半導(dǎo)體制冷片溫度控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</b></p><p>　　題 目：半導(dǎo)體制冷片溫度控制 </p><p>　　院 （系）：xxxxxxxxxxx學(xué)院xxxxx </p><p>　　專(zhuān) 業(yè)： xxxxxxxxxxxx </p><p>　　學(xué)生姓名： XXXX

2、 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： xxxxxxxxxxxx </p><p>　　指導(dǎo)教師： xxxxxxxxxxxxxxx </p><p>　　2012 年 3 月 10 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　溫度是工

3、業(yè)中非常關(guān)鍵的一項(xiàng)物理量，在農(nóng)業(yè)，現(xiàn)代科學(xué)研究和各種高新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研究中也是一個(gè)非常普遍和常用的測(cè)量參數(shù)。溫度控制的原理主要是：將隨溫度變化而變化的物理參數(shù)，通過(guò)溫度傳感器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，傳給計(jì)算機(jī)，與給定溫度相減后得到偏差，經(jīng)過(guò)控制器后輸出給控制對(duì)象達(dá)到控溫的目的。</p><p>　　半導(dǎo)體制冷片是利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)，當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí),在電偶的兩端即可分別吸收熱量和

4、放出熱量,可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的。制冷速度與通過(guò)的電流大小成正比。</p><p>　　本設(shè)計(jì)針對(duì)用半導(dǎo)體對(duì)水箱的制冷模型設(shè)計(jì)了相應(yīng)模糊PI控制器對(duì)水箱進(jìn)行計(jì)算機(jī)恒溫控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 半導(dǎo)體制冷 ；STC12C5A08S2；模糊PI；PWM； 引言1</p><p>　　1 課程設(shè)計(jì)概述1</p><p>　　1.1

5、課程設(shè)計(jì)題目1</p><p>　　1.2 主要儀器設(shè)備1</p><p><b>　　2 硬件設(shè)計(jì)1</b></p><p>　　2.1 單片機(jī)部分1</p><p>　　2.2 串行接口部分2</p><p>　　2.3驅(qū)動(dòng)電路部分2</p><p>&l

6、t;b>　　3 軟件設(shè)計(jì)3</b></p><p>　　3.1 流程圖設(shè)計(jì)3</p><p>　　3.1.1 溫度控制主程序流程圖3</p><p>　　3.2 控制算法設(shè)計(jì)4</p><p>　　3.2.1 控制對(duì)象模型4</p><p>　　3.2.2 PI控制器設(shè)計(jì)5</p&g

7、t;<p>　　3.2.3 控制器的設(shè)計(jì)5</p><p><b>　　4 系統(tǒng)調(diào)試5</b></p><p>　　4.1 單片機(jī)程序仿真5</p><p>　　4.2 STC12C5A08S2單片機(jī)系統(tǒng)電路調(diào)試6</p><p>　　4.3 驅(qū)動(dòng)電路調(diào)試7</p><p&g

8、t;　　4.4 系統(tǒng)調(diào)試7</p><p>　　5總結(jié)與改進(jìn)展望7</p><p><b>　　6 謝辭8</b></p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　溫度作為一項(xiàng)熱工參數(shù),在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和過(guò)程控制中具有至關(guān)重要的作用。半導(dǎo)體制冷相對(duì)于傳統(tǒng)制冷方式，有著體積小，

9、重量輕，無(wú)制冷劑而不污染環(huán)境，作用速度快，使用壽命長(zhǎng)，且易于控制。本文介紹了使用DS18B20作為溫度傳感器的PWM半導(dǎo)體制冷控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　1 課程設(shè)計(jì)概述</b></p><p>　　1.1 課程設(shè)計(jì)題目</p><p>　　設(shè)計(jì)半導(dǎo)體制冷片的線性驅(qū)動(dòng)電路和熱敏元件的測(cè)溫電路，再設(shè)計(jì)PI控制器來(lái)調(diào)節(jié)制冷電壓，實(shí)現(xiàn)溫

