温度自动控制系统的设计.doc

毕业设计温度自动控制系统的设计内容摘要利用单片机技术、温度检测技术、温度控制技术等知识设计一个基于凌阳单片机控制的温度自动控制箱。系统采用温度采集装置ds18b20来检测盒内温度，采用驱动芯片l298n控制制冷片的运作，以凌阳spce061a单片机作为系统主控芯片，分析处理相关数据，并借用pid算法精确调整温度控制技术，单片机通过对测得的温度与要求的温度进行比较分析，然后驱动制冷片，调节盒内温度。用按键显示模块进行人机交互。本系统硬件配置合理，控制方案优化，实现了温度控制的全部功能，能精确测量温度，对温度控制量可以通过键盘在一定范围内任意设定。关键词单片机；制冷片；温度自动控制；驱动芯片abstractusing single-chip microcomputer, temperature detection technology, temperature control technology to design an automatic temperature control box based on single-chip microcomputer control temperature gathering devices ds18b20 is used to detect temperature of box in this system, drive chip l298n is used to control operation of refrigeration plate , lingyang singlechip spce061a is used as microprocessor control system to analyze and deal with data, while using pid algorithm precisely adjust control technology of temperature, using key display module to realize human-machine interaction.single chip adjust temperature inside the box by driving refrigeration plate after comparing temperature of measurement and requirement.the hardware configuration and control scheme of this system is reasonable,realizing the temperature control function fully with the ability of setting numerical value arbitrarily in certain limit by using keyboard.key wordssinglechip;refrigeration plate;thermostatic control;driving chip目 录1 绪论11.1 设计目的11.2 课题的研究现状和发展趋势11.2.1 课题的研究现状11.2.2 发展趋势41.3 设计要求51.4 设计方法61.5 设计内容72 模糊pid的控制原理82.1 pid控制技术82.2 模糊控制原理92.3 模糊pid控制的基本原理分析93 系统总体设计123.1 系统方案比较与选择123.1.1 控制模块123.1.2 温度检测模块123.1.3 制冷片模块133.1.4 制冷片驱动模块143.1.5 显示模块方案比较与论证143.1.6 电源模块方案比较与论证143.1.7 系统最终方案153.2 系统总体设计153.2.1 总体结构框图153.2.2 系统实现方法163.3 控制方法163.3.1 温度控制163.3.2 模糊pid控制164 硬件电路的设计174.1 主控模块的电路设计174.1.1 芯片介绍174.1.2 主控电路设计及端口分配194.2 制冷片驱动电路设计与实现204.3 键盘显示电路设计与实现214.4 温度检测电路设计与实现224.5 故障排除225 软件设计235.1 主程序说明及流程图235.2 温度检测设计及流程图235.3 制冷片驱动设计及流程图245.4 键盘显示程序设计及流程图256 系统测试266.1 测试仪器266.2 测试方法、步骤及注意事项266.3 测试结果267 结束语27参考文献28致 谢30附录a31附录c33附录d34附录e35附录f36附录g37i温度自动控制系统的设计1 绪论1.1 设计目的本设计利用单片机技术、温度检测技术、温度控制技术等知识制作一个基于凌阳单片机控制的温度自动控制箱，单片机通过对测得的温度与要求的温度进行比较分析，然后驱动制冷片，调节盒内温度。其涉及的知识面较广，涵盖了电子、机械、通信、软件学等领域。通过本次设计掌握一般自动控制系统的硬件（如电机驱动电路、放大比较电路、抗干扰电路），软件（如c语言、汇编语言），的设计原理及实现方法，能提高对系统设计的总体调试和整体把握能力，熟悉系统的开发安装调试过程，为今后的工作打下基础。1.2 课题的研究现状和发展趋势1.2.1 课题的研究现状在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度对于工业如此重要，由此推进了温度传感器的发展。