2022年半导体制冷器的高精度温度控制系统 .pdf

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1、摘要随着信息时代的到来，传感器技术得到了快速发展， 其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高， 需求越来越迫切。 传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。 随着人们生活水平的提高， 智能化的液体加热制冷类家电越来越多地出现在人们的日常生活中，这些产品大多采用发热管或PTC热敏电阻进行加热，仅仅具有加热功能；而使用半导体制冷片可以具备加热和制冷双重功能，但缺陷是传统的半导体制冷片的方向控制大多使用继电器来完成，继电器属于机械式开关， 当频繁导通或关断时不仅会发出噪音，而且还会降低其使用寿命。 因此，有必要探索一种高效、静噪、安全的半导体制冷片控制方法。本设计将 H桥驱动电路引入

2、半导体制冷片进行控制，通过控制 H桥的通断方向来控制半导体制冷片的加热和制冷，从而实现控温。关键词：传感器； TEC；H 桥名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 18 页 - - - - - - - - - 1、系统方案设计本系 统 分 为 MCU ， 温 度 显示 ，温 度 控 制 ， 温度 采集 ， 本 系 统 采用STC12C5A16S2作为核心芯片， 使用 TEC1-12706 半导体制冷片作为核心加热制冷与案件，采用DS18B20 温度传感器采集温度，

3、通过上位机和单片机通讯，上位机可以显示实时温度值， 并且可以进行温度设置， 半导体制冷片控制部分采用H 桥驱动控制电路进行电压翻转， H 桥的导通和截止采用三极管开关电路进行控制，从而达到加热和制冷的自动控制目的。PC 机显示温度、温度控制设置温度RS232 PWM 2222222加热制冷温度采集图 1 系统结构1.1 微型控制单元MCU 采用宏晶 STC12系列单片机， 其工作电压为 5.5-3.5V，是高速 /低功耗/超强抗干扰的新一代8051 单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快 8-12倍， 本单片机晶振频率为22.184MHz， 本系统 PWM 的时钟源是 Fosc， 不用

4、 Timer，PWM 的频率为 Fosc/2，此单片机完全能够满足本系统的设计要求。1.2 TEC12706 半导体制冷片TEC(Themoelectric cooling modules)即半导体制冷器 ,它的工作原理是基于珀尔贴效应 (J.C.A.Peltier在 1834年发现 ),即当电流以不同方向通过双金属片所构成STC12C5A16S2DS18B20 TEC H 桥名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 18 页 - - - - - - - - - 的

5、结时能对与其接触的物体制冷或加热。两个电偶臂分别用P 型和 N 型半导体材料制成 ,然后上下分别用金属桥连接,由于电子在金属中的能量要低于在N 型半导体中的能量 ,故在 P型电偶臂和 N 型电偶臂两端加上电压后,电子从金属流到 N型半导体需吸收能量 ,而从 N 型半导体流到金属中需放出能量,这样 a 端是电子从金属流向 N 型半导体 ,故为吸热端 ,而 b端是电子从 N 型半导体流向金属故为放热端;反之,当在电偶臂两端加上反向电压时,此时 a 端则为放热端 ,而 b 端则为吸热端。由此可知 ,若将 a 端与某物体接触 ,通过改变回路中电压极性和电流的大小即可以实现对物体的制冷与加热。图 2 T

6、EC 结构1.3 DS18B20 数字温度传感器DS18B20 温度传感器是DALLAS 公司生产的 1Wire，即单总线器件，只需要一条口线通信，多点能力，简化了分布式温度传感应用，无需外部元件，可用数据总线供电，电压范围为 3.0 V至5.5 V，无需备用电源，测量温度范围为-55 C至+125 C，-10 C 至+85 C 范围内精度为 0.5 C 。温度传感器可编程的分辨率为 912位，温度转换为 12位数字格式最大值为 750毫秒，用户可定义的非易失性温度报警设置， 应用范围包括恒温控制， 工业系统， 消费电子产品温度计，或任何热敏感系统。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 -

