温室自动控制系统设计方案

(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)

参赛题目：温室自动控制系统

队长：朱继田

队员：杨建成

陶文波

温室自动控制系统

摘要:（300字以内）

温度是一种环境参数，温度自动控制在工农业生产中具有非常重要的作用。半导体制冷器(TEC)是一种比较先进的制冷装置，因为其小型化、无噪声、无污染的特点，在各种温度控制领域得到了广泛的应用，因此研究半导体制冷器温度的测量方法和设计灵活精确的温度自动控制系统具有重要的意义。

文章介绍了一种温度自动控制系统，该系统采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，AT89C52低电压、高性能半导体制冷器等元件。单片机通过温度传感器获取当前温度，进而控制半导体制冷器工作。

一、方案设计和论证

本系统由四大部分组成：1、温度检测装置；2、控制系统；3、执行机构；

4、显示同步。在其中2部分控制系统中，由于ATMEL公司的AT89C52单片机具有高密度、非易失性、低电压、高性能等优点，且满足本系统和电子设计大赛的两方面要求，因此采用AT89C52作为微控制器，该部分方案设计将在文章第三、四部分详细介绍。以下主要针对温度检测系统及执行机构两方面的内容进行方案设计和论证。

模块1 温度检测装置方案设计

对于温度的自动控制系统而言，温度检测是整个系统设计的第一步。如何选择温度传感器是这块电路的关键，它是直接影响整个系统的性能与效果的关键因素之一。

方案：选用数字式温度传感器DS18B20

论证：

数字温度传感器DS18B20最大特点之一是采用了单总线的数据传输，直接输出数字信号。与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。因此便于单片机处理及控制，节省硬件电路。该系统可以由数字温度计DS18B20和

AT89C52单片机直接构成的温度测量装置。不仅如此，DS18B20最小分辨率为0.0625℃，满足该题温度分辨率为0.1℃的要求，因此温度传感器选用DS18B20。

模块2 执行机构

对于温度的自动控制系统而言，温度执行机构是整个系统设计最核心的一步。温度执行机构的构建直接影响整个控制模块的工作方式和效率。

方案一：可控硅调功器电路

论证

可控硅调控器电路是利用双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50Hz回路。在给定周期T内，AT89C52只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。显然可控硅在给定周期T的100%时间内接通时间的功率最大。显然，对功率的调节从而调节温度达不到制冷效果，即使是通过外加风扇来带走外部热量也达不到，故不用此方案。

体按照特殊的结构组成的一种制冷装置，其基本原理是珀耳贴效应。为了满足系统设计要求，缩短温度调节时间，需要对制冷器的安装进行论证。一般情况下，该制冷片的制热效果较好，这里不做讨论，主要论证制冷片的制冷效果。

方案1：两片级联方式制冷

为了获得更大的制冷功率，该方案采取两片级联的方式进行制冷，即将一片制冷片的冷端与另一片制冷片的热端粘贴在一起，组成一个功率更大的制冷片。安装时，将级联方式的冷端放置在密封盒内，将热端安装在密封盒外。

方案2：单片水冷方式制冷

为了使制冷器工作在最高效率的状态下，需要对其热端进行高效率散热。

该方案采用水冷方式对单片制冷片的热端进行冷却，从而达到降低制冷片冷热端温差的目的。查阅大量资料表明，降低制冷片冷热端的温差能够明显提高制冷片的工作效率，从而获得较高的制冷功率，缩短温度调节时间。

方案3：单片风冷方式制冷

为了加快制冷片的散热，外加风扇，通过风的流动带走制冷片中的热量，提高效率。安装时，风扇贴近安装在密封盒外的热端。

论证：

选用方案一将两片级联方式的制冷效果不明显，其原因可能有以下几方面：

1、系统热端散热较慢导致热量累计，影响制冷片正常工作，散热装置

需

要进一步优化。

2、级联方式功率不匹配，即两片制冷片的功率不能设计成完全一致，

其

中一片的制冷量不能完全吸收另一片的导出热量，导致热量累计，影响制冷片工作，改进方式：做大量试验，给制冷片提供不同工作电压，使其工作在正常工作状态。

3、系统冷端散热慢导致热量累计，影响制冷片正常工作，散热装置需

要

进一步优化。

方案二提到的水冷的确可以提高制冷的效率，但是水冷的外围循环系统将大大限制了使用环境，加大了系统的成本，而且结构复杂，不易操作。由于实验的条件限制，比较而言，方案三，外围设备简单，操作容易，可用范围广。因此，选择方案三。

二、系统总体设计

该温度自动控制系统由三大部分组成： 1、温度检测装置；2、控制系统；

3、执行机构。其系统框图如下：

其中，温度检测装置采用单总线DS18B20数字温度传感器；控制系统是系统工作时，单片机首先读取默认设置温度，该温度可以通过键盘进行修改；单片机读取DS18B20的数据检测木盒内温度，并将检测的温度与设置温度进行对比，通过模糊控制PID算法，从而控制制冷器的工作状态；在执行部分的驱动电路中需要采用 MOSFET管IRFP460A进行PWM驱动控制模块。为了能使半导体制冷器工作在制热和制冷两种状态，还需要在驱动电路采用继电器进行电流换向，并通过它进行电气隔离，继电器再接通制冷片进行温度调节。继电器用NPN 三极管SKT9013驱动。如果温度超出上下限值，系统将会报警，同时系统自动停机。系统的所有工作状态都通过1602液晶屏（LCD）显示。

三、主要单元电路原理及理论分析与计算

该系统硬件电路主要由四部分组成：1、传感器电路；2、单片机最小系统电路；3、驱动电路：4、报警电路。其中第一部分传感器电路只包含单总线DS18B20数字温度传感器，因此连接非常简单。第二部分单片机最小系统电路由单片机和电源、键盘、LCD显示等组成，这里不做详细介绍，下面的软件设计里面会有介绍。下面对驱动电路和报警电路进行分析，其原理图如下所示：

驱动电路由两个单片机管脚控制，分别是P3.5脚和P3.6脚。其中，P3.5经过NPN型三极管9013反向驱动后，控制MOSFET管IRFP460A的截止和导通；P3.5上的PWM脉冲控制MOSFET管，从而达到控制制冷片电流的目的。

P3.6经过NPN型三极管9013反向驱动后，驱动两个单刀双掷的继电器。两个继电器组成一个可控的双刀双掷开关，从而达到交换电流方向的目的。在该部分用一个双刀双掷的继电器比较好，由于实验室材料缺乏的原因，所以这里用两个单刀双掷的继电器代替。