传感器主要大体经过了三个发展阶段：模拟集成温度传感器。该传感器是采用硅半导体集成工艺制成，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。此种传感器具有功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有ad590、ad592、tmp17、lm135等；模拟集成温度控制器。模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有lm56、ad22105和max6509。某些增强型集成温度控制器(例如tc652/653)中还包含了a/d转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别；智能温度传感器。能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ate)的结晶。智能温度传感器内部都包含温度传感器、a/d转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(cpu)、随机存取存储器(ram)和只读存储器(rom)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(mcu)；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。近年来，在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展。工业生产中的电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中的温度量已成为工业对象控制中一种重要的参数，对它的测量与控制有十分重要的意义。随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，人们也迫切需要检测与控制温度。特别是在冶金、化工、机械、电气等各类工业中使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉。采用 mcs-51 单片机为核心的温度调节系统来对温度进行控制，广泛应用于社会生活的各个领域，是用途很广的一类工业控制系统。这类系统不仅具有控制方便、组态简单、灵活性大、成本降低，质量有保证和提高系统的可靠性等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。 随着时代的进步，控制技术也在不断地发展。尤其是计算机的更新换代，更加推动了控制理论不断地向前发展。控制理论的发展一般可分为三个阶段: 第一阶段时间为20 世纪40-60 年代，称为“古典控制理论”时期。古典控制理论主要是解决单输入单输出问题。主要采用传递函数，频率特性，根轨迹为基础的频域分析法。所研究的系统多半是线性定常系统，对非线性系统，分析时采用的相平面法一般也不超过两个变量，古典控制理论能够较好的解决生产过程中的单输入单输出问题。 这一时期的主要代表人物有伯德(h. w.bode)和伊文思(w.r.evans)。伯德于1945 年提出了简便而实用的伯德图法。1948 年伊文思提出了直观而又形象的根轨迹法。 第二阶段时间为本世纪60-70 年代，称为“现代控制理论”时期。这个时期，由于计算机的飞速发展，推动了空间技术的发展，古典控制理论中的高阶常微分方程可转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，即所谓状态空间法。这种方法可以解决多输入多输出问题。系统可以是线性的，定常的，也可以是非线性的，时变的。这一时期的主要代表有庞特里亚金，贝尔曼及卡尔曼等人。庞特里亚金于 1961 年提出了极大值原理;贝尔曼在1957 年提出了动态规划；1959 年，卡尔曼和布西发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即著名的卡尔曼滤波。 第三阶段时间为本世纪70 年代末至今，70 年代末，控制理论向着“大系统理论” 和“智能控制”方向发展。前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上的挖掘。“大系统理论”使用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案，总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。而“智能控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制其具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。 回顾控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了人类有机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能自动化时代。 温度调节系统是以温度为主要的控制变量。