7、 - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 18 页 - - - - - - - - - 2、硬件设计2.1 硬件功能划分上位机执行机构控制器通讯被控对象检测机构图 3 硬件功能划分2.2 温度采集本系统采用单片机P2.6 口作为 DS18B20 的数据输入端口图 4 DS18B20 的外部电源供电方式在外部电源供电方式下， DS18B20 工作电源由 VCC 引脚接入，此时 I/O 线PC机STC12单片机TEC 制冷片驱动电路检测电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - -

8、- - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 18 页 - - - - - - - - - 不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20 传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下， DS18B20 的 GND 引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是 85。根据 DS18B20 的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20 进行复位操作，复位成功后发送一条 ROM 指令，最后发送 RAM 指令，这样才能

9、对 DS18B20 进行预定的操作。复位要求主 CPU 将数据线下拉 500微秒，然后释放，当 DS18B20 收到信号后等待 1660微秒左右，后发出 60240微秒的存在低脉冲，主CPU 收到此信号表示复位成功。DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。2.3 驱动电路图 5 驱动电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 18 页 - - - - - - - - - H 桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机

10、等的驱动。永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电源供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样绕组电源需用H 桥驱动。本系统将H 桥驱动电路引入对半导体制冷片进行控制。H 桥采用一对IRF9540P型 MOSFET 管和一对 IRF540N 型 MOS 管。根据 MOS 管导通原理，对于 N 沟道 MOS 管，当栅 -源之间不加电压时，漏 -源之间只是两只背向的PN结，不存在导电沟道，因此即使漏-源之间加电压，也不会有漏极电流。当栅-源电压GSu大于开启电压)(thGSU，漏-源之间形成导电沟道，GSu愈大，导电沟道电阻愈小。当GSu是大于一个确定值时，若在漏-源之间

11、加正向电压，则将产生一定的 漏 级 电 流 。 与 N 沟 道 MOS 管 相对 应， P 沟道 MOS 管 的 开启 电压)(thGSU0,GSu)(thGSU时，管子才导通，漏 -源之间应加负电源电压。本设计使用 NPN三极管进行开关电路可行性 ：三极管有一个特性， 就是有饱和状态与截止状态，正是因为有了这两种状态，使其应用于开关电路成为可能。必要性：假设我们在设计一个系统电路中，有些电压、信号等等需要在系统运行过程中进行切断， 但是又不能通过机械式的方式切断，此时就只能通过软件方式处理，这就需要有三极管开关电路作为基础了。如下图就是一个最基本的三极管开关电路，NPN 的基极需连接一个基极

12、电阻R2、集电极上连接一个负载电阻R1 。首先我们要清楚当三极管的基极没有电流时候集电极也没有电流，三极管处于截止状态， 即断开；当基极有电流时候将会导致集电极流过更大的放大电流，即进入饱和状态， 相当于关闭。 当然基极要有一个符合要求的电压输入才能确保三极管进入截止区与饱和区。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 18 页 - - - - - - - - - 图 6 NPN开关电路本系统设计 P1.3 为 PWM 波输出端口， P1.1 为加热、制冷控制端口，

13、 P1.3接开关电路 PWM1，P1.1接开关电路 PWM2。P1.1为 0 时，驱动电路为加热状态，P1.1为 1 时，驱动电路为制冷状态。（1）当 P1.1为 0 时，三极管开关电路Q6 不导通，此时 H 桥右半边相当于电源电压，并且 Q2MOS 管 IRF9540 两端所加电压为0，Q2不导通， Q4MOS 管IRF540 两端所加电压为正， Q4 导通。1）当 P1.3输出为 PWM 波高电平时，三极管开关电路Q5 导通，H 桥左半边相当于接地，此时Q1MOS 管 IRF9540 两端所加电压为负， Q1 导通，Q3MOS管两端所加电压为0，Q3 不导通，此时电流方向经过Q1 和 Q4

