半导体制冷片温度控制-课程设计报告
《半导体制冷温度控制系统》
本科生实习报告实习类型综合实习（专业电子实践）题目半导体制冷温度控制系统学院名称信息科学与技术学院专业名称信息工程（电子方向）学生姓名学生学号************/************指导教师实习地点5721实习成绩二〇一五年九月二〇一五年九月目录一、系统设计框图 (2)二、系统设计方案 (2)2.1 、方案选择 (2)2.1.1、半导体制冷芯片的选择 (2)2.1.2、温度传感器的选择 (3)2.1.3、单片机的选择 (3)2.2、系统框图 (3)三、系统原理图及工作原理 (4)3.1、系统原理图 (4)3.2、系统工作原理 (4)四、系统设计步骤 (5)4.1、电路设计 (5)4.1.1、TLC5615转换器接口电路 (5)4.1.2、半导体制冷片驱动电路 (5)4.1.3、显示和键盘电路 (6)4.2、PCB设计 (7)4.2.1、顶层设计 (7)4.2.2、底层设计 (7)五、系统程序设计 (8)5.1、单片机程序设计框图 (8)5.2、温度采集程序 (8)5.3、温度设定及显示 (9)5.4、温度显示 (10)5.5、PID控制及D/A转换程序 (14)半导体制冷温度控制系统摘要：本文设计的温控系统包括单片机系统，温度测量系统，温度的输入和显示，以及半导体制冷器的功率驱动这几个部分。
温度测量系统指的是通过温度传感器读取目标系统的当前温度，这里采用的是数字式的温度传感器，易于单片机读取测量值。
单片机是整个温控的中央处理器，温度控制算法是在单片机中进行的。
将测量到的当前温度值输入到单片机，再通过比例积分微分控制算法的运算，就可以得到要输出的控制量。
单片机计算出的控制量要通过半导体制冷器的功率驱动电路才能驱动半导体制冷器工作。
首先要将控制量经过数模转换成模拟的电压量，然后通过半导体制冷器的驱动电路，将可变的电压量转换成可变的电流量驱动半导体制冷器的正常工作，完成温度控制的目的。
温度的输入模块是为了能够方便的调节目标温度，显示模块则是为了能够实时地显示目标系统的当前温度。
基于半导体制冷片的温度采集控制系统的设计
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕｒ ｅ ａ ｃ ｑｕ ｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｓ ｅ ｍｉ ｃ ｏ ｎｄｕ ｃ ｔ ｏ ｒ ｃ ｈｉ ｌ ｌ ｉ ｎｇ ｐｌ ａ ｔ ｅ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｈ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｏ ｆ ｓ ｅ ｍｉ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｏ ｒ ｃ ｈ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ，ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｃ ｑ ｕ ｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ
ａ ｃ ｑ ｕ ｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ ｓ ｅ ｍｉ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｏ ｒ ｄ ｉ ｒ ｖ ｅ ｒ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ．Ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｃ ｑ ｕ ｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ｉ ｓ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ Ｐ Ｔ Ｉ Ｏ ０ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ａ ｎ ｄ Ａ／ Ｄ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ．Ｉ Ｒ２ １ １ ０ ａ ｎ ｄ Ｉ ＲＦ Ｚ ４ ４ Ｎ ｃ ｏ ｍｐ ｉｓ ｒ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｍｉ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｏ ｒ ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ；
基 于半 导体 制冷 片 的 温 度 采集 控 制 系统 的设计
李会冬 ，张建 民，王浩 州
基于Codex—MO的半导体制冷温度控制系统设计
的 闭 环 控 制 ． 实 现 测 试 腔温度 快速 、 稳 定 地 变 化 。 恒 温 系 统 部 分 软 件 流 程
图 如 图 ３所 示 。
４ ２ 自 整 定 Ｐｌ ． Ｄ
算 法
Ｐ Ｄ 控 制 器 是 ｌ
３２温 度 检 测 模 块 ＿
本 设 计 采 用 Ｄ １ Ｂ ０作 为 温 度 检 测 元 件 。 Ｄ Ｉ Ｂ ０ Ｓ８ ２ Ｓ ８ ２ 是由Ｄ ＬＡ Ａ Ｌ Ｓ公 司 生 产 的 一 款 温 度 传 感 器 芯 片 ，体 积 小 、ＲＭ 公 司于 ２ Ｏ ０ｌ 初 推 出 了 Ｃｏ ｅ — ９年 ｄ ｘ Ｍ０内 核 处 理 器 。
度 设 定 值 ．对 半 导 体 制 冷 器 和 加 热 器 进 行 输 出控 制 ，调 节 测 试 腔 内温 度 。 在 温 度 调 整 的过 程 中 ，ＭＣ （ 控 制 器 ） Ｕ 微 根 据 温 度 传 感 器 传 输 的 数 据 。 控 制 输
（ Ｄ） 进 行 控 制 的 调
节 器 。 比 例 控 制 能
快 速 反 映 误 差 ， 积 分 控 制 可 以 消 除 误 差 ．微 分 控 制 可 以
３３温 度 控 制 模 块 ．
本 设 计 选 用 的 半 导 体 制 冷 器 型 号 为 Ｔ Ｃ — ２ ０ 。 在 Ｅ １ １７ ６ 热 端 温 度 为 ２ ℃ 的 情 况 下 ．Ｔ Ｃ — ２ ０ ７ Ｅ １ １ ７ ６的最 大 Ｔ作 电 流 为 ６ Ａ，最 大 工 作 电压 为 １ ．Ｖ，最 大 制 冷 功 率 为 ５ Ｗ ，冷 ５４ ４ 热 端 最 大 温 差 为 ６ ℃ 。半 导 体 制 冷 器 采 用 Ｈ 桥 电路 驱 动 ， ８
技 术
便 于 控 制 电 流 大小 及 流 向。 本 设计 用 采
实验12 温度传感器特性和半导体制冷温控实验