系统主要时通过温度传感器对工业现场的温度变化引起的其他物理量变化进行测量，然后通过电路转化成数字量转送到单片机中。在单片机对温度数据进行处理之后，根据用户的设定对加热电路或制冷电路进行控制，从而达到控制调节温度的目的。 大部分温度调节系统采用典型的负反馈式温度控制系统，其中数字控制器的功能由微型机算机实现。国外温度调节系统自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度调节系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。技术工艺，是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。随着我国温度自动控制器市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。了解国内外温度自动控制器生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器数字控制器，测量与变送装置以及执行器等，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：1、适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。2、能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。3、能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。4、这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。5、普遍温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。 6、温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。我国对模糊控制理论的研究与应用起步比较晚，然而发展很快，在各个领域取得了许多有影响的成果。诸如在模糊控制、模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊集合论、模糊模式识别等领域取得了不少有实际影响的结果。我国在温度等控制仪表业与国外的差距主要表现在如下几个方面：1、行业内企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不强，制约技术发展。2、商品化产品以pid 控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大。目前，国内企业复杂的及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表。3、仪表控制用关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外滞后。例如：在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验。1.2.2 发展趋势从市场角度看，目前社会上温度控制大多采用智能调节器，国产调节器分辨率和精度较低，温度控制效果不是很理想，但价格便宜，国外调节器分辨率和精度较高，价格较贵。我国的大中型企业将温度控制系统引入生产，可以降低消耗，控制成本，从而提高生产效率。嵌入式温度控制系统符合国家提出的“节能减排”的要求，符合国家经济发展政策，具有十分广阔的市场前景。自动控制是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是温度控制的重要形式。温度自动控制涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它的发展与上述学科发展密切相关。一方面，温度自动控制在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展；另一方面，温度自动控制应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的温度控制概念向广义的温度控制技术概念转移；从温度控制产业向解决工程应用方案业务的温度自动控制技术产业发展。温度自动控制技术的内涵已变为“灵活应用温度控制技术的、具有实在的多功能的智能化系统。”目前，温度自动控制技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、pc化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。1.3 设计要求基本部分要求:（1）温度可调节范围为535，最小设定分度为1。（2）具有温度显示功能，分辨率为0.1。 （3）当温度达到某一设定值并稳定后，盒内温度的波动控制在2以内。要求温度调控达到稳定状态时，必须给出声或光提示信号。（4）当设定的调节温差为15时, 要求达到稳定状态的调节时间小于等于3分钟，稳定状态下的温度波动在2以内。 （5）当温度达到某一设定值并稳定后，盒内温度的波动控制在1以内。 （6）当设定的调节温差为15时, 尽量减少达到稳定状态的调节时间，并要求超调量不超过3，稳定状态下的温度波动在1以内。 （7）能记录并实时显示温度调节过程的曲线, 显示的误差绝对值小于2。 （8）其他。 1.4 设计方法（1）设计控制核心：采用一片凌阳spce061a单片机作为系统主控芯片，单片机通过对温度采集器上的数值读取，并将其与输入的要求数据进行比较与处理，通过脉宽调制以控制制冷电路的制冷制热。采用凌阳spce061a单片机控制，不仅可以很好的完成各项设计要求，而且可以添加许多其他功能，增加系统的适用性与娱乐性。（2）设计温度检测装置：采用高精度电位器与摆锤等机械体自制完成传统的热敏电阻等一些测量温度的元件一般输出的是电压，要转化成控制需要用到的温度数据，需要一系列的外加电路，不仅会使制作成本变高，同时会使得硬件电路更加复杂。dsl8b20 温度传感器是美国dallas半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统传感器不同，ds18b20可直接将采集到的温度转换成数字信号，通过单条数据先串行发送出去。只要严格严格遵循其规定时序逻辑和脉冲间隔，就能舍去了同步时钟信号线，做到了器件引脚最少化，达到温度采集目的。（3）设计键盘显示装置：采用专用键盘显示芯片ch451完成。该设计完成的键盘显示，不仅可以完成系统设计要求，还可以大大降低系统负担，增加系统的实时性。（4）设计制冷片驱动装置：采用驱动芯片l298n，并由单片机产生脉宽调制控制其运作。l298n是st公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片，该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46v；输出电流大，瞬间峰值电流可达3a，持续工作电流为2a；内含两个h桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。（5）设计温度控制算法：温度控制是本系统中最为重要的部分，由于对控制温度达到有求的时间有要求，因此选择优良的算法十分有必要。本文中采用模糊pid算法，这样不仅可以大大缩短温度控制的时间，还可以使系统更加智能，更具特色。1.5 设计内容本人在设计中用单片机控制核心，温度检测装置，温度控制装置，键盘显示装置配以模糊pid算法来组成温度自动控制装置。单片机控制核心通过对测得温度与输入要求温度的比较处理，并根据此变化进行模糊pid运算后，产生相应脉冲控制制冷片的制冷制热。经考虑，本系统中还增加了键盘输入、温度显示等功能，不仅方便控制，而且还大大提高了系统适应性以及趣味性。2 模糊pid的控制原理2.1 pid控制技术pid控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、稳定性好及可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中，尤其适应于可建立精确数学模型的确定性系统。然而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应用常规pid控制不能达到理想的控制效果，而且在世界生产现场中，由于常规pid参数整定方法繁杂，其参数往往整定不良、性能欠佳，适应性差。针对pid控制器参数整定不易的局限，我们运用模糊数学的基本理论和方法来调整温度控制。常规pid控制器是一种线性控制器，其结构如图2.1所示。图2.1 常规pid控制器的结构图pid控制器将偏差的比例(p)、积分(i)、微分(d)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制算式如式(2.1)所示。error! no bookmark name given. (2.1)式中：为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。简单说来，pid控制器各校正环节的作用如下：比例环节：能及时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。积分环节：积分调节可提高系统的抗干扰能力，主要用于消除静差，提高系统的无静差度，适用于有自平衡性的系统。微分环节：微分环节能反映偏差信号的变化趋势。从而加快系统的动作速度，减小调节时间，从而改善了系统的动态特性。缺点是抗干扰能力差。2.2 模糊控制原理模糊控制(fuzzy control)是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊控制逻辑推理为基础的一种智能控制方法，从行为上模拟人的思维方式，对难建模的对象实施模糊推理和决策的一种控制方法，实际上是一种非线性控制。模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法，已经在工业控制领域、家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目的成效，引起了越来越多的控制理论的研究人员和相关领域的广大工程技术人员的极大兴趣。模糊控制算法的工作过程可以描述如下：微机通过中断采样获取被控制量的精确值，将此量与给定值比较得到误差信号e，一般选误差信号e作为模糊控制器的一个输入量。