1、 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）题目及专题： 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
2、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及实例 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
3、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）及要求： (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，方案选择及确定，设计过程及参数计算，软件流程图及源程序，调试 方法及步骤，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，
4、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
5、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。采用半导体制冷片的温控系统主要实现对目标系统的温度恒定作用，采用 S
6、TC15 系列单片机作为核心处理器，单片机接收温度传感器的反馈信号，通过内部 PID控制算法处理，输出一定占空比的 PWM信号，然后经过功率驱动电路驱动半导体制冷片制冷，最终 实现 对目标 系统温度恒定的控制目的。 系统能通过液晶显示模块实时显示当前温度值，能通过语音播报温度值，也能通过键盘设置所需温度值，使系统能适应于不同的应用场合。 关键词 ：单片机；半导体制冷；温度控制； PID； PWM ABSTRACT With the continuous development of industrial technology and related areas of demand, for p
7、roducts and equipment operating temperature more and more demanding requirements, and for the miniaturization of equipment or device temperature control, semiconductor cooler because of the no mechanical moving and does not require a chemical refrigerant, no pollution, small volume and can change sh
8、ape, etc., in the miniaturization of the device temperature control field is playing a more and more important role. The temperature control system of semiconductor refrigeration piece mainly to achieve the objectives of the system of constant temperature effect, using stc15 Series MCU as the core p
9、rocessor, MCU receives the feedback signal of the temperature sensor, through internal PID control algorithm to deal with, the output must account for a duty cycle of the PWM signal, and then through the power drive circuit to drive the semiconductor refrigeration piece of refrigeration, and ultimat
10、ely achieve the goal of target system of constant temperature control. The system can display the current temperature value through the liquid crystal display module, can broadcast the temperature value through the voice, also can set the desired temperature value through the keyboard, so that the s
11、ystem can adapt to different applications. Key words: Single-chip Microcomputer； Semiconductor refrigeration； Temperature control；PID； PWM i 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 课题研究意义 . 1 1.2 采用半导体制冷技术的温控系统的研究现状及发展 . 1 1.3 半导体制冷工作原理 . 2 1.4 课题主要研究内容 . 2 第二章 半导体制冷温控系统总体方案设计 . 3 2.1 半导体制冷温控系统的组成框图和参数指标 . 3 2.2 半导体制冷片
12、的选择 . 3 2.3 温度传感器的选择 . 4 2.4 单片机的选择 . 4 2.5 温控算法的选择 . 4 2.6 语音芯片的选择 . 5 第三章 半导体制冷温控系统硬件设计 . 6 3.1 系统硬件框图 . 6 3.2 温度传感器 DS18B20 电路设计 . 7 3.3 半导体制冷片驱动电路设计 . 8 3.4 键盘输入设计 . 9 3.5 液晶显示输出设计 . 9 3.5.1 字符型 LCD1602 概述 . 9 3.5.2 LCD1602 与单片机的接口 . 11 3.6 实时时钟模块设计 . 11 3.7 语音播报模块设计 . 12 第四章 半导体制冷温控系统的软件设计 .14
13、4.1 系统主程序设计 . 14 4.2 温度检测程序设计 . 15 4.3 温控算法程序设计 . 18 4.4 温度设定与显示程序设计 . 19 4.4.1 温度设定程序设计 . 19 4.4.2 温度显示程序设计 . 20 4.5 时钟模块程序设计 . 20 4.6 温度语音播报程序设计 . 21 第五章 系统调试 .23 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） ii 5.1 软件开发环境 . 23 5.2 PID 参数整定 . 23 5.3 调试结果 . 25 第六章 结论 .26 参 考 文 献 .27 致 谢 .28 附录 A：系统原理图 .29 附录 B： PCB 图 .30 附录 C
14、：元器件清单 .31 附录 D：实物图 .33 附录 E：主程序 .34 湖南科技大学本科生毕业设计（论文） - 1 - 第一章 绪 论 1.1 课题研究意义 基于环境友好、无污染、低噪音、安全可靠的产品要求以及热电材料快速发展的背景下，一种以帕尔贴效应为主要理论基础的新型制冷方式 半导体制冷（亦称温差电制冷或热电制冷），逐渐被人们所关注和研究，并且正在逐步走入我们的日常生活。半导体制冷的优点：（ 1）噪声小 ；（ 2）安装方便；（ 3）可以根据所需改变形状，使用于某些特殊需要的场所，如应用于微型化设备或是器件的温度控制方面，十分方便；（ 4）不用 化学制冷剂，绿色无污染；（ 5）半导体制冷速
15、度比较快，反应快。半导体制冷的工作性质：（ 1）无机械运动；（ 2）在小空间范围内 ， 制冷或制热的 速度 快 ， 效果比较好 ， 时间比较短；（ 3）利用相关的电路控制 ， 如采用 H桥电路可以实现半导体制冷器的冷端和热端的迅速转换；（ 4）半导体制冷片通过 改变 输入电流或电压大小，能够实现对 制冷片 功率的自动控制；（ 5）半导体单个制冷功率 较 小，但是可以通过串联或并 联的方式 增大 半导体制冷的功率 1。 在温度控制技术中，主要有吸收式制冷，压缩机制冷等，然而上述的几个制冷方式，在一些 微 型 化 设备或器件中要实现制冷，却难以实现对既定目标的温度恒定进行精确的自动控制。随着微型电
16、子技术的高速发展 ， 微型电子器件运用得越来越广泛 。 然而很多电子元器组件一旦温度过高会影响其性能，为 保持良好的 性能要求在恒温或者是在低温的条件下工作。 而且 电子元器件的体积一般都比较小 ， 而半导体制冷 片 能够根据电子器件的具体大小改变形状 ， 十分便利。半导体制冷片，通上足够的直流电就能立马制冷，制冷功率适合于小功率 设备 ，并且通过调节半导体制冷片的输入电流从而调节输出功率，能够使微型元器件保持在稳定的工作环境，保护其电路结构，确保其稳定工作。 半导体制冷技术对于一些温度可调且制冷功率不高的场所十分适用，如微型化设备或器件的 温度控制 。 鉴于微型化设备或器件的温度控制需求以及
17、半导体制冷技术的不断发展，半导体制冷技术用于微型化温度控制有着充足的现实意义，因而提出了本研究课题。 1.2 采用半导体制冷技术的温控系统的研究现状及发展 自 19 世纪初伊始，塞贝克和帕尔帖发现温差电流现象，热 电制冷正式进入人们视野。然而 19 世纪 50 年代前，由于转化效率很低很低，半导体制冷技术一直停滞不前，直至 19 世纪 50-80 年代，由于半导体材料的发现，转化效率 得到很大 提高。到了 19 世纪 80 年代以后，特别是地球环境持续遭到破坏，半导体制冷，无污染，受到各国的青睐 。 国外在采用半导体制冷技术用于温度控制方面，起步早，经验较为丰富。西方发达国家的半导体制冷技术已渗透到军用 、 民用 、 医用等各个领域。如德国的 Micropelt 公