实验12 温度传感器特性和半导体制冷温控实验【实验目的】1、了解半导体制冷和制热原理。
2、测量NTC热敏电阻、PTC热敏电阻及集成温度传感器的温度特性【实验原理】1、半导体制冷和制热原理如图1所示，由X和Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路，通上电源之后，冷端的热量移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高，这就是帕尔贴效应。
实际的半导体制冷片结构如图2所示，由许多N型P型办斗提之颗粒互相排列而成，而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他导体，最后由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好。
2、温度控制原理实验样品结构如下图所述，将半导体制冷片一面与铝制散热器津贴，并用风扇强行散热，使其与环境温度接近。
另一面与实验样品室紧贴，试验样品室采用优质导热材料，并装上温度传感器，温度传感器测量实验样品室的温度，由该温度与仪器设定的温度相比较，通过微型处理器确定半导体制冷片工作方式，即制冷或制热，由温度差确定制冷或制热的策略，即在不同的温度差之下，输出不同的制冷或制热功率，并以适当的速度改变温度的变化，从而实现实验样品室的温度控制，保持温度的稳定。
微型处理器工作框图如图3.3、NTC 电阻器的温度系数（负温度系数）——温度特性NTC 热敏电阻通常具有很大的负温度系数，在一定的温度范围内，NTC 热敏电阻的阻值与温度的关系满足下列经验公式：011()0B T T R R e -=------------------------（1）式中，R 为该热敏电阻在热力学温度T 时的电阻值，0R 为热敏电阻处于热力学温度0T 时的阻值，B 是材料的常数，它不仅与材料性质有关，而且与温度有关，在一个不太大的温度范围内，B 是常数。
由（1）式得该热敏电阻在0T 时的电阻温度系数α20B T α=----------------------------------（2） 进一步得到 0011()InR B InR T T =-+ 在一定温度范围内，可以用作图法或最小二乘法求得B 的值，并进一步求得α的值。
采用半导体制冷片的温控系统的设计
采用半导体制冷片的温控系统的设计半导体制冷片的温控系统是一种常见的用来控制温度的技术，它利用半导体物质的特性，通过通过电流的通过来实现温度的控制。
首先，我们需要了解半导体制冷片的工作原理。
半导体制冷片是一种基于Peltier效应的制冷技术。
当电流通过半导体材料时，热量会从一个一端吸收，然后从另一端释放。
这样就可以实现温度的调控。
在设计温控系统时，我们需要考虑以下几个方面：1.温度传感器：温度传感器用于感知当前的温度值并将其传递给控制器。
常用的温度传感器有热电偶和热敏电阻等。
2.控制器：控制器是整个系统的核心，它会根据传感器得到的温度值来判断是否需要制冷或制热。
根据温度变化的速度和幅度来调整半导体制冷片的电流，以实现精确的温度控制。
3.电源：半导体制冷片需要一个特定的电源来提供工作电流。
一般情况下，我们会使用可调电源来提供合适的电流给制冷片。
4.散热器：半导体制冷片在工作过程中会产生大量的热量，为了保持制冷系统的稳定性，我们需要使用散热器将多余的热量散发出去。
在实际的应用中1.常规型：常规型温控系统使用一个PID控制器或者其他类似的控制算法来实现温度的调控。
PID控制算法根据当前的温度误差、误差的变化速度和误差的累积值来调整半导体制冷片的工作电流，以达到温度的稳定控制。
2.自适应型：自适应型温控系统则是根据实际的温度变化情况来自动地选择合适的控制策略。
例如，系统可以根据当前的温度变化速度和幅度来自动调整控制算法的参数，使得温度的控制更为精确。
在设计半导体制冷片的温控系统时，我们需要根据具体的应用需求来选择合适的温控策略，并进行相应的硬件和软件设计。
同时，我们还需要对温控系统进行充分的测试和验证，以确保系统的稳定性和可靠性。
总结而言，半导体制冷片的温控系统是一种实现温度控制的重要技术，它可以广泛应用于各种需要精确温度控制的领域。
在设计温控系统时，我们需要考虑传感器、控制器、电源和散热器等关键因素，并选择合适的控制算法来实现稳定的温度调控。
半导体制冷片课程设计
半导体制冷片课程设计一、教学目标本课程旨在让学生了解和掌握半导体制冷片的基本原理、结构、性能及其在实际中的应用。
通过本课程的学习，使学生能够：1.知识目标：理解半导体制冷片的原理，掌握其基本结构和工作原理；了解半导体材料的性质及其在制冷片中的应用。
2.技能目标：学会分析制冷片的工作性能，能够对其进行简单的设计和计算；能够运用实验方法验证制冷片的工作原理。
3.情感态度价值观目标：培养学生对科学技术的兴趣和好奇心，增强其创新意识和实践能力；使学生认识到半导体制冷片在现代科技中的重要性，提高其社会责任感和使命感。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.半导体基础知识：介绍半导体材料的性质、制备方法和应用领域。
2.半导体制冷片原理：讲解制冷片的工作原理，包括PN结的形成、载流子的输运和制冷效应。
3.制冷片结构与性能：介绍不同类型的制冷片结构及其性能特点，分析影响制冷效果的因素。
4.制冷片的应用：阐述半导体制冷片在实际中的应用领域，如电子制冷、空调、冷藏等。
5.实验与实践：安排一定的实验课时，让学生通过实验验证制冷片的工作原理，提高实际操作能力。
三、教学方法为了提高教学效果，本课程将采用以下几种教学方法：1.讲授法：系统地讲解制冷片的相关理论知识，使学生掌握基本概念和原理。
2.讨论法：学生针对制冷片的相关问题进行讨论，培养学生的思维能力和团队协作精神。
3.案例分析法：通过分析实际案例，使学生了解制冷片在实际应用中的工作原理和性能。
4.实验法：安排实验课程，让学生动手操作，验证制冷片的工作原理，提高实践能力。
四、教学资源为了支持本课程的教学，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的教材，为学生提供系统的学习资料。
2.参考书：推荐相关参考书籍，拓展学生的知识视野。
3.多媒体资料：制作精美的课件，生动形象地展示制冷片的工作原理和应用场景。
4.实验设备：准备完善的实验设备，确保学生能够顺利进行实验操作。
基于单片机的半导体制冷温度控制电路设计
华北电力大学硕士学位论文
中文摘要