把误差信号e的精确量进行模糊化变成模糊量，误差e的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到误差e的模糊语言集合的一个子集e(e是一个误差e的模糊矢量)，再由e和模糊关系r根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u，即u=er。2.3 模糊pid控制的基本原理分析模糊控制是以模糊数学及模糊逻辑为基础的一种计算机控制，是一种非线性的智能控制。与其他经典控制过程相似，它一般由输人量(模糊化)、控制器(模糊控制算法)，输出量(去模糊化)、被控对象等部分组成。在一个控制系统中，一般最易为人所观察到的就是被控过程的输出变量及其变化率。因此一般模糊控制器以误差和误差变化率作为输入变量，以被控过程的输出y作为输出变量。由专家经验知识获得输入和输出之间的模糊推理规则表，而规则表是由模糊语言进行描述的。然后根据输入模糊变量误差和误差变化率查询模糊规则表并根据一定法则进行计算得出模糊输出变量，经过解模糊后输出精确量，从而达到控制系统的目的。模糊pid控制是近年来应运而生并逐步发展起来的一种新型的智能pid控制方法，它将模糊控制和pid控制两者结合起来，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有pid控制精度高和易于实现的特点。这种fuzzy-pid复合型控制器，无论对复杂控制系统还是高精度伺服系统都具有良好的控制效果。模糊控制器在控制过程中，以语言描述人类知识，并把它表示成模糊规则或关系。通过推理利用知识库把某些知识与过程状态连接起来决定控制行为。模糊pid控制器可称为变参数pid控制器，而参数变化则根据模糊推理规则变化。根据模糊pid控制器设计原理。设计配料模糊pid控制器，控制器的输人为被控量(物料质量)的误差e和误差的变化率ec，输出被控量u(t)，模糊控制器的组成主要由模糊化、规则推理、去模糊化3个步骤组成，见图2.2虚线部分。经换算处理后可得增量式pid控制算法： （2.2）式中：t采样周期，k某一采样时刻，、被控量的偏差、偏差变化率，、pid的比例、积分、微分增益。、的变化范围分别在，和，之间，这个范围根据经验和试验决定。根据有关资料和实验结果，其中、比例控制下的增益和振荡周期。数字pid控制要求采样周期比被控对象的时间常数小得多。采样周期越小，控制效果越接近于连续控制。但采样周期的选择是受到各方面因素影响的，香农采样定理给出了采样周期的上限： （2.3）其中：为采样信号的上限频率，采样周期的下限为计算机执行控制程序和输入输出所需要的时间，系统的采样周期只能在下限与上限之间选择。这里采用、2个参数来推理pid的3个参数，该方法简单，易于实现。为便于寻找模糊推理规则和反模糊化，对各参数、采用了归一化处理。即 （2.4） （2.5）且由控制器中、之间的关系：，可得出。很显然，若确定了、和就可以得出： （2.6） （2.7） （2.8）图2.2 配料模糊pid控制结构3 系统总体设计3.1 系统方案比较与选择对本系统来说，重点在于温度的检测和控制，难点在于制冷片驱动电路。系统实现的方法是单片机通过对温度采集器上的数值读取，并将其与输入的要求数据进行比较与处理，通过脉宽调制以控制制冷电路的制冷制热。要实现本系统的要求，系统可划分几个模块：控制器、温度检测、制冷片驱动、键盘显示、电源、温控箱。针对以上这些模块分别提出几种方案以供选择。3.1.1 控制模块单片机是本系统的控制核心，其性能的优劣将从根本上影响整个系统的性能。由于系统要求采用凌阳系列单片机完成，经综合考虑后选用凌阳16位单片机spce061a实现本系统。凌阳spce061a单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由空间大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低，体积小，技术成熟和成本低的优点，使其在各个领域应用广泛。针对本系统，特提出以下两种方案以供选择：方案一：采用单凌阳spce061a单片机作为系统的控制器。由于本系统的主要工作量在于温度信号的检测、处理、控制等方面。由单片机完成的工作是温度变化产生的电压值的检测及处理并控制温度变化，还有按键显示的处理。所以用一块spce061a单片机完全能达到系统的要求，并且节省了系统资源，提高了整个系统的稳定性。方案二：采用双凌阳spce061a单片机作为系统控制器。两块单片机分工协作，各自完成各自的功能，单片机之间可以并行通行。但是这样浪费了系统资源，增加不必要的成本。综合上述，采用方案一。3.1.2 温度检测模块温度检测是实现温度自动控制的的重要部件，它的选择影响整个系统的性能。根据系统要求，有以下两种温度检测设备可供选择：方案1：采用常见的感温原件热电偶或热电阻，它们的主要优缺点是：热电偶价格便宜，但精度低，需冷端补偿，电路设计复杂；热电阻精度较高，但需要标准温度电阻与之匹配才能使用。方案2：采用ds18b20，它是美国dallas公司推出的单总线数字测温芯片。它具有独特的单总线接口方式，仅需使用1个端口就能实现与单片机的双向通讯。采用数字信号输出提高了信号抗干扰能力和温度测量精度。可以通过编程实现912位的温度转换精度设置。ds18b20测温范围为55+125。但在方案1中，热电偶或热电的缺点是精度低，需冷端补偿，电路设计复杂。