10、度控制，控制范圍15~25度，控制精度±0.5度，通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行溫度設(shè)置，實(shí)際溫度可以實(shí)時(shí)顯示。</p><p>　　*附加要求：通過(guò)RS232或RS485接口與PC機(jī)通信，在PC機(jī)上進(jìn)行參數(shù)顯示和設(shè)置。</p><p>　　1.2 主要儀器設(shè)備</p><p>　　半導(dǎo)體制冷片（連水箱） 1臺(tái)</p><p>　　

11、示波器 1臺(tái)</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源 1臺(tái)</p><p>　　數(shù)字萬(wàn)用表 1塊</p><p>　　PC機(jī) 1臺(tái)</p><p><b>　　2 硬件設(shè)計(jì)</b>&l

12、t;/p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)STC12C5A08S2為核心部件。在08S2最小系統(tǒng)外圍添加了按鍵，顯示，與PC機(jī)的通信接口，以及光電耦合PC817和MOS管IRF9540構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　2.1 單片機(jī)部分 </p><p>　　本設(shè)計(jì)選擇的單片機(jī)芯片是STC12C5A08S2，其原理圖如2-1所示。該芯片的P0.0-P0.3用作鍵盤(pán)數(shù)字

13、量輸入，加入了上拉電阻按鍵未按下時(shí)始終處于高電平狀態(tài)，讀按鍵值前先給P0口賦值為0；</p><p>　　P1.0作為DS18B20的數(shù)據(jù)輸入端口；</p><p>　　P2.0-P2.7作LCD1602的數(shù)據(jù)輸出端口；</p><p>　　P4.4-P4.6作LCD1602的控制信號(hào)；</p><p>　　P1.3作為光耦合的控制信號(hào)；&l

14、t;/p><p>　　P3.0和P3.1是STC12C5A08S2的串口，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位程序下載。</p><p>　　圖 2-1 STC12C5A08S2最小系統(tǒng)原理圖</p><p>　　2.2 串行接口部分</p><p>　　MAX232通過(guò)內(nèi)部電壓倍增及電壓反向電路，把TTL電平與RS232電平互換，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的串口通信。<

15、/p><p>　　圖 2-2 MAX232及串行接口原理圖</p><p><b>　　2.3驅(qū)動(dòng)電路部分</b></p><p>　　JPWM為P1.3口的PWM信號(hào)輸入，作為光耦PC817的觸發(fā)導(dǎo)通信號(hào)，從而產(chǎn)生MOS管IRP9540導(dǎo)通的觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)右端負(fù)載的控制。如圖2-3所示，本電路中還加入了撥動(dòng)開(kāi)關(guān)可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。</

16、p><p>　　圖 2-3 驅(qū)動(dòng)部分原理圖</p><p><b>　　3 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1 流程圖設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1.1 溫度控制主程序流程圖</p><p>　　溫度控制主程序流程圖設(shè)計(jì)如圖 3-1所示。</p

17、><p>　　STC12C5A08S2中的主程序需要完成下幾個(gè)工作:</p><p>　　調(diào)用子函數(shù)對(duì)系統(tǒng)初始化,其中包括對(duì)自身的定時(shí)器T0,T1,I/O口,PWM口（P1.3），串口的初始化，以及對(duì)外部器件DS18B20和LCD1602的初始化；延時(shí)2S鐘顯示歡迎屏幕，等整個(gè)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定后讀取開(kāi)機(jī)時(shí)的溫度；</p><p>　　調(diào)用子函數(shù)讀取當(dāng)前溫度值</p&g

18、t;<p>　　調(diào)用子函數(shù)把當(dāng)前讀取的溫度以及設(shè)定值通過(guò)串口送入PC機(jī)顯示；</p><p>　　調(diào)用子函數(shù)判斷PC機(jī)是否有新的數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)；</p><p>　　調(diào)用子函數(shù)，把設(shè)定值與當(dāng)前值相比較，對(duì)輸出PWM進(jìn)行控制；</p><p>　　調(diào)用子函數(shù)刷新當(dāng)前頁(yè)面；</p><p>　　調(diào)用子函數(shù)進(jìn)行按鍵判斷，依據(jù)按鍵值調(diào)