半导体制冷也叫热电制冷，有时也被称为电子制冷，它是利用特种半导体材料 通过直流电时产生低温的一种制冷方式，作为制冷器的控制系统，要求对制冷器工 作的控制要有稳定性、快速性和准确性。 本文主要介绍了半导体制冷恒温控制系统，系统利用单片机 ATMEGA16 作为控 制部分，加上 buck 电路和模糊 PID 控制器共同构成一个抗干扰、智能的恒温控制 系统。本文第一章简要的介绍了半导体制冷的发展概况、特点，PID 控制的发展、 特点，以及本文要做的工作。第二章主要介绍了热电效应、制冷原理。第三章介绍 了整个控制电路的硬件设计，包括 ATMEGA16 驱动电路、电平转化电路和 buck 电路 工作特性，接着介绍了热敏传感器的原理和使用。第四章介绍了该系统软件系统的 设计，首先介绍了 PID 控制理论，然后说明了模糊 PID 在本系统中的应用。第五章 分析了该控制系统在恒温控制中的特性，最后对该系统进行实验分析。 半导体制冷器控制电路是对制冷器输出正向电流电压进行制冷控制，直流电压 波纹在 5％左右，控制精度在±0.5℃。
华北电力大学硕士学位论文
第一章 绪论
1.1 半导体制冷的发展和应用
半导体制冷也叫热电制冷，有时也被称为电子制冷，它是利用特种半导体材料 通过直流电时产生低温的一种制冷方式，是利用珀尔帖效应的上发展起来的一种机 器制冷方法。易于制作成各种外形，方便实现微型化，满足各种需要。因此，半导 体制冷开辟了制冷技术的新领域， 扩大了制冷技术的应用范围， 在某些特殊的场合， 有着别的制冷方式所无法替代的作用。 半导体制冷技术的发展至今有以下几个重要阶段： 第一阶段，热电理论形成时期。这个阶段主要是发现了热电技术的几个重要理 论，这个时期的热电制冷就是半导体制冷的前身。 早在十九世纪二十年代，德国科学家塞贝克(See beck)在实验中发现：当把两 种不同材料做成的导体构成的闭合回路置于指南针附近时，若对该回路的一个接头 加热，指南针就会发生偏转，这就是塞贝克效应。由于但是科技水平的局限性，塞 贝克认为这只是一个与电磁有关的现象，始终没能认识到是温差产生了电动势。 后来，法国科学家珀尔帖(Politer)发现了另一个相关的现象:当电流流过两种 不同的金属时，接头附近的温度会发生变化，接头一端变冷，另一端则变热，他将 这个结果发表在 1834 年法国的《物理和化学年鉴》上，这个现象命名为珀尔帖效 应。尽管珀尔帖是利用塞贝克效应为实验提供电流，但他并没有发现珀尔帖效应与 塞贝克效应之间的联系，并且此后的相当长的一个阶段，始终没有什么进展，直到 英国的汤姆逊(Thomson)研究热力学理论地基础上分析。[1] 十九世纪五十年代，汤姆孙在热力学理论支持的基础上，发现珀尔帖效应和吸 热放热密不可分，应该满足热力学定律，金属的两端其中一段如果放热，那么另一 端应该吸热，反之亦然。他通过计算发现必然有另外一种效应的存在，即当电流经 过有温度梯度的导体时，必然会有吸热或放热现象发生，否则的话热力学定律不能
基于STM32半导体制冷片温控系统的设计
基于STM32半导体制冷片温控系统的设计【摘要】激光器的工作温度至关重要，该设计用于激光器工作温度调节模块，以提高激光器的稳定性能。
本文以STM32F303为控制芯片，采用TEC为制冷元件，通过采集温度并模数转换传给上位机，上位机程序控制STM32的数模输出控制TEC的加热或制冷，同时以PID算法为基础构建了一套半导体温度调节系统。
实验结果表明，通过PID算法调节，半导体制冷温度控制系统能够为激光器提供所需的工作温度，精度可达到±0.1℃。
【关键词】温度控制;STM32;A/D D/A;PID算法;LabVIEW1.前言温控系统受环境温度影响较大，因为温度调节过程中惯性大，对于温度上升或下降的有效快速调节是难题，目前我们熟知的温控系统都存在成本高或精度低及灵活性差的缺点。
针对这些问题本系统在工作过程中可以随时切换极性，从而完成对设定温度值的精确控制。
2.硬件系统设计本设计通过HX-RS-HSW1204C高精度微型温度变送器连接pt100将采集到的温度传给STM32单片机，STM32将采集到的温度值模数转换后传给上位机显示，并将采集温度值记为sp，将当前温度值sp减去设定值ap后给PID控制器，STM32根据PID的输出信号m（t）进行数模转换并输出给TTC-DS驱动模块，TTC-DS驱动模块控制TEC工作.2.1 测量部分：采用Pt100和HX-RS-HSW1204C高精度微型温度变送器，输出信号是电压信号，其工作电压是±24V，输出是0-5V，对应的温度范围是-40-100℃，温度与电压呈线性关系，，其采集精度可达到0.05℃。
pt100是一种稳定性高和性能良好的温度传感器，工作范围-200℃至650℃。
pt100是电阻式温度检测器，具有正电阻系数，其电阻和温度变化的关系如下：，其中=0.00392，为100（在0℃的电阻值），为摄氏温度[1]。
传感器型变送器通常包含信号转换器与传感器两部分。
半导体制冷控制
半导体制冷控制一、设计要求我们这次设计的半导体制冷控制套件体积小，具有相对较高的制冷量，它特别适用于有限空间的制冷，由于制冷组件式一种固态热泵，因而它无需维护，无噪音，能在任何位置工作，抗冲击和抗震动能力强，另外组件工作电流积极性，他又可以制热，改变电流强度可调整制冷功率。
二、设计思路我们这次的实验作品是半导体制冷控制，我们设计它的主要思路想它的硬件部分，我们这个它的硬件组成包括，单片机，排阻、按键、数码管、电容、led、晶振、三极管、H桥等，我们有了硬件的支持其次就是软件部分了，我们的软件部分是通过单片机的控制来执行动作的，我们先写显示部分，让单片机不断的给数码管发送高低电平，让数码管管不断的扫屏，然后在显示出来，显示部分完成后我们在写按键部分，我们的按键部分只要单片机检测到按键我们就可以执行相应的功能，这样我们就可以通过外部设备控制单片机。
三、硬件设计单片机最小系统我们的单片机最小系统主要组成部分包括晶振、单片机、按键、电容、电阻等晶振是单片机工作的必要条件也是单片机工作的动力，如果没有了晶振单片机就无法工作，所以我们把晶振接在了单片机的X1、X2上，为了让单片机有一个更好的工作环境，我们给晶振并上了两个电容，电容有充放电的作用，所以它能够滤波，并在晶振上能够给晶振一个稳定的电流。
保证单片机的正常工作。
同时我们也给单片机加了一个上电复位，当单片机死机时我们可以通过上电复位来实现，我们把按键和电容并联在一起，一端接在了Vcc上另一端接在了电阻上，接在电阻上是为了限流，电阻的另一端接在了地上，在电容的一端接在了单片机的RST上，这样我们就完成了单片机的上电复位。
电路原理图如下图。
显示部分我们的显示是通过数码管来实现的，我们让单片机把要显示的信息通过高低电平发给数码管，让数码管不不断的扫屏，这样我们就能看到了，所以我们把数码管的管脚接在了单片机的P0.0~P0.7上，同时为了加大单片机的驱动能力，我们也给单片机的P0.0~P0.7的管脚上加了上上拉电阻，保证了单片机驱动数码管的能力，我们的位选是通过三极管来驱动的，我们把三极管接在了单片机的P2.0、P2.1上，这样整个显示部分的电路都介绍完了，电路原理图如下图所示。
基于STM32的半导体制冷片控制系统设计
基于STM32的半导体制冷片控制系统设计一些医疗检测仪器在检测时需要模拟人体温度环境以确保检测的精确性，本文以STM32为主控制器，电机驱动芯片DRV8834 为驱动器，驱动半导体致冷器(帕尔贴)给散热片加热或者制冷。