而它具有独特的单总线接口方式，仅需使用1个端口就能实现与单片机的双向通讯。采用数字信号输出提高了信号抗干扰能力和温度测量精度。可以通过编程实现912位的温度转换精度设置。所以采用方案2更加满足题目要求。3.1.3 制冷片模块方案1：制冷片tes1-03901t125最大温差为67，最大温差电流1a,最大温差电压4.7v。方案2：制冷片tec1-127-06,最大温差大于 65，最大温差电流6a，最大温差电压 15.4v，最大致冷功率 51.4j/s，空气比热容为 1.300758j/(l*),木盒体积为100mm100mm100mm=1l。木盒内温度上升或下降15所需热量 q 为： 1.300758j/(l*) 1l15=19.5125j 。理想情况下，以上制冷片工作在最大致冷功率，可以达到题目中的要求，但是由于木盒保温效果不理想，制冷片不可能完全工作在最大制冷状态，而且存在一定的功率损耗，实际制作中先选择了致冷功率较大的 tec1-127-06 进行实验，发现其相对于保温效果不理想的木盒，其制冷量并不多余。以上两种制冷片中，tec1-127-06 型比另外一种型号的主要性能参数（最大温差电流、最大温差电压、最大致冷功率）都较大，所以其耐用性较好。考虑到成本相差不大，而且 tec1-127-06 制冷功率比其它两种制冷片功率大，所以选用tec1-127-06。3.1.4 制冷片驱动模块方案1：采用专用芯片l298n作为制冷片驱动芯片。l298n是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片l298n可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。方案2：采用场效应管组成的h 型 pwm 电路。此电路由四个大功率场效应管组成 h 桥电路构成。四个场效应管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制场效应管使之工作在开关状态，根据调整输入控制脉冲占空比来调整制冷片的功率。方案2能灵活的实现制冷片工作在冷热状态的切换，但是不易实现滤波。方案1可以利用继电器来实现冷热的切换，且滤波电路简单。因此选用方案二。3.1.5 显示模块方案比较与论证方案1：采用ch451芯片驱动led数码管显示。ch451是专用键盘、显示接口扩展芯片，它能自动完成键盘输入和显示控制两种功能，可与64个按键的矩阵键盘连接并可驱动最多16位led数码管显示。采用该芯片驱动led数码管显示的特点是占用控制器资源少且可连接键盘，便于信息输入。但是不满足需要大量显示系统信息的要求。方案2：采用ch451芯片驱动12864类型液晶显示。该模块功耗低，接口方式灵活，操作简单方便，可构成全中文人机交互图形界面。不仅可以显示84行1616点阵的汉字，还可以完成图形显示，并且能降低软件的负担，提到系统的实时性。比较方案1与方案2，采用ch451芯片驱动12864类型液晶可大量显示系统信息，因此采用方案2。3.1.6 电源模块方案比较与论证方案1：采用12v蓄电池变压后为系统供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电池的在位移检测装置上使用极为不方便。方案2：采用稳压源提供5v，为单片机、信号检测电路及直流电机供电。稳压源可以提供多种不同的电压，而且产生的电压稳定。制冷片的驱动需要大功率电源提供，所以系统设计采用与制冷片tec1-127-06配套的专用的大功率电源。采用此种供电方式后，单片机和各部分电路工作稳定，易于安装，能够满足系统的要求。综上所述，在电源模块采用方案2。3.1.7 系统最终方案经过反复比较与论证，最终确定了如下方案：（1）采用凌阳单片机spce061a作为控制核心；（2）采用ds18b20作为温度检测器件；（3）采用双电源分别供电；（4）采用数码管显示；（5）采用专用芯片l298n作为制冷片驱动芯片；（6）采用型号为tec1-127-06的制冷片。3.2 系统总体设计 3.2.1 总体结构框图根据以上方案分析，设计系统总体结构方框图如图3. 1。图3.1 系统方框图系统通过凌阳单片机对温度检测电路所检测到的温度与键盘所输入的要求温度的对比与处理，产生相应的脉冲以控制驱动制冷片驱动电路，合理调节制冷片的制冷制热。其中l298n为制冷片提供驱动，ds18b20作为温度检测电路的接收器。从单片机上实现温度的精确调控以及信号提示，通过led显示温度。使得本设计更趋智能化，人性化。3.2.2 系统实现方法系统实现的方法是单片机通过对温度采集器上的数值读取，并将其与输入的要求数据进行比较与处理，通过脉宽调制以控制制冷电路的制冷制热。最终实现对盒内温度的自动控制。3.3 控制方法3.3.1 温度控制制冷片驱动采用l298n驱动芯片加pwm脉宽调制，当单片机输出信号脉宽不同时制冷片接收的功率不同。使得制冷片能按照要求做出制冷或制热动作，从而实现调节箱内温度的目的。3.3.2 模糊pid控制温度控制采用模糊pid计算，模糊pid控制设计思想是先找出pid算法（如公式1）三个参数与偏差e和偏差变化率e之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和计算e，再根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改以满足在不同e和e时对控制器参数的不同要求，从而使被控对象具有良好的动、静态性能。 （3.1） 其中kp为比例系数、ki积分系数、kd为微分系数。4 硬件电路的设计系统硬件部分主要由单片机控制核心、制冷片驱动电路、键盘显示电路、温度检测电路等组成。其中制冷片驱动电路的作用是驱动制冷片工作以调节盒内温度；温度检测电路用来检测盒内温度；键盘显示接口电路完成数值输入、温度显示的功能。4.1 主控模块的电路设计4.1.1 芯片介绍随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（dsp，digital signal processing）等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的，它的cpu内核采用凌阳最新推出的nsptm（microcontroller and signal processor）16位微处理器芯片。围绕nsptm所形成的16位nsptm系列单片机（简称nsptm家族）采用的是模块式集成结构，它以nsptm内核为中心集成不同规模的rom、ram和功能丰富的各种外设接口部件。nsptm内核是一个通用的核结构。除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。nsptm家族有以下特点:（1）体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展nsptm家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求。（2）具有较强的中断处理能力nsptm家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。（3）高性能价格比nsptm家族片内带有高寻址能力的rom、静态ram和多功能的i/o口。另外，nsptm的指令系统提供具有较高运算速度的16位16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了dsp功能，使得nsptm家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的dsp芯片廉价。（4）功能强、效率高的指令系统nsptm指令系统的指令格式紧凑，执行迅速，并且其指令结构提供了对高级语言的支持，这可以大大缩短产品的开发时间。（5）低功耗、低电压nsptm家族采用cmos制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。另外，nsptm家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电，这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。spce061a 是继nsptm系列产品spce500a等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器，其cpu能在2.43.6v内工作，使用pll锁相环将实时时钟基频(32768hz)倍频，调整至49.152mhz、40.96mhz、32.768mhz、24.576mhz或20.480 mhz，再经过分频得到cpu时钟频率，以满足不同处理速度要求；具备包括定时器a / b、时基、2个外部时钟源输入等14个中断源，拥有触键唤醒、声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器、自动增益控制(agc)、低电压复位(lvr)和低电压监测(lvd)、watchdog和保密能力等功能；内置在线仿真电路ice（in- circuit emulator）接口，2k字sram、32k flash，使用凌阳音频编码sacm_s240方式，能容纳210秒的语音数据；拥有2个16位可编程定时器/计数器、2个10位dac(数-模转换)输出通道、7通道10位电压模-数转换器(adc)和单通道声音模-数转换器、32位通用可编程输入/输出端口。spce061a强大的功能及特性使得它在家用电器、仪器仪表、工业控制、通讯产品、医疗设备、保健器械、体育健身产品、电教设备、语音识别等各个方面应用广泛。其结构如图4.1所示。图4.1.1 spce061a的结构4.1.2 主控电路设计及端口分配系统采用双凌阳spce061a单片作为主控模块，其电路方框图如图4.2所示，主单片机通过iob4iob7控制电机，ioa1ioa6用于查询寻线模块接口状态；从单片机的ioa0，vrt分别接到角度测量模块的out与vcc端，ioa4向主单片机传输中断，iob8iob11向主单片机发送状态标志量，语音播报模块从sph、spl脚输出，iob2和iob3对路程计算模块进行中断计数。从单片机的ioa8ioa15，iob12iob15接到键盘显示模块。主单片机通过ioa6ioa7控制制冷片驱动， iob15向主单片机发送检测到的温度，即用于连接温度检测电路。从单片机的ioa12ioa15,iob3接到键盘显示模块，系统主控模块的电路方框图如图4.1所示。