基于单片机的电冷器控制系统的设计_精品文档.doc
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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。
这次设计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,而且还为半导体制冷器量身定做了驱动电路,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
Abstract
Automaticcontrolinstrumentandmeterplantisthedevelopmenttrendofhighperformance,digital,integrated,intelligentandnetworked.Thispaperstudiesthetemperaturecontrolinstrumentisusedinthesemiconductorrefrigeration.SemiconductorrefrigerationistheuseofParrwiththeeffectoftemperaturecontrol.Thedesignofthefirstsemiconductorrefrigerator(TEC)accordingtothephysicalcharacteristicsofthesemiconductorrefrigerationtechnologykey,givestheoveralldesignofthesystem,butalsoforthesemiconductorrefrigeratortailoredtothedrivecircuit,canbeconvenientlyadjustedbyTECsizeanddirectionofcurrent;theuseofproportionalintegral(PI)controlmethodenablesfastandstabletemperaturecontrol;atthesametime,temperaturecontrolinstrumentwithPCthroughtheUSBportcommunications,implementationofthehostcomputertothetemperaturecontrolinstrumentremotecontrol.
Keywords:
Temperaturecontrol,TheParrposteffect,Semiconductorrefrigerator.
目录
第1章绪论 1
1.1概述 1
1.2本课题的目的与意义 1
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 3
1.4课题的主要研究内容及技术参数 3
第2章半导体温度控制仪系统总体方案 5
2.1系统的性能要求及特点 5
2.1.1功能要求 5
2.1.2系统特点 5
2.2系统总体方案 5
2.2.1系统方案的论证 5
2.2.2温度传感器的选择 6
2.2.3温度控制器的选择 6
第3章半导体温度控制仪单元电路的设计 8
3.1热电材料概述 8
3.1.1热电效应的定义 8
3.1.2材料的热电效率 8
3.1.3半导体制冷器的工作原理 9
3.2温度传感器DS18B20与单片机STC89C52 10
3.2.1温度传感器DS18B20的介绍 10
3.2.2单片机STC89C52的介绍 11
3.2.3DS18B20与STC89C52的连接 13
3.38255与程序存储器24C08 14
3.3.18255的介绍 14
3.3.2程序存储器24C08的介绍 15
3.3.3STC89C52与8255的连接 16
3.4键盘显示 16
3.4.1达林顿驱动电路ULN2803的介绍 16
3.4.2键盘接口 17
3.4.3显示器接口 18
3.4.48路三态同相缓冲器74HC244的介绍 20
3.4.58255与键盘显示电路的连接 21
3.5晶振、复位、报警 22
3.5.1复位 22
3.5.2报警 22
3.5.3晶振 23
3.5.4STC89C52与晶振、复位、报警电路的连接 23
3.6D/A8571 24
3.6.1D/A8571的介绍 24
3.6.2STC89C52与D/A8571的连接 24
3.7差分放大电路 25
3.8比例积分控制 26
3.9驱动电路的连接 26
3.10电源电路 27
3.10.1三端稳压器 27
3.10.25V和±12V的电源电路 29
第4章总体硬件电路的设计 30
第5章半导体温度控制仪软件设计 32
5.1主程序 32
5.1.1主程序流程框图 32
5.1.2主程序 33
5.2键盘显示子程序 34
5.2.1键盘显示扫描子程序的框图 34
5.2.2键盘显示扫描子程序 35
5.3DS18B20与单片机接口子程序 36
5.4复位程序 37
第6章全文总结 38
致谢 39
参考文献 40
附录...............................................................................41
IV
兰州工业高等专科学校毕业设计论文
第1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。
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
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