D的选择21

3.6温度设定电路21

3.6.1D/A转换电路21

3.6.2差分放大电路22

3.6.3比例积分控制电路23

3.7半导体制冷器驱动电路23

3.8显示键盘电路及其它电路24

第4章半导体温度控制仪软件设计26

4.1下位机程序26

4.1.1主程序26

4.1.2中断服务及按键程序26

4.1.3显示子程序28

4.1.4A/D转换子程序29

4.1.5D/A转换子程序30

4.2上位机程序31

4.3USB通信子程序32

4.3.1USB固件编程描述32

4.3.2USB固件结构33

4.4软件调试34

第5章全文总结36

致谢37

参考文献38

附录1温控仪电路图40

附录2PCB图41

附录3部分程序模块42

第一章绪论

1.1概述

在工业生产过程中，控制对象各种各样，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。

在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。

温度控制在生产过程中占有相当大的比例，其关键在于测温和控温两方面。

温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。

由于控制对象越来越复杂，在温度控制方面，还存在着许多问题。

如何更好地提高控制性能，满足不同系统的控制要求，是目前科学研究领域的一个重要课题。

温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到系统设定的要求。

近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际测量和控制中，如何保证快速实时地进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。

在温度的测量技术中，包括接触式和非接触式测温[1]。

①接触式测温，它发展较早，这种测量方法的优点是：

简单、可靠、低廉，测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不适宜于对腐蚀性介质测温，不能用于极高温测量，难于测量运动物体的温度。

②非接触式测温，它是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：

不破坏被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。

但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表表观温度，结构复杂，价格昂贵等缺点。

因此，在实际的测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少人力和物力的投入。

温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：

动态温度跟踪与恒值温度控制。

动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。

在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等。

恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某一给定值。

1.2本课题的目的与意义

温度控制技术是一种非常重要的工业技术。

传统的温度控制技术中，加热和制冷往往是分立的。

加热一般采用将电能或者化学能转换成热能的方法，电阻丝、热电阻等电热元件在工业中都有着广泛的应用；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，温控系统往往需要同时拥有加热和制冷的功能，这时采用上述温控方法显得很不方便；而采用热电制冷器作为控温执行器的半导体温度控制仪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，十分方便。

与普通的蒸汽压缩式制冷相比较,半导体制冷具有以下特点：

不使用制冷剂，不污染环境；可只冷却一专门的元件或特定的面积，其尺寸和致冷功率可按具体要求可大可小；体积小、重量轻，可大大节约仪器体积和重量；无噪声、无磨损、无振动、运行可靠、维护方便；可通过改变电流方向达到冷却和加热两种不同的目的,非常方便地实现冷、热两种功能；冷却速度快，冷却速度可通过调节工作电源来控制，操作方便；可使用常规电源，工作电压和电流可在范围内调整；制冷量可在mW～kW变化，制冷温差可达20～150℃范围等优点[2][3]。

半导体温度控制仪的种种优点使得它在很多场合都有着重要的应用：

（1）在高技术领域和军事领域

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，舰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190-270K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。

同其它半导体器件一样，温度对半导体激光器的特性有很大的影响.为了使半导体激光器的激光波长和输出功率稳定，使用寿命尽可能延长，必须对其温度进行高精度的控制。

温度特性主要影响到LD的平均发送光功率、P一I特性的线性、工作波长及使用寿命。

当工作温度升高时，半导体激光器输出光功率明显下降，光功率不稳定也会导致输出光频率不稳定；同时阈值电流增大，当温度升高到一定值时，半导体激光器将不能发光。

此外，温度对半导体激光器的输出波长也有影响，可以通过调节温度来实现对半导体激光器输出波长的微调。

散热效果不好也会影响半导体激光器的寿命，甚至直接毁坏。

半导体温度控制仪可以为激光器提供一个恒定的温度环境，保证了半导体激光器输出波长、光功率的恒定，使得激光器可以稳定的工作，延长了激光器的使用寿命；半导体温度控制仪可以灵活的预设温度并在短时间内达到预设温度，因此也可以将半导体温度控制仪与半导体激光器连接成一个闭环反馈系统，实现对激光器输出波长的微调。