但由于常规的温度控制存在惯性温度误差的问题，无法兼顾高精度和高速性的严格要求，所以采用模糊自适应PID控制方法在线实时调整PID参数，计算PID参数Kp、Ki、Kd调整控制脉冲来控制驱动器的使能。
从simulink仿真的和实验结果来看模糊PID控制系统精度高、响应速度快，能达到预期效果。
温度参数是工业生产中常用的被控对象之一，在化工生产、冶金工业、电力工程和食品加工等领域广泛应用，在医疗检测设备中时常需要模拟人体温度进行成分检测。
采用直流电机驱动芯片DRV8834驱动帕尔贴的制冷和加热过程。
温度随时间的变化率和变化的方向不确定且可能大幅度的变化，要求系统的实际温度快速和精确地跟踪设定温度以满足加工工艺的要求。
时间程序温度控制系统具有强烈的非线性、强耦合、大时滞和时变等特点，传统PID控制虽然算法简单易于实现且调整时间较快、精度较高，但是抗干扰能力不强，容易产生振荡;模糊PID 不需要精确的数学模型，能较好的处理时变、非线性、滞后等问题，有很好的鲁棒性，响应速度快。
1 过程分析及常规控制方法恒温控制系统具有制冷、加热等功能，箱体内的温度传感器DS18B20通过不断地检测温度，与设置的很定温度作比较，当室内温度低于设置温度值时，加热模块工作，使DRV 8834输出正向直流，驱动帕尔贴元器件，使其加热;当温度高于设置温度值时，使DRV8834输出反向直流，驱动帕尔贴元器件，使其工作在制冷功能。
使室内温度在设定值范围内震荡，最终趋向于稳定。
同时，控制系统将协调控制制冷和加热系统，以达到箱温波动值最小、高精度控温的目标。
所以温度控制成为恒温控制系统的核心问题。
2 模糊PID温度控制系统的硬件电路设计如图1，系统主要包括以下几个部分：1)数字温度传感器：DS18B20是一种“一线总线”接口的温度传感器。
半导体制冷实验报告
半导体制冷实验报告半导体制冷实验报告引言：半导体制冷技术是一种基于半导体材料的热电效应的制冷技术，其应用领域涵盖了电子设备散热、生物医学、航空航天等多个领域。
本实验旨在探究半导体制冷技术的原理和性能，并通过实验验证其制冷效果。
实验一：半导体材料的热电效应首先，我们准备了一块P型半导体材料和一块N型半导体材料，并将它们通过金属片连接成一个热电偶。
然后，我们将热电偶的一端加热，另一端冷却，并通过测量两端的温差和电压来研究热电效应。
实验结果显示，当我们加热P型半导体材料时，电压会产生一个正值；而当我们加热N型半导体材料时，电压则会产生一个负值。
这说明了P型半导体和N 型半导体在温度变化下具有不同的电压变化特性。
这种特性正是半导体制冷技术的基础。
实验二：半导体制冷器的制冷效果在这个实验中，我们使用了一台半导体制冷器，该制冷器由多个半导体材料组成，并通过电流驱动。
我们将制冷器放置在一个密封的实验箱中，并通过测量实验箱内的温度变化来研究半导体制冷器的制冷效果。
实验结果显示，当我们通电后，实验箱内的温度开始下降，并在一段时间后稳定在一个较低的温度。
这表明半导体制冷器通过电流驱动产生了制冷效果，将热能从实验箱中转移到外界环境中。
实验三：半导体制冷技术的应用在这个实验中，我们将半导体制冷技术应用于电子设备散热领域。
我们选择了一台高性能电脑，并在其散热器上安装了半导体制冷器。
然后，我们通过测量电脑的温度变化来研究半导体制冷技术对电子设备散热的效果。
实验结果显示，在使用半导体制冷器后，电脑的温度明显降低，并且在高负荷运行时能够保持较低的温度。
这表明半导体制冷技术可以有效地改善电子设备的散热性能，提高其工作效率和寿命。
结论：通过以上实验，我们验证了半导体制冷技术的原理和性能。
半导体材料的热电效应使得半导体制冷器能够通过电流驱动产生制冷效果，将热能从被制冷物体转移到外界环境中。
同时，半导体制冷技术在电子设备散热领域具有广泛的应用前景，能够有效地提高设备的工作效率和寿命。
半导体制冷片温度控制 课程设计报告
课程设计说明书题目：半导体制冷片温度控制院（系）：xxxxxxxxxxx学院xxxxx 专业： xxxxxxxxxxxx学生姓名： XXXX学号： xxxxxxxxxxxx 指导教师： xxxxxxxxxxxxxxx2012 年 3 月 10 日摘要温度是工业中非常关键的一项物理量，在农业，现代科学研究和各种高新技术的开发和研究中也是一个非常普遍和常用的测量参数。
温度控制的原理主要是：将随温度变化而变化的物理参数，通过温度传感器转变成电信号，传给计算机，与给定温度相减后得到偏差，经过控制器后输出给控制对象达到控温的目的。
半导体制冷片是利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时,在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量,可以实现制冷的目的。
制冷速度与通过的电流大小成正比。
本设计针对用半导体对水箱的制冷模型设计了相应模糊PI控制器对水箱进行计算机恒温控制。
关键词: 半导体制冷；STC12C5A08S2；模糊PI；PWM；引言 (3)1 课程设计概述 (3)1.1 课程设计题目 (3)1.2 主要仪器设备 (3)2 硬件设计 (3)2.1 单片机部分 (3)2.2 串行接口部分 (4)2.3驱动电路部分 (4)3 软件设计 (5)3.1 流程图设计 (5)3.1.1 温度控制主程序流程图 (5)3.2 控制算法设计 (6)3.2.1 控制对象模型 (6)3.2.2 PI控制器设计 (7)3.2.3 控制器的设计 (7)4 系统调试 (7)4.1 单片机程序仿真 (7)4.2 STC12C5A08S2单片机系统电路调试 (8)4.3 驱动电路调试 (9)4.4 系统调试 (9)5总结与改进展望 (9)6 谢辞 (10)引言温度作为一项热工参数,在工业现场和过程控制中具有至关重要的作用。
半导体制冷相对于传统制冷方式，有着体积小，重量轻，无制冷剂而不污染环境，作用速度快，使用寿命长，且易于控制。
高精度温度控制的半导体制冷系统实验研究
高精度温度控制的半导体制冷系统实验研究一、引言近年来，高精度温度控制的需求不断增加。
在许多领域，如材料科学、生物医学、电子工程等，需要对物体的温度进行精确控制和调节。
在这样的情况下，传统的制冷系统往往无法满足需求，因为它们的温度控制精度有限。
相比之下，半导体制冷系统通过利用半导体材料的特性，能够实现更高的温度控制精度。
因此，对高精度温度控制的半导体制冷系统进行实验研究具有重要意义。
二、半导体制冷原理半导体制冷是通过半导体材料的特性来实现温度控制的一种方式。
当电流通过半导体材料时，会产生热量。
利用半导体材料的PN结构，可以实现电流的传导和散热。
在制冷系统中，半导体材料的PN结构被放置在实验物体附近，利用电流通过半导体材料时产生的热量，实现对实验物体的制冷。
三、实验设计1.实验目标本实验旨在研究半导体制冷系统对高精度温度控制的适用性，并探究其温度控制精度和稳定性。