19、用不同的子函數(shù)進(jìn)行翻頁(yè)或者設(shè)置；</p><p>　　圖 3-1溫度控制主程序流程圖</p><p>　　3.2 控制算法設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 控制對(duì)象模型</p><p>　　制冷片的水箱模型可近似地認(rèn)為成一階慣性環(huán)節(jié)，從而測(cè)量系統(tǒng)階躍響應(yīng)可模擬出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，G(s)=1/（T*s+1），其中T等于階躍響應(yīng)中調(diào)節(jié)時(shí)間Ts

20、的四分之一。給電流I=0.5A時(shí)階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)記錄如下，其中t=0時(shí)，溫度約為27℃；t=100時(shí)，溫度約為24℃。取終值11KΩ的98%，Ts約為54min=3240s，則G(s)=1/（810*s+1）。</p><p>　　1.由此看出，制冷系統(tǒng)是大慣性系統(tǒng)，制冷需要一段時(shí)間之后溫度才開(kāi)始下降；</p><p>　　2.至停止制冷后，溫度還會(huì)有小幅度的下降，而設(shè)定溫度越低，下降的幅度越

21、??；</p><p>　　3.由于與外界的熱交換，溫度越低時(shí)，水箱的自然升溫速度越快。</p><p>　　圖 3-2 對(duì)象階躍響應(yīng)擬合曲線</p><p>　　3.2.2 PI控制器設(shè)計(jì)</p><p>　　PI調(diào)節(jié)器的微分方程為：y(t)=Kp[e(t)+1/Ti*∫e(t)dt]。控制器有兩種算法，位置型和增量型。位置型算法時(shí)，計(jì)算每次

22、實(shí)際值與設(shè)定值的偏差為e0，上次的偏差為e1，則控制量u=kp*e0+ki*（e0+e1）。增量型算法時(shí)，u+=e0*ki+(e1-e0)*kp。本次系統(tǒng)中選用的是位置型算法。</p><p>　　3.2.3 控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)制冷片的滯后特點(diǎn)，為了使制冷片能迅速達(dá)到設(shè)定的溫度，應(yīng)該在離設(shè)定溫度較遠(yuǎn)時(shí)給負(fù)載加上最大功率；又為了防止制冷片的大慣性的特性使系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的超調(diào)

23、，需要提前在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行PI控制以達(dá)到最佳效果；而最后階段，需要預(yù)先判斷系統(tǒng)的停止工作點(diǎn)，讓制冷片的溫度擴(kuò)散的整個(gè)水箱，此時(shí)停止制冷。</p><p>　　若設(shè)定溫度大于當(dāng)前溫度時(shí)，系統(tǒng)也將停止制冷，等溫度慢慢回升。</p><p>　　現(xiàn)設(shè)定開(kāi)始進(jìn)入PI控制的溫度上限為設(shè)定值T+1℃，而停止制冷的溫度，根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)建立的數(shù)據(jù)庫(kù)如下：</p><p><b

24、>　　4 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>　　4.1 單片機(jī)程序仿真</p><p>　　由于PROTEUS中沒(méi)有我們選用的STC12C5A08S2型號(hào)的單片機(jī)，因此使用AT89S2的單片機(jī)代替。仿真電路如下圖所示，仿真時(shí)除初始化時(shí)當(dāng)前溫度顯示為85℃以外，一切工作正常。</p><p>　　圖 4-1 系統(tǒng)控制電路仿真電路圖</p>