（2）在农业领域的应用

温室里面过高或过低的温度，都将导致秧苗坏死，尤其部分名贵植物对环境更加敏感，迫切需要将适宜的温度检测及控制系统应用于现代农业。

由于半导体温度控制仪的特性满足这些要求，较之传统温度计来说，反应更快，精确度更高，能够准确控温，所以它在农业领域中的应用也十分广泛。

（3）在医疗领域中的应用

半导体温控系统在医学上的应用更为广泛。

如：

在外科小手术中，用半导体制冷器代替氯乙烷对浅表的腔壁很薄的小脓肿施行冷冻麻醉，可以简单，安全地进行切开排脓手术。

生化分析是临床诊断常用的重要手段之一。

通过对血液和其他体液生化分析测定的数据，再结合其他临床资料进行综合分析，可帮助诊断疾病，对器官功能做出评价，并可鉴别并发因子及决定以后治疗的基准等等。

半导体温控仪可用于医疗中的冷冻切片，体外循环热交换器，药物、血清、疫苗和血浆的恒温存储，特别是在现代生物学实验仪器设备、纳米材料检测仪器方面的应用，如：

用于蛋白质功能研究、基因扩增的高档PCR仪、电泳仪及一些智能精确温控的恒温仪培养箱等；用于开发具有特殊温度平台的扫描探针显微镜等。

被检样品和试剂只有在指定的温度下检测才能保证生化检验结果的可靠性，所以它对温度的要求是精度要高，稳定性要好，温度调节要方便灵活，半导体温度控制仪正好可以满足要求。

（4）在电子、电器中的应用

半导体温控技术在电子、电器的温度控制中尤为普遍。

温度控制仪还可以应用在许多要求恒温或温度可调且要求功率不大的场合，它可以应用于低温试验仪器或设备的制作、高真空技术、工业气体含水量的测定与控制以及电子器件等领域。

使用条件严格，对温度反映敏感的电子元器件，要求在恒温下或低温下工作的各种电子元件（如电阻、电容、电感、晶体管、石英晶体等等），都常用半导体温控仪使它们维持恒温。

温控仪还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制造的低温试验，使它们能稳定工作并达到最佳性能状态。

如：

多路通讯机的恒温器、石英晶体振荡器用的恒温器、空调和冰箱的温控器等等[4]。

1.3国内外研究现状

1.3.1国外研究现状

从半导体制冷的发展历史来看,国外的研究大致经历了三个阶段。

第一个阶段是指自塞贝克和珀尔帖先后发现温差电流现象和温度反常现象,进行热电发电和热电制冷的研究到20世纪50年代,由于使用的金属材料的热电性能较差,能量转换的效率很低,无实用价值,热电效应没有得到实质应用。

第二阶段是20世纪50年代初到80年代,主要是通过半导体材料的广泛应用,发现半导体材料具有良好的热电性能,并使热电效应的效率大大提高,从而使热电发电和热电制冷进入工程实践。

20世纪50年代,前苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究,于1954年发表了研究成果,表明碲化铋化合物固溶体有良好的制冷效果。

这是最早的也是最重要的热电半导体材料,至今还是温差制冷中半导体材料的一种主要成份。

约飞的理论得到实践应用后,有众多的学者进行研究,到60年代半导体制冷材料的优值系数,达到相当水平,并得到大规模的应用。

第三阶段是80年代以后,主要是努力提高半导体的热电制冷的性能,进一步开发热电制冷的应用领域。

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[5]。

由于光纤通讯是最近十几年发展起来的，所以生产光纤通讯用半导体制冷器的厂家很少，生产厂家主要集中在日本、美国及西欧几个发达国家，日本在这方面作得最好。

日本的系统技研公司研制的半导体制冷器，温度范围达到－20℃～＋85℃。

日本的Ferrotec株式会社即大和热磁电子有限公司主要生产半导体制冷器和热电材料晶体，半导体制冷器型号主要有TC-48/T/H48和TC-1616，制冷器最大温差70℃。

日本的三菱公司、日立电器和NEC公司的半导体致冷技术也比较先进。

比利时卢森堡电器公司生产的半导体制冷器，可用直流11～26V，或用交流100～130V、200～250V供电，其每小时耗电：

12V时5Wh；110V时为80Wh；220V时为75Wh，工作环境温度为-20°C～+38°C。

美国也有数十家电子公司生产半导体制冷器，其中Interface公司可以达到日本NEC公司的技术水平，温度控制范围最大可以达到-20℃～+85℃[6][7][8][9]。

1.3.2国内研究现状

我国半导体制冷技术始于50年代末、60年代初。

当时在国际上也是比较早的研究国家之一。

60年代中期,半导体材料的性能达到了国际水平,60年代末至80年代初是我国半导体制冷器技术发展的一个台阶。

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投入了大量的人力与物力,获得了半导体制冷器。

但与发达国家相比，我国还未把高效热电材料的研究列入任何正式的国家研究计划，目前国内仅有清华大学、浙江大学、中科院物理研究所等机构从事热电材料的开发方面的研究工作。