2.实验装置实验装置包括：半导体制冷器件、电源供应器、温度传感器、温控仪等。
3.实验步骤（1）装置搭建：将半导体制冷器件和温度传感器固定在实验物体附近，连接电源供应器和温控仪。
（2）温度控制参数设定：通过温控仪对半导体制冷系统进行温度设定，设定所需的目标温度。
（3）实验物体放置：将需要进行高精度温度控制的物体放置在半导体制冷器件附近。
（4）温度实时监测：使用温度传感器实时监测实验物体的温度，并将数据记录下来。
（5）温度控制效果分析：分析实验数据，探究半导体制冷系统的温度控制精度和稳定性。
四、实验结果与讨论实验结果表明，半导体制冷系统能够实现高精度的温度控制。
在实验过程中，通过温控仪设定不同的目标温度，半导体制冷系统能够迅速将实验物体的温度调整到设定的目标温度，并实现较高的稳定性。
此外，实验数据显示，半导体制冷系统的温度控制精度可以达到0.1摄氏度以下，满足高精度温度控制的要求。
五、结论本实验通过对高精度温度控制的半导体制冷系统的实验研究，结果表明半导体制冷系统能够实现高精度的温度控制。
半导体制冷器的高精度温度控制系统
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浮现在人们的日常生活中，这些产品大多采用发热管或者 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，当频繁导通或者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，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份采用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。
H 桥·······STC12C5A16S2TEC DS18B20MCU 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，指令代码彻底兼容传统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Timer，PWM 的频率为Fosc/2，此单片机彻底能够满足本系统的设计要求。
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的结时能对与其接触的物体制冷或者加热。
半导体制冷课程设计
半导体制冷课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解半导体的基本概念，掌握半导体材料的特性和制冷原理；2. 使学生了解半导体制冷技术在生活中的应用，如空调、冰箱等；3. 引导学生掌握半导体制冷器件的工作原理及其在制冷系统中的应用。
技能目标：1. 培养学生运用半导体知识解决实际问题的能力，能分析半导体制冷器件的性能；2. 提高学生动手操作能力，通过实验了解半导体制冷器件的工作过程；3. 培养学生团队协作能力，分组讨论并设计简单的半导体制冷系统。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对半导体科学研究的兴趣，培养创新意识和探索精神；2. 培养学生关注环保，认识到半导体制冷技术在节能减排方面的重要性；3. 增强学生对我国半导体科技发展的自豪感，树立为国家和民族科技事业作贡献的信念。
课程性质分析：本课程为物理学科拓展课程，结合高中物理知识和实际应用，旨在帮助学生深入理解半导体科学及其在制冷领域的应用。
学生特点分析：高中学生具有较强的逻辑思维能力和实验操作能力，对科技前沿和应用领域有较高的兴趣。
教学要求：结合课本知识，注重理论与实践相结合，提高学生的知识运用能力和实践操作技能。
在教学过程中，将课程目标分解为具体的学习成果，便于教学设计和评估。
二、教学内容1. 半导体基本概念：半导体材料特性、PN结原理；2. 半导体制冷原理：热电效应、塞贝克效应、珀耳帖效应；3. 半导体制冷器件：热电制冷器（TEC）的结构、工作原理及性能参数；4. 半导体制冷应用：生活中半导体制冷技术的应用实例、节能减排意义；5. 实践操作：半导体制冷器件的组装与测试、性能分析。
教学大纲安排：第一课时：半导体基本概念及制冷原理学习；第二课时：半导体制冷器件的结构、工作原理及性能参数学习；第三课时：半导体制冷在生活中的应用及节能减排意义探讨；第四课时：实践操作，分组组装、测试半导体制冷器件，分析性能。
教材关联性：教学内容与高中物理课本中热学、电学知识相关，结合半导体科学进行拓展，旨在帮助学生将理论知识与实际应用相结合。
基于半导体制冷片的温度控制系统的设计
基于半导体制冷片的温度控制系统的设计摘要:设计一种用于红外传感器工作温度调节控制的模块,使红外传感器在低温下工作,以提高红外传感器的探测性能。
通过以mega16芯片为核心,以半导体制冷片为制冷元件,以PID算法为基础构建了一套半导体温度调节系统[1]。
实验结果表明,半导体制冷温度控制系统能够为红外探测器提供所需的工作温度。
关键词:温度半导体制冷片PID算法温度对红外传感器有比较大的影响,当外界环境温度发生变化时,红外传感器对所测量的物理量会有较大的变动,影响其测量值的准确性[2],产生较大的外界噪声干扰,所以当进行精确测量时,将红外传感器控制在一个恒定的温度下,可以大大提高探测精度,减少误差。
1 半导体制冷器的工作原理半导体制冷也称热电制冷,是一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科,半导体制冷是以温差电现象为基础制冷方法,利用帕尔贴效应的原理达到制冷目的。
帕尔帖效应:当电流I通过由两种不同材料组合成的闭合回路时,在材料的接头处一端会吸收热量Qp,另一端会放出热量Qp。
这种吸收或放出的热量叫做帕尔帖热,其吸热或放热由电流的方向决定,大小由公式决定。
π为帕尔帖系数,与温差电动势率有关,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。
作为一种制冷源,半导体冷片可连续工作,不需要制冷剂,没有污染源和机械运动部件,不会产生回转效应,是一种固体元件,工作时没有噪音、震动、寿命长,安装容易。
半导体制冷片是电流换能型器件,通过控制输入电流,可实现高精度的温度控制。
热惯性小,制冷制热时间比较快,在热端散热良好冷端空载的情况下,可迅速达到最大温差。
2 温度控制系统的组成半导体温度控制系统结构框图如图1,由制冷片引起的温度变化经温度传感器传送给控制器,与设定的温度进行比较,所得的信号偏差通过PID进行调整处理,由控制器发出命令信号,通过驱动电路驱动半导体制冷片进行制热或者制冷,以达到红外传感器的工作温度环境。
3 硬件系统设计本控制系统主控单元采用的是ATMEL公司A VR系列的Atmega16单片机。
采用半导体制冷片的温控系统的设计