14、，从左流至右，半导体制冷片处于加热状态；2）当 P1.3输出为 PWM 波低电平时，三极管开关电路Q5 截止，H 桥左半边相当于电源电压，此时Q1MOS 管 IRF9540 两端所加电压为0，Q1 不导通，Q3MOS 管两端所加电压为正， Q3 导通，由于没有对角的一对MOS 管导通，所以 H 桥不导通，半导体制冷片处于不加热状态；（2）当 P1.1为 1 时，三极管开关电路Q6 导通，此时 H 桥右半边相当于接地，并且 Q2MOS 管 IRF9540 两端所加电压为负， Q2 导通， Q4MOS 管 IRF540名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - -

15、 - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 18 页 - - - - - - - - - 两端所加电压为 0，Q4 不导通。1）当 P1.3输出为 PWM 波高电平时，三极管开关电路Q5 导通， H 桥左半边相当于接地，此时Q1MOS 管 IRF9540 两端所加电压为负， Q1 导通，Q3MOS管两端所加电压为0，Q3 不导通，由于没有对角的一对MOS 管导通，所以H桥不导通，半导体制冷片处于制冷状态；2）当 P1.3 输出为 PWM 波低电平时，三极管开关电路Q5 截止， H 桥左半边相当于电源电压，此时Q1MOS 管 IRF9540 两端所

16、加电压为0，Q1 不导通，Q3MOS 管两端所加电压为正， Q3 导通，此时电流方向经过Q2 和 Q3，从右流至左，半导体制冷片处于制冷状态；通过调整 PWM 波的占空比，可以得到想要得加热和制冷效果。本设计驱动电路的电源采用外加电源， 根据 MOS 管的导通原理， 三极管的电源和 H 桥的电源需一致。2.4 串口通讯MAX232通过内部电压倍增及电压反相电路，把TTL 电平与RS232电平互换，实现单片机与PC机的串口通信。图 7 串口通讯电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - -

17、 - 第 8 页，共 18 页 - - - - - - - - - 2.5 系统原理图及元件清单图 8 原理图元件名称规格型号数量电阻5K 2 10K 2 P沟道 MOSFET IRF9540 2 N沟道 MOSFET IRF540 2 NPN 三极管C8050 2 半导体制冷片TEC1-12706 1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 18 页 - - - - - - - - - 温度传感器DS18B20 1 散热片1 电源+5、+12V 表 1 元件清单

18、3、软件设计3.1 软件功能模块软件设计中一个重要的思想就是采用模块化设计，把一个大的任务分解成若干个小任务， 分别编制实现这些小任务的子程序，然后将子程序按照总体要求组装起来，就可以实现这个大任务了。 这种思路对于可重复使用的子程序显得尤为优越，因为不仅程序结构清晰，而节约程序存储空间。根据系统设计要求，软件设计采用了结构程序模块化设计。半导体温度控制仪的软件系统包括下位机程序和上位机程序两部分。下位机程序又包括主程序、 温度采集模块、 PWM 控制模块、串口通讯模块、 等几个模块。上位机程序主要是通过串口口实现对系统温度的控制，并且可以接收下位机的数据并实时显示温度曲线。图 9 软件功能划

19、分人机界面核心算法PWM 模块中断被控对象温度采集模块名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 18 页 - - - - - - - - - 3.2 主程序流程图 10 主程序流程3.2 温度采集模块温度采集模块是利用DS18B20 和单片机进行串行总线通信的方式实现的。 DS18B20 是数字传感器，因此不需要A/D 转换，省去许多硬件电路。但是由于硬件的减少，DS18B20 对软件要求就提高不开机初始化显示初始温度PWM 控制绘制温度曲线用户设置温度采集温度达

20、到设置温度保持恒温名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 18 页 - - - - - - - - - 少。它有着严格的时序要求，否则传感器将不工作。读取温度流程如下：图 11 温度采集流程数据端置位复位 DS18B20 写跳过 ROM 匹配命令 0 xCCH DS18B20 是否存在写温度转换命令0 x44H 延时 750us ? 复位 DS18B20 写读温度字节命令0BEH 写跳过 ROM 匹配命令 0CCH 读温度读温度值返回是否是否开始名师资料总结 -