随着我国国民经济的迅速发展，对环境的破坏也日益严重，热电材料由于其在环境保护方面的特殊功能，将成为我国新材料研究领域的下一个热点。

随着我国经济的高速发展，许多领域有待于用半导体制冷技术去进一步开拓。

1.4课题的主要研究内容及指标

本课题主要是对现有的温度控制器进行分析研究，确定系统的整体方案，通过对硬件电路的设计和软件的编写来实现系统的基本功能。

主要工作包括以下几部分内容：

（1）对半导体制冷器的工作原理进行分析，根据其工作原理确定系统的总体设计方案；

（2）设计并制作半导体温度控制仪的硬件电路，包括驱动电路、接口电路，键盘显示电路等；

（3）编写下位机和上位机的程序，实现上位机对下位机的控制以及数据通讯。

温控仪的主要技术指标：

（1）温控精度：

±0.2℃；

（2）温度稳定度：

±0.05℃；

（3）温控范围（工作面温度减环境温度）：

-30℃～+90℃。

第2章半导体温度控制仪系统总体方案

2.1热电材料概述

2.1.1热电效应的定义

从宏观上看热电效应是电能与热能之间的转换。

因此长久以来人们就极力探讨它可能的工业用途，热电偶用于测量温度及辐射能已经有近二个世纪历史。

材料的可逆热电效应包括Seebeck（赛贝克）效应，Peltier（珀尔帖）和Thomson（汤姆逊）效应[2]。

1823年，ThomasSeebeck首次发现在两种不同金属构成的回路中，如果两个接头处的温度不同，其周围就会出现磁场。

进一步实验之后，发现了回路中有一电动势存在，这种现象后来被称为Seebeck效应或温差电效应。

Seebeck效应的大小可通过Seebeck系数（温差电动势率）来表征，Seebeck系数定义为：

，

为电压降，

为温度差。

Seebeck效应是一种温差效应，当前已广泛应用于温控，温差发电等许多领域。

Peltier效应是指当直流通过两种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸放热现象；改变电流方向，吸放热也随之反向。

吸放热量可表示为：

，其中I为电流大小，

为Peltier系数。

Peltier效应是Seebeck效应的逆效应，而Peltier效应则可用于热电制冷，在冷却电子器件、医疗器材及高温超导等方面以及航天飞行器、潜艇等用空调设备等许多重要领域都有非常广阔的应用前景。

WilliamThomson采用能量守恒定律分析了热电现象并预测了第三种热电效应即Thomson效应。

它是指:

若电流流过有温度梯度的导体，则在导体和周围环境之间将进行能量交换。

Thomson效应可表示为：

。

其中I为电流强度，γ为Thomson系数，q为单位长度导体的吸热（放热）率，T为温差.。

Thomson效应是一种二级效应，实际应用价值不大。

2.1.2材料的热电效率

在1909年和1911年，Altenkirich先后建立了温差发电和热电制冷理论。

这一理论指出：

优良的热电材料应具有高的Seebeck系数、低的热导率以保留接点处的热能、高的电导率以减少焦耳热损失，这三参数由下式关联起来：

。

式中Z称为材料的热电优值系数（figureofmerit），其中α为Seebeck系数，σ为电导率，k为热导率。

因为不同的热电材料都有各自的适宜工作温度范围，习惯上，人们常用热电优值系数与温度之积ZT这一无量纲量来描述材料的热电性能（T是材料的平均温度）。

热电转换效率可以表示为：

，其中ηCarnot为卡诺效率，取决于材料两端的温差；ηMater为材料效率，取决于材料的ZT值，ZT值越大，材料效率ηMater也愈大。

可见在热电材料单元两端的温差一定的情况下，系统的热电转换效率主要取决于材料的热电性能。

可见一种好的热电材料必须具有大的Seebeck系数α，小的热导率k以及大的电导率σ。

2.2半导体制冷器工作原理

当直流电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。

半导体制冷是热电制冷的一种，即直流电通过由半导体材料制成的PN结回路时，在PN结的接触面上有热电能量转换的特性，又由于半导体材料是一种较好的热电能量转换材料，在国际上热电制冷器件普遍采用半导体材料制成，因此称为半导体制冷。

根据上一章的介绍，可以知道半导体的热电效应包括塞贝克效应、帕尔帖效应、汤姆逊效应等不同的效应，半导体制冷技术主要是帕尔帖效应在制冷技术方面的应用。

1834年法国科学家帕尔帖发现了热电致冷和致热现象－即温差电效应。

帕尔帖（peltire）效应就是电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。

由帕尔帖效应产生的热流量称作帕尔帖热。

对帕尔帖效应的物理解释是：

电荷载体在导体中运动形成电流。

由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。

能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出，称这种现象为帕尔帖效应。

这种吸收或放出的热量叫做帕尔帖热，其大小由式2-1决定，吸热或放热由电流的方向决定[7]。

（2-1）

其中

为帕尔帖系数，与温差电动势率有关，

，其中

、

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。

焦耳效应产生的热量

（2-2）

其中R为半导体制冷器的电阻。

从热端到冷端的传导热为

（2-3）

其中，K为半导体制冷器的导热率，T1、T2为半导体制冷器热端和冷端的温度。

所以帕尔帖元件吸收或放出的热量分别为

（2-4）

（2-5）

单片帕尔帖元件吸收或放出的热量是有限的，在实际应用中，通常是把许多帕尔帖元件级联起来，这样就制成了半导体制冷器。

图2-1为帕尔帖元件结构示意图。

当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。