湖南科技大学毕业设计（论文）题目采用半导体制冷片的温控系统的设计作者方云熠学院信息与电气工程学院专业自动化学号1204020309指导教师曾照福二〇一六年五月十五日湖南科技大学毕业设计（论文）任务书信息与电气工程学院通信工程系系主任:（签名）年月日学生姓名: 方云熠学号: 1204020309专业: 自动化1 设计（论文）题目与专题：采用半导体制冷片的温控系统的设计2 学生设计（论文）时间：自2015 年10 月8 日开始至2016 年5 月25 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料：[1] 何道清,张禾,谌海云.传感器与传感器技术:3版[M].北京:科学出版社,2014.[2] 何希才,任力颖,杨静.实用传感器接口电路实例[M].北京:中国电力出版社,2007.[3] 王南阳.单片优质语音录放集成电路应用手册[M].北京:机械工业出版社,2006.[4] 来清民.传感器与单片机接口与实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.期刊相关文章4 设计（论文）应完成的主要内容：(1) 半导体制冷片温控系统的方案设计；(2) 半导体制冷片温控系统的硬件设计；(3) 半导体制冷片温控系统的软件设计；(4)系统调试。
要求：能控制制冷温度为-5℃-0℃，中的任意温度，可显示、语音播报当前温度值，能将温度值存储。
5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）与要求：(1)撰写设计报告；(2)设计报告要求字数1.5万字左右，提供电子版和纸质版；(3)设计报告包括目录，中英文摘要，关键词，方案选择与确定，设计过程与参数计算，软件流程图与源程序，调试方法与步骤，小结等；(4)提供硬件电路原理图，印制电路板图，元器件清单。
6 发题时间：2015 年10 月 5 日指导教师：（签名）学生：（签名）湖南科技大学毕业设计（论文）指导人评语[主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价]指导人：（签名）年月日指导人评定成绩：湖南科技大学毕业设计（论文）评阅人评语[主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价]评阅人：（签名）年月日评阅人评定成绩：湖南科技大学毕业设计（论文）答辩记录日期：学生：学号：班级：题目：提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书共页2 设计（论文）图纸共页3 指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：[主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价]答辩委员会主任：（签名）委员：（签名）（签名）（签名）（签名）答辩成绩：总评成绩：摘要随着工业技术的不断发展和相关领域的需求，对于产品、设备的工作温度要求越来越苛刻，而对于微型化设备或器件的温度控制，半导体制冷器由于其无机械运动、不需要化学制冷剂、无污染、体积小且能够改变形状等优点，在微型化器件温度控制领域正扮演着越来越重要的角色。
半导体制冷实验
半导体制冷实验【实验目的】1.了解帕尔帖效应和半导体制冷原理2.学习半导体制冷特性和应用，计算半导体制冷系统最大制冷系数3.演示验证帕尔帖效应【实验仪器】THQBZ-1型半导体制冷实验仪【实验原理】1.帕尔帖效应当电流通过同一导体时，放出的焦耳热量与电流强度的平方成正比，而与电流流动的方向无关。
是一个可逆过程，但在一定条件下，电流通过两种不同材料的金属接触面时，热量的吸收和放出是一个不可逆过程，即当电流沿某一方向流动时，若接触点放出热量，则当电流沿反方向流动时，应吸收热量，这一效应称为帕尔帖效应。
2.半导体制冷原理半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷，它是利用热电效应的一种制冷方法。
半导体制冷原理如图1所示。
图1图2n姓材料有多余的电子，有负温差电势，p型材料电子不足，有正温差电势。
当电子从p型穿过结点到n型时，其能量必然增加，相反当电子从n型流至p型时，结点温度会升高。
把一只n型半导体元件和一只p型半导体元件联结成热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。
上面的一个接头处，电流方向从n到p，温度下降并吸热，是冷端；而下面的一个接头处，电流方向从p到n，温度上升并放热，是热端。
在电流作用下，由于帕尔帖效应，热量由Tc转向Th，使Tc温度降低，成为冷端，Th温度升高，成为热端。
借助散热器等各种传热手段，使热端的热量不断散发，将冷端置于工作室中去吸热降温而形成制冷。
目前采用半导体材料锑化铋做成N型和P型热电偶，用模块的方法组成半导体制冷器件。
如图2所示，接上电流后，这个热电堆的上面是冷端，下面是热端，借助热交换器等传热手段，使热电堆的热端不断散热并保持一定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热降温，这就是半导体制冷的工作原理。
【实验内容】1.半导体制冷特性测试实验1）打开电源开关，将半导体制冷片工作方式切换到热泵，输入电压极性切换到正。
2）将数字电压表电压显示切换到输入电压。
3）调节电压大小，当输入电压为某一值时，半导体制冷系统经过一段时间而达到稳定制冷状态。
温度传感器测试与半导体制冷控温实验报告
温度传感器测试与半导体制冷控温实验报告一、实验目的1. 了解温度传感器的基本原理和使用方法；2. 了解半导体制冷实验箱的基本原理和使用方法；3. 掌握半导体制冷控温的方法和技巧；4. 认识温度传感器测试的重要性。
二、实验原理1. 温度传感器的基本原理：温度传感器根据温度的变化来改变其电学特性，从而获得温度信号。
在实验中，我们使用了热电偶和热敏电阻两种温度传感器。
2. 半导体制冷实验箱的基本原理：半导体制冷实验箱采用半导体元件作为制冷材料，利用半导体材料的热电效应，将热量从一个区域转移到另一个区域，从而实现制冷效果。
3. 半导体制冷控温的方法和技巧：控制制冷箱内的温度，一般采用PID控制器实现。
PID控制器通过对温度信号的采集和处理，以及对加热元件的功率调节，实现对温度的精确控制。
4. 温度传感器测试的重要性：温度传感器是对温度进行测量和控制的核心部件，对温度传感器的测试可以保证其准确度和可靠性，从而保证温度控制系统的稳定性和精度。
三、实验仪器和材料1. 热电偶温度计；2. 热敏电阻温度计；3. 半导体制冷实验箱；4. PID温度控制器；5. 电源；6. 万用表。
四、实验步骤及结果分析1. 温度传感器测试（1）连接热电偶温度计。
将热电偶温度计的测温端口和万用表相连，然后把热电偶放在温度稳定的环境中，记录下温度读数；（2）连接热敏电阻温度计。
