《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。

本设计介绍的温控系统中，控制算法是一个非常重要的部分。这里采用广泛使用的经典控制算法——比例微分积分算法。它的优点是:结构简单，实用，价格低，控制效果好。

关键词：半导体制冷器温度控制比例积分微分单片机

一、系统设计框图

如上图所示，该系统主要由单片机系统，温度测量电路，温度的输入和输出显示，以及半导体制冷器的驱动电路组成。

温度测量电路通过温度传感器，读取当前系统的实时温度，经过单片机分析后，进行相应的处理，发出控制信号，然后通过驱动电路控制半导体制冷器工作。

二、系统设计方案

2.1 、方案选择

2.1.1、半导体制冷芯片的选择

从TEC的制冷功率以及最大温差等多个参数为依据对TEC芯片进行考虑。常用的TEC 一级制冷芯片如TEC1—12706T125，它的制冷效果只能将目标系统的温度降到比室温低20℃，很难提高制冷效果。就现有数据表明，在实际应用中，我们设计的系统要考虑最大温差和制冷量，这样能使我们设计的系统有更大的实用空间。而另外一款TEC 芯片--TEC2-25504，它虽然是二级的半导体制冷芯片，当通过TEC的电流达到3.75A 时，在使用风冷散热条件下，整个系统能达到最好的制冷效果，目标系统温度可以降到比室温低35℃。而且它的价格还比前者要低，在此本文的设计就采用这种制冷芯片。

2.1.2、温度传感器的选择

温度采集时需要使用温度传感器对当前温度系统的温度进行测量，目前常见的温度常感器有：接触式温度传感器（如：常用热电阻温度传感器，管缆热电阻温度传感器，陶瓷热电阻温度传感器，超低温热电阻温度传感器，热敏电阻温度传感器）和非接触式温度传感器（如：辐射高温计温度传感器，光谱高温计温度传感器，超声波温度传感器，激光温度传感器），两者各有优点，基于可行性和经费考虑，本设计采用接触式温度传感器中由DALAS公司开发的DS18B20数字式温度传感器来采集目标系统的温度。

DS18B20的测量范围从-55℃到125℃，测量精度高达12位，最小分辨温度为0.0625℃，完全可以满足系统设计要求的技术指标。同时，DS18B20采用1总线接口，大大简化了接口电路的设计，可以把精力主要集中在温度控制算法的研究上。

2.1.3、单片机的选择

在本设计中，单片机主要完成一下任务：首先控制温度的测量，读取系统的当前温度，然后进行控制算法的运算，计算出控制量，再控制D/A转换，将控制量输出。同时还要完成对键盘摄入和显示的控制。而目前用的最多的单片机有stm系列和51系列的。用stm系列的单片机显然可以实现以上功能，但它的价格一般为51系列的两倍，而使用51系列的单片机实现以上功能也是绰绰有余的。所以在本设计中我们采用51系列中的89C52单片机。89C52单片机采用的是MCS-51单片机的内核，指令系统与51单片机完全兼容。内部有256字节的RAM，8k的EPROM，5个中断源，2个16位定时器/计时器，1个全双工的串行口，4个8位可编程的并行I/O口，完全可以满足本次设计的系统要求。

2.2、系统框图

三、系统原理图及工作原理

3.1、系统原理图

3.2、系统工作原理

如上图，温度控制系统在CPU的选型上采用被广泛使用的51系列单片机，同时温度采集上则是通过DB18B20温度传感器来完成。读取目标系统温度后，输入到单片机中，经过数据转换，显示到LCD1206上。同时在单片机PID控制算法处理后，对接收到的实际温度进行计算，得出要输出的当前温度控制量，通过TLC5615进行D/A转换，最后获得模拟的电压量。而TEC的制冷量与电流成正比，所以还要添加一个TEC的驱动电路，将电压量转变为电流驱动量驱动TEC工作，达到温度控制的目的。同时单片机外加键盘输入的外设，可以更方便的对目标温度进行设定。