25、;<p>　　4.2 STC12C5A08S2單片機(jī)系統(tǒng)電路調(diào)試</p><p>　　STC12C5A08S2最小系統(tǒng)包括晶振和復(fù)位電路，按鍵電路，LCD顯示，以及通信下載接口。</p><p>　　由于以前沒(méi)有使用過(guò)這個(gè)型號(hào)的單片機(jī)，也沒(méi)有做過(guò)串口下載器，所以先把串口接口芯片MAX232及其外部電容和單片機(jī)的晶振電路接在面包板上，通過(guò)串口與單片機(jī)連接調(diào)試下載功能，由于一開(kāi)始

26、電源和地之間沒(méi)有接電容，因此系統(tǒng)不是很穩(wěn)定，有時(shí)可以下載，有時(shí)不可以，接入電容之后系統(tǒng)比較穩(wěn)定了。</p><p>　　依據(jù)插在面包板的電路圖畫(huà)原理圖以及PCB，板子做出來(lái)之后，用萬(wàn)用表測(cè)試各點(diǎn)的連接特性，正常。上電，電源指示燈偏暗，把10K的限流電阻換為1K的之后指示燈工作正常。</p><p>　　由于STC12C5A08S2單片機(jī)運(yùn)算速度比89S52快，因此程序中延時(shí)子函數(shù)一律乘以1

27、2。修改管腳使其適應(yīng)實(shí)際的電路板，重新編譯后下載程序。液晶沒(méi)有顯示，調(diào)節(jié)液晶顯示偏壓信號(hào)端的電壓，使其接近地，液晶顯示正常。接上DS18B20,溫度顯示正常。用按鍵進(jìn)行翻頁(yè)及設(shè)置，按鍵功能正常。據(jù)此，單片機(jī)系統(tǒng)板及程序完全工作正常。</p><p>　　4.3 驅(qū)動(dòng)電路調(diào)試</p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路板做好后進(jìn)行測(cè)試。用外用表測(cè)量，各點(diǎn)連接特性正常。分別把PWM輸入端接地和接VCC，用示

28、波器觀察負(fù)載輸出電壓，輸出電壓對(duì)應(yīng)為零和為12伏，工作正常，接入PWM信號(hào)后，輸出變?yōu)榱悖徽！?lt;/p><p>　　用示波器觀察MOS管G極電壓，發(fā)現(xiàn)為鋸齒波，上升部分傾斜，下降部分豎直。分析原因?yàn)镸OS管的S極與電源之間的電阻太大，使通過(guò)MOS管的電流太小，MOS管的電容特性使其在一定充電時(shí)間內(nèi)電壓不能達(dá)到導(dǎo)通，因此輸出恒為零。把電阻調(diào)小，鋸齒波頂部逐漸變平，電阻繼續(xù)調(diào)小，輸出的最低電壓開(kāi)始升高不為零。此時(shí)

29、繼續(xù)調(diào)節(jié)電阻已沒(méi)有意義，在程序中把PWM輸出的波形頻率降低，降到最低14HZ。此時(shí)G極波形已為方波，繼續(xù)減小電阻，直到G極輸出的最低電壓恰好為零，使其能通過(guò)更高頻率的信號(hào)。最后稍微增大該電阻，使其電壓被允許在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。</p><p>　　測(cè)量連接負(fù)載的D極，D極波形為與輸入的PWM反向的方波，驅(qū)動(dòng)電路工作正常。</p><p><b>　　4.4 系統(tǒng)調(diào)試</b&g

30、t;</p><p>　　各個(gè)部分的調(diào)試完成以后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，從室溫約27.5℃開(kāi)始，設(shè)置水箱的溫度分別為26℃，23℃，20℃。</p><p>　　具體記錄的數(shù)據(jù)如下所示。</p><p><b>　　表 6-5-1</b></p><p>　　加入算法后，超調(diào)量被控制在1%以下，溫度下降速度較快，較穩(wěn)定。&