将热敏电阻的两端分别接到万用表的两个测量端口上，然后把热敏电阻放在温度稳定的环境中，记录下温度读数；（3）对比两种温度传感器的读数。
将两种温度读数进行对比，看是否存在差异。
如果差异大，则说明其中一种传感器可能存在问题，需要进一步检查和测试。
2. 半导体制冷控温实验（1）打开半导体制冷实验箱，将实验样品放在箱内；（2）将PID温度控制器的温度传感器放入实验箱内，并将控制器和实验箱相连；（3）将温度设定值调节到所需温度，并启动控制器；（4）观察实验箱内的温度变化，如果温度超出设定范围，则对控制器进行调节，直到达到所需的控制效果。
半导体制冷片(TEC)的温度控制器设计
半导体制冷片（TEC）的温度控制器设计一、原理半导体制冷片也叫热电制冷片，其原理是Peltier效应，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理来实现的。
其实在原理上半导体制冷器只是一个热传递的工具。
其优缺点：1、不需要任何制冷剂，可连续工作。
2、半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。
因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。
3、半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，，便于组成自动控制系统。
4、半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。
5、半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。
二、使用说明：正确的安装、组装方法：1、制冷片一面安装散热片，一面安装导冷系统，安装表面平面度不大于0.03mm，要除去毛刺、污物。
2、制冷片与散热片和导冷块接触良好，接触面须涂有一薄层导热硅脂。
3、固定制冷片时既要使制冷片受力均匀，又要注意切勿过度，以防止瓷片压裂。
正确的使用条件：1、使用直流电源电压不得超过额定电压，电源波纹系数小于10％。
2、电流不得超过组件的额定电流。
3、制冷片正在工作时不得瞬间通反向电压(须在5分钟之后)。
4、制冷片内部不得进水。
5、制冷片周围湿度不得超过80％。
三、半导体制冷器的驱动电路设计半导体制冷片根据流过半导体的电流方向和大小来决定其工作状态的（电流的方向决定制冷或者制热，电流的大小决定制冷或者制热的程度和效果）。
为了使半导体制冷片能够自动的进行恒温控制，就必须设计好其驱动电路和控制电路。
PID控制系统是目前精度较高的技术，可以用来对半导体制冷片的电流进行控制，以实现高精度的控温效果。
（一）、总体框图：（二）、驱动电路：基于H桥的驱动电路：当设置OUT3为高、OUT4为低电平，OUT2为低、OUT1为高电平时，Q3和Q4断开，Q1和Q2导通，电流由TEC左至右；反之OUT3为低、OUT4为高电平，OUT2为高、OUT1为低电平时，Q3和Q4导通，Q1和Q2断开，电流由右至左。
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题课程设计说明书目：半导体制冷片温度控制院（系）：xxxxxxxxxxx学院xxxxx 专业：xxxxxxxxxxxx学生姓名：XXXX学号：xxxxxxxxxxxx指导教师：xxxxxxxxxxxxxxx2012年3月10日摘要温度是工业中非常关键的一项物理量，在农业，现代科学研究和各种高新技术的开发和研究中也是一个非常普遍和常用的测量参数。
温度控制的原理主要是：将随温度变化而变化的物理参数，通过温度传感器转变成电信号，传给计算机，与给定温度相减后得到偏差，经过控制器后输出给控制对象达到控温的目的。
半导体制冷片是利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时,在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量,可以实现制冷的目的。
制冷速度与通过的电流大小成正比。
本设计针对用半导体对水箱的制冷模型设计了相应模糊PI控制器对水箱进行计算机恒温控制。
关键词:半导体制冷；STC12C5A08S2；模糊PI；PWM；引言 (1)1 2课程设计概述 (1)1.1 课程设计题目 (1)1.2 主要仪器设备 (1)硬件设计 (1)2.1 单片机部分 (1)2.2 串行接口部分 (2)2.3驱动电路部分 (2)3 软件设计 (3)3.1 流程图设计 (3)3.1.1 温度控制主程序流程图 (3)3.2 控制算法设计 (4)3.2.1 控制对象模型 (4)3.2.2 PI控制器设计 (5)3.2.3 控制器的设计 (5)4系统调试 (5)4.1单片机程序仿真 (5)4.2 STC12C5A08S2单片机系统电路调试 (6)4.3 4.4驱动电路调试 (7)系统调试 (7)5 6总结与改进展望 (7)谢辞 (8)引言温度作为一项热工参数,在工业现场和过程控制中具有至关重要的作用。
半导体制冷相对于传统制冷方式，有着体积小，重量轻，无制冷剂而不污染环境，作用速度快，使用寿命长，且易于控制。
本文介绍了使用DS18B20作为温度传感器的PWM半导体制冷控制系统。
1课程设计概述1.1 课程设计题目设计半导体制冷片的线性驱动电路和热敏元件的测温电路，再设计PI控制器来调节制冷电压，实现温度控制，控制范围15~25度，控制精度±0.5度，通过键盘进行温度设置，实际温度可以实时显示。
*附加要求：通过RS232或RS485 接口与PC机通信，在PC机上进行参数显示和设置。
1.2 主要仪器设备半导体制冷片（连水箱）示波器直流稳压电源数字万用表PC 机1 台1 台1 台1 块1 台2硬件设计整个系统以单片机STC12C5A08S2为核心部件。
在08S2 最小系统外围添加了按键，显示，与PC机的通信接口，以及光电耦合PC817和MOS管IRF9540构成的驱动电路。
2.1 单片机部分本设计选择的单片机芯片是STC12C5A08S2，其原理图如2-1所示。
该芯片的P0.0-P0.3用作键盘数字量输入，加入了上拉电阻按键未按下时始终处于高电平状态，读按键值前先给P0口赋值为0；P1.0作为DS18B20的数据输入端口；P2.0-P2.7作LCD1602的数据输出端口；P4.4-P4.6作LCD1602的控制信号；P1.3作为光耦合的控制信号；P3.0和P3.1是STC12C5A08S2的串口，实现上电复位程序下载。
图 2-1 STC12C5A08S2最小系统原理图2.2 串行接口部分MAX232通过内部电压倍增及电压反向电路，把TTL电平与RS232电平互换，实现单片机与PC机的串口通信。
图 2-2 MAX232及串行接口原理图2.3 驱动电路部分JPWM为P1.3口的PWM信号输入，作为光耦PC817的触发导通信号，从而产生MOS 管IRP9540导通的触发信号，实现对右端负载的控制。