21、 - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 18 页 - - - - - - - - - 3.3 PWM 控制模块本设计 PWM 输出采用 STC12C5A16S2自带 PWM 产生模块，设置为 8 位无中断 PWM 输出，产生 PWM 经 P1.3端口输出截止驱动电路的 PWM1 端。PWM 控制流程如下：图 12 PWM 控制流程3.4 核心控制算法本设计采用 bang-bang 控制， 这种控制方式在某些方面具有比常规PID 控制较为优越的性能，尤其是对于给定值的提降及大幅度

22、的扰动作用，效果更显著。在动态质量上不仅体现为过渡时间短这一特点，而且在超调量等其他指标上也具有一定的改善。本文设计将设定温度划分若干小区间，对于不同的设定温度区间，MCU 控制单元输出不同占空比的PWM 波。当设定温度确定在某温度区间后，初始的PWM波占空比也随之确定，当温差大于3C时，系统采用初始的占空比来控制半导体制冷片；当温差小于3C大于 0.5 C时，MCU 单元减少占空比，系统采用此时的占空比来控制半导体制冷片，此时对半导体制冷片的控制作用减弱；当温差开始计算所需占空比PCA 时钟设定启动 PCA 时钟返回名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - -

23、 - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 18 页 - - - - - - - - - 小于 0.5 C时，此时 MCU 输出的 PWM 波占空比为 0，停止对半导体制冷片的控制，但此时因为惯性，温度还会小幅度上升，正好达到设定的目标温度；由于MCU停止对半导体制冷片的控制，此时制冷片温度会回落，当回落至温差大于0.5 C时，系统又用小占空比PWM 波对制冷片控制，温差小于0.5 C时，再次停止控制；此后，系统温度就以小震荡稳定在设置的目标温度。开始根据设置温度，确定初始占空比MCU 输出 PWM，进行控温温差小于3 C 减少占空比MCU

24、 停止控制Y N 循环检测温差大于 0.5C 结束MCU 输出小占空比 PWM，进行控温温差小于 0.5C 减少占空比Y Y N N 图 13 核心控制流程名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 18 页 - - - - - - - - - 4、调试4.1人机界面机界面部分采用 VB6.0 编写。 使用 VB 6.0 的串口控件进行PC 与单片机的串行通信。 人机界面可显示当前温度、 设定温度以及设定温度和当前温度的曲线等。图 14 人机界面4.2 测试整个测试

25、过程就是随机选取若干个测试设定值，观察在各个设定值的情况下系统控制性能。如上图所示，当设置温度为35时，控制精度可以达到1C之内。实时温度和设定温度曲线按下按钮，设定新的温度值手动输入需要设置的温度值采样值实时显示设定值与实时值得偏差名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 18 页 - - - - - - - - - 当设置温度为 40C 时，由温度曲线可以看出，基本可以达到要求效果。当设置温度为50C 时，由温度曲线可以看出，实时温度虽然有小幅度震荡，但可达到

26、要求效果。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 18 页 - - - - - - - - - 当设置温度为 25C 时，此时低于室温， 由温度曲线可以看出， 此时制冷效果基本满足要求。当设置温度为更低时，此时由于外界室温影响，电源功率的不足，以及热面的散热不足，达不到所要求的制冷效果。5、总结通过本次实验使我基本了解了温度控制系统的基本工作原理和组成，此次在对半导体制冷器设计实验中做了下列工作：(1) 通过对半导体制冷片的分析， 根据其工作原理确定系统的总体设

27、计方案；(2) 完成了对半导体制冷片模拟电路的设计，包括驱动电路和开关电路；(3) 完成了对半导体制冷片单片机的程序编写，使用单片机对整个系统的工作运行进行控制；(4) 编写了上位机软件，实现了上位机对温控的控制及显示。结论：尽管本文设计基本满足系统的要求，但是在实际环境的影响，例如，在制冷过程中，由于制冷片的散热不足， 导致热面的温度传递至制冷面， 影响制冷效果。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 18 页 - - - - - - - - - 以后的改进之处就是改善散热方式，例如改为水冷可以达到更低的温度，其他目标均可实现。由于本人水平有限， 实际经验缺乏， 文中设计可能存在一些不足及疏忽之处，再次感谢同学们的帮助及老师热心的指导。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 18 页 - - - - - - - - -