31、lt;/p><p><b>　　總結(jié)與改進(jìn)展望</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)中，我完成了包括資料收集，系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真，程序編寫(xiě)，電路圖與PCB板的繪制腐蝕焊接及調(diào)試的全過(guò)程，整個(gè)系統(tǒng)完成測(cè)試后，性能穩(wěn)定，基本達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。</p><p>　　水箱溫度在29~10攝氏度范圍內(nèi)可控（設(shè)置值不大于當(dāng)前室溫），LCD液晶溫度顯示穩(wěn)定，與之前購(gòu)

32、買(mǎi)的溫度計(jì)有大約恒定1℃的溫差。傳送到PC機(jī)的數(shù)據(jù)顯示正常，可以從PC機(jī)接收數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。</p><p>　　溫度控制算法的設(shè)計(jì)，在原模糊分段控制的基礎(chǔ)上，加上了PI控制，雖然最后由于時(shí)間關(guān)系，參數(shù)中只使用了P，但是可以證明，加入了PI控制的模糊算法比單純的模糊分段控制取得了更好的效果。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，也存在著可以改進(jìn)的地方。例如程序中有部分程序段是幾乎重復(fù)

33、使用的，但在各種情況下，只使用了switch函數(shù)分情況討論，沒(méi)有總結(jié)出特定的函數(shù)對(duì)所有的情況進(jìn)行處理，這導(dǎo)致了程序過(guò)長(zhǎng)，應(yīng)該還有可以壓縮的空間。還有對(duì)于參數(shù)的調(diào)整，只使用了P，沒(méi)有用到I，而且對(duì)于停止控制的位置，也還應(yīng)該重新配合。這都是需要作出調(diào)整的，而且DS18B20檢測(cè)溫度只能精確到0.0625℃，若要再進(jìn)一步提升各種指標(biāo)的話，最好換一個(gè)精度更高的溫度檢測(cè)手段。</p><p><b>　　6 謝

34、辭</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)能夠完成得到了許多幫助，首先感謝xx老師，xx老師以及龍超老師的悉心指導(dǎo)，為我們提供了設(shè)計(jì)的思路，為我們指出了設(shè)計(jì)的各種不足指出，并一次次為我們解決了調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。正是有了他們的指導(dǎo)，我的設(shè)計(jì)才得以順利完成。</p><p>　　感謝一同進(jìn)行設(shè)計(jì)的同學(xué)們，是他們?cè)谖覍?duì)著板子一籌莫展地時(shí)候給我指出了可能的錯(cuò)誤，在調(diào)試過(guò)程中給予我

35、各種意見(jiàn)，并且測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)給予我各種幫助，沒(méi)有他們的幫助，我的設(shè)計(jì)不能得以完善。  </p><p>　　感謝一直教導(dǎo)我的任課老師，是任課老師的諄諄教導(dǎo)，使得我們可以學(xué)以致用，完成本次設(shè)計(jì)一定是基于扎實(shí)的理論課基礎(chǔ)的。</p><p>　　最后感謝在本次設(shè)計(jì)中所有幫助過(guò)我的老師同學(xué)們。參考文獻(xiàn)</p><p>　　[1] 胡壽松. 自動(dòng)控制原理[

36、M] . 北京:科學(xué)出版社,2007.</p><p>　　[2] 華成英,童詩(shī)白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M] . 北京:高等教育出版社,2006.</p><p>　　[3] 王再英，劉淮霞，陳毅靜. 過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表[M] . 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.</p><p>　　[4] 馬淑華，王鳳文，張美金.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M] . 北京：郵電大

37、學(xué)出版社，2007.</p><p>　　[5] 潘新民，王燕芳. 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)用教程[M] . 北京:電子工業(yè)出版社,2006.</p><p>　　[6] 譚浩強(qiáng). C程序設(shè)計(jì)[M] . 北京:清華大學(xué)出版社,2005.</p><p><b>　　附 錄</b></p><p><b>　　

38、主要電路PCB：</b></p><p>　　STC89C5A08S2最小系統(tǒng)</p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　STC12C5A08S2程序</p><p>　　/********************************************************