如图2-3所示，本电路中还加入了拨动开关可对系统进行开关控制。
图 2-3驱动部分原理图3 软件设计3.1 流程图设计3.1.1 温度控制主程序流程图温度控制主程序流程图设计如图3-1所示。
STC12C5A08S2中的主程序需要完成下几个工作:1.2. 3. 4. 5. 6. 7.调用子函数对系统初始化,其中包括对自身的定时器T0,T1,I/O口,PWM口（P1.3），串口的初始化，以及对外部器件DS18B20和LCD1602的初始化；延时2S钟显示欢迎屏幕，等整个系统电压稳定后读取开机时的温度；调用子函数读取当前温度值调用子函数把当前读取的温度以及设定值通过串口送入PC机显示；调用子函数判断PC机是否有新的数据传送到单片机；调用子函数，把设定值与当前值相比较，对输出PWM进行控制；调用子函数刷新当前页面；调用子函数进行按键判断，依据按键值调用不同的子函数进行翻页或者设置；图3-1温度控制主程序流程图3.2 控制算法设计3.2.1 控制对象模型制冷片的水箱模型可近似地认为成一阶惯性环节，从而测量系统阶跃响应可模拟出系统的数学模型，G(s)=1/（T*s+1），其中T等于阶跃响应中调节时间T s的四分之一。
给电流I=0.5A时阶跃响应数据记录如下，其中t=0时，温度约为27℃；t=100时，温度约为24℃。
取终值11KΩ的98%，T s约为54min=3240s，则G(s)=1/（810*s+1）。
1.由此看出，制冷系统是大惯性系统，制冷需要一段时间之后温度才开始下降；2.至停止制冷后，温度还会有小幅度的下降，而设定温度越低，下降的幅度越小；3.由于与外界的热交换，温度越低时，水箱的自然升温速度越快。
阶跃响应曲线（0.5A）11.21110.810.6t10.410.2109.89.60 20 40 60 80 100时间/min图 3-2 对象阶跃响应拟合曲线3.2.2 PI控制器设计PI调节器的微分方程为：y(t)=Kp[e(t)+1/Ti*∫e(t)dt]。
控制器有两种算法，位置型和增量型。
位置型算法时，计算每次实际值与设定值的偏差为e0，上次的偏差为e1，则控制量u=kp*e0+ki*（e0+e1）。
增量型算法时，u+=e0*ki+(e1-e0)*kp。
本次系统中选用的是位置型算法。
3.2.3 控制器的设计根据制冷片的滞后特点，为了使制冷片能迅速达到设定的温度，应该在离设定温度较远时给负载加上最大功率；又为了防止制冷片的大惯性的特性使系统产生严重的超调，需要提前在一定的范围内进行PI控制以达到最佳效果；而最后阶段，需要预先判断系统的停止工作点，让制冷片的温度扩散的整个水箱，此时停止制冷。
若设定温度大于当前温度时，系统也将停止制冷，等温度慢慢回升。
现设定开始进入PI控制的温度上限为设定值T+1℃，而停止制冷的温度，根据多次实验建立的数据库如下：设定值温度范围T℃停止制冷温度t℃23<=T T*0.00619<=T<23T+0.7T<19T4系统调试4.1 单片机程序仿真由于PROTEUS中没有我们选用的STC12C5A08S2型号的单片机，因此使用AT89S2的单片机代替。
仿真电路如下图所示，仿真时除初始化时当前温度显示为85℃以外，一切工作正常。
图 4-1 系统控制电路仿真电路图4.2 STC12C5A08S2单片机系统电路调试STC12C5A08S2最小系统包括晶振和复位电路，按键电路，LCD显示，以及通信下载接口。
由于以前没有使用过这个型号的单片机，也没有做过串口下载器，所以先把串口接口芯片MAX232及其外部电容和单片机的晶振电路接在面包板上，通过串口与单片机连接调试下载功能，由于一开始电源和地之间没有接电容，因此系统不是很稳定，有时可以下载，有时不可以，接入电容之后系统比较稳定了。
依据插在面包板的电路图画原理图以及PCB，板子做出来之后，用万用表测试各点的连接特性，正常。
上电，电源指示灯偏暗，把10K的限流电阻换为1K的之后指示灯工作正常。
由于STC12C5A08S2单片机运算速度比89S52快，因此程序中延时子函数一律乘以12。
修改管脚使其适应实际的电路板，重新编译后下载程序。
液晶没有显示，调节液晶显示偏压信号端的电压，使其接近地，液晶显示正常。
接上DS18B20,温度显示正常。
用按键进行翻页及设置，按键功能正常。
据此，单片机系统板及程序完全工作正常。
4.3 驱动电路调试驱动电路板做好后进行测试。
用外用表测量，各点连接特性正常。
分别把PWM输入端接地和接VCC，用示波器观察负载输出电压，输出电压对应为零和为12伏，工作正常，接入PWM信号后，输出变为零，不正常。
用示波器观察MOS管G极电压，发现为锯齿波，上升部分倾斜，下降部分竖直。
分析原因为MOS管的S极与电源之间的电阻太大，使通过MOS管的电流太小，MOS管的电容特性使其在一定充电时间内电压不能达到导通，因此输出恒为零。
把电阻调小，锯齿波顶部逐渐变平，电阻继续调小，输出的最低电压开始升高不为零。
此时继续调节电阻已没有意义，在程序中把PWM输出的波形频率降低，降到最低14HZ。
此时G极波形已为方波，继续减小电阻，直到G极输出的最低电压恰好为零，使其能通过更高频率的信号。
最后稍微增大该电阻，使其电压被允许在一定范围内波动。
测量连接负载的D极，D极波形为与输入的PWM反向的方波，驱动电路工作正常。
4.4 系统调试各个部分的调试完成以后，对整个系统进行调试，从室温约27.5℃开始，设置水箱的温度分别为26℃，23℃，20℃。
具体记录的数据如下所示。
5加入算法后，超调量被控制在1%以下，温度下降速度较快，较稳定。
总结与改进展望本次设计中，我完成了包括资料收集，系统设计及仿真，程序编写，电路图与PCB板的绘制腐蚀焊接及调试的全过程，整个系统完成测试后，性能稳定，基本达到了预期的目标。
水箱温度在29~10摄氏度范围内可控（设置值不大于当前室温），LCD液晶温度显示稳定，与之前购买的温度计有大约恒定1℃的温差。
传送到PC机的数据显示正常，可以从PC机接收数据对各个参数进行设置。
温度控制算法的设计，在原模糊分段控制的基础上，加上了PI控制，虽然最后由于时间关系，参数中只使用了P，但是可以证明，加入了PI控制的模糊算法比单纯的模糊分段控制取得了更好的效果。
在本次设计中，也存在着可以改进的地方。
例如程序中有部分程序段是几乎重复使用的，但在各种情况下，只使用了switch函数分情况讨论，没有总结出特定的函数对所有的情况进行处理，这导致了程序过长，应该还有可以压缩的空间。
还有对于参数的调整，只使用了P，没有用到I，而且对于停止控制的位置，也还应该重新配合。
这都是需要作出调整的，而且DS18B20检测温度只能精确到0.0625℃，若要再进一步提升各种指标的话，最好换一个精度更高的温度检测手段。
6谢辞本次设计能够完成得到了许多帮助，首先感谢赵学军老师，李平老师以及龙超老师的悉心指导，为我们提供了设计的思路，为我们指出了设计的各种不足指出，并一次次为我们解决了调试过程中出现的各种问题。