图4.1.2 系统主控模块的电路方框4.2 制冷片驱动电路设计与实现制冷片驱动电路采用l298n驱动芯片，l298n是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它响应频率高，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。该电路的原理图如图4.2所示。图4.2 制冷片驱动电路4.3 键盘显示电路设计与实现 在本设计中，采用了专用的键盘、显示接口扩展芯片ch451。利用该芯片构建了4x4的矩阵键盘以及液晶显示电路，在本设计中要求使用键盘输入位移的预定值，同时使用液晶显示可以全面的显示系统信息，提高了系统人机交互能力。ch451是以硬件实现的多功能外围芯片，使用串行接口，支持显示驱动和键盘扫描以及p监控，外围元器件极少用硬件实现，串行接口、显示驱动、键盘扫描、p监控之间相互独立不受干扰，串行接口的位时钟能够支持到10 mhz，数据传输速度比辅助单片机方案提高40倍，即使主控单片机频繁操作也完全不会影响显示驱动和键盘扫描以及p监控；串行接口以硬件实现，不需要时钟；而显示驱动和键盘扫描使用约0.75 mhz的全内置主时钟多次分频后的扫描时钟，所以在工业现场不易受到干扰。即使受到强干扰，也能够在干扰后立即正常工作，不会影响串行接口、显示驱动和键盘扫描的后续操作，并内置看门狗电路，其电路图如图4.3所示。图4.3 键盘显示电路4.4 温度检测电路设计与实现 采用 to-92封装的 ds18b20 有3 个引脚, 其外观形状跟普通三极关非常类似，如图4.4 图4.4 to-92封装的ds18b20图gnd为电源地，dq为数字信号输入/输出端，vdd 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。由于外部电源供电方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，电路简单，是 ds18b20 较好的工作方式.，因此采用外部供电方式如图4.5图4.5 ds18b20外部电源供电接法4.5 故障排除在一次调试中，发现制冷片不能制冷，采用各个模块分开排查的方法，最终发现在我们制作的l298n驱动模块上有一个二极管因为电路短路造成二极管短路。更换一个二极管，重新上电，制冷片正常工作，故障排除。5 软件设计采用unsp ide集成开发环境，c语言编写程序。所有的软件程序都在该开发环境中编译通过。采用模块化的设计方法，系统主要功能模块有：主程序模块、温度检测模块、制冷驱动模块、模糊pid控制模块、键盘显示模块等。5.1 主程序说明及流程图通过ds18b20对盒内温度的检测，单片机获得盒内温度信号，并显示所测得的温度值，设定温度，主程序通过比较检测所得的温度值和输入温度值来合理控制制冷片驱动，同时检测盒内温度是否达到预定值，如果没有达到，则继续控制制冷片驱动，若达到了预定值，则检测温度控制是否稳定，若稳定则显示曲线，若不稳定则调用pid调整直至稳定。主程序流程图如图5.1所示。5.2 温度检测设计及流程图初始化ds18b20，发送序列号，然后发送温度转换命令，单片机读取数据并将所得数据转换为数字表示的温度值。程序流程图如图5.2所示。图5.2 温度检测控制流程图图5.1 主程序流程图5.3 制冷片驱动设计及流程图本系统中对温度控制的稳定性采用pid控制，将检测所得温度值与设定值比较，若小于误差则停止制冷片工作，若大于误差值则使用模糊处理并调用pid参数，通过pid计算控制制冷片工作。其流程图如图5.4所示。图5.3 pid控制流程图5.4 键盘显示程序设计及流程图在本系统中，键盘显示采用了专用键盘、显示接口扩展芯片ch451，它具有自动完成键盘输入和显示控制两种功能，有专门的指令及读写时序。其键盘扫描与显示的流程图分别如图5.4.1、图5.4.2所示。图5.5.1 键盘扫描流程图 图5.5.2 显示流程图6 系统测试6.1 测试仪器主要测试用仪器有数字存储示波器ads820c、数字温度计、万用表、自制温度自动控制装置。6.2 测试方法、步骤及注意事项测试方法：启动装置，将屏幕显示温度数值与数字温度计上的测量数值比较。设定温度值，保持数字温度计对盒内温度的监测，记录下稳定状态下的显示数值，将其与输入温度进行比较，并记录下达到稳定状态的时间。6.3 测试结果为了能够更准确的测量数据，我们对温度采集模块进行了6次检测，对温度控制模块进行了6次检测,详细测试数据如表6.1、表6.2。表6.1 温度采集检测数据表t1（）t2（）t3（）t4（）t5（）t6（）显示值9.635521.957实际值9.834.65.121.25.37.5误差0.20.40.10.70.30.5表6.2 温度控制检测数据表w1w2w3w4w5w6设定温度9.834.65.121.25.37.5稳定时间58s70s46s68s30s40s波动0.90.70.71.00.30.8超调量1.10.90.81.50.70.9通过检测，温度采集装置和温度控制装置都能较好的工作。7 结束语通过对测试数据进行分析对比可以得出，本设计完全实现了系统的全部基本要求，将大学四年所学知识真正运用到了实践中去，不但熟悉巩固了以往所学，更在不少地方有了新的领悟与创新，使自身的理论知识与实践能力得到了相互促进，极大的提高了自己的综合能力。虽然系统完成的比较好，有很多可取的地方，