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基于单片机的半导体制冷片温度控制系统研究 摘要：近些年来，人类科学技术获得一定程度的发展，其材料的应用的出现一定的进步，半导体制冷材料是一种新兴的材料，基于此，本文结合实际论述了基于单片机半导体制冷片温度控制系统。 关键词；单片机；半导体；制冷片；温度控制 引言 现有制冷装置大多使用压缩机制冷技术，压缩机技术有一定的局限性，如低温启动困难、功率密度低、安装要求高、维护代价高等问题。半导体制冷技术采用电力电子线路和数字控制器技术，具有无制冷剂、机械组件少、体积小、可靠性高、控制精度高、电磁干扰小等优点。 半导体资源技术相对于传统的资源技术有着十分大的差别，尤其是其资源系统的工作原理与传统的制冷过程有着本质性的差别。由于半导体制冷系统具有制冷过程，无噪音制冷装置尺寸小，部署灵活等特点。近年来，半导体制冷技术得到了十分广泛的应用，对半导体制冷技术的相关研究及应用也越来越深入，应用覆盖面也越来越广。结合半导体制冷技术的特点及优势，应用半导体制冷技术来设计及实现小型恒温箱的温度控制目的，是一种十分优良的解决方案。在实现的应用过程中，也得到了很好的应用效果，从之前相关学者的研究情况也反应了这一特点。然而随着应用场合的不断延伸，对基于半导体制冷技术的恒温箱温度的控制精度要求也越来越高。为了能够设计高精度的基于半导体技术的恒温箱，需要对半导体制冷原理进行更为深入的研究及分析，建立更加精准的半导体制冷工作模型，才能够设计出符合用户需求的高精度的半导体制冷恒温箱。本文将通过对半导体制冷过程及工作原理进行深入分析和建模，设计一种基于半导体制冷技术的高精度制冷算法，满足高精度恒温箱的应用需求。 1、单片机介绍 单个微型的计算机的简称就是单片机（MCU）。单片机内部集合了CPU、RAM、ROM以及各种IO接口。单片机价格低廉，体积小，功耗低，但是功能却十分强大。目前主流的STM32以及ARM公司生产的A6和A7都属于单片机的范畴。只需要给单片机外部加上电源，并设置晶振电路和外部中断电路即可方便的实现对单片机的控制。单片机的最小系统构造简单，功能强大。可以实现强大的数据采集和书数据处理等功能。因而，目前在工业领域已经广泛的采用单片机作为电路的控制核心。 2、单片机的选型和传感器的选型 2.1、单片机的选型 单片机是整个控制系统的核心，是整个控制系统的中枢神经。在选择单片机的时候主要考虑到单片机的处理速度、数据储存能力、价格以及通信方式。经过综合考虑本文选用AT89C51作为本控制系统的主控芯片。AT89C51具有如下特点：拥有4KB的片内闪存以及128kb的程序存储器。AT89C51最高频率可以达到32Mhz，拥有8位数据处理能力，具有32个IO口以及两个定时器。3.2传感器的选型在市场上最为流行的温度传感器大部分都是来自DALLAS半导体公司生产的。本文采用DALLAS半导体公司生产的DS18B20作为系统的温度传感器。DS18B20是一款被广泛用于工业控制当中的智能温度传感器。DS18B20主要用在工业、军事、航天航空、医学等诸多领域。DS18B20将采集的温度转化成二进制代码，存储在自身的RAM当中，并且通过单线通信的方式将二进制传输给单片机或者其他控制核心。 2.2、温度检测的开发与应用 热电偶传感器是经常用到的传感器。这种传感器质优价廉，并且精度很高，与其他传感器相比，整体结构较为简单，但测量范围较广，且反应较快。但是，目前其所输出的信号比较脆弱，只能识别几毫伏到几十毫伏的电压，因此，一般在进行转换的时候，首先要对信号进行处理，然后通过放大倍数的电路来得意实现。一般情况下，运用热电偶调理模板来实现这项工作，是简单操作的途径。此外，在热点偶传感器的时候也可以采用冷不长的方法，也就是说，热电偶的问不读不在0的时候，其所输出电势会逐渐0。因此，这时要采取补偿的措施来纠正，以解决其他情况来修正处理，从而保证不变的温度。 2.3、单片机的温度控制系统的设计 2.3.1、温度控制系统的硬件 电路温度控制系统的硬件电路主要包括温度传感器电路、D/A转化电路、A/D转化电路、单片机最小系统电路、带通滤波电路、放大电路、以及一些电路多路开关电路和电磁阀控制电路等。当然为了实现不同的设计要求，仍然可以再单片机系统外围搭建不同的电路和不同的配置。例如可以用矩阵电路实现键盘控制、可以采用蜂鸣器实现温度的警报以及采用一些液晶显示模块将得到的温度显示在液晶显示屏上面。通过这些不同的外围模块可以更好的完善单片机温度控制系统5.2温度控制系统的软件开发温度控制系统的软件编写主要采用C语言来实现对单片机的控制。通过C语言可以实现单片机对温度的采集的频率的控制、实现温度的显示和控制等不同的功能。控制系统的程序主要包括主程序和子程序。主程序主要用来实现对单片机的初始化，以及对温度传感器的初始化设置（读温度、处理温度、存储温度）以及键盘跟液晶显示的初始化。主程序采用循环查询的方法来实现对温度的采集和控制以及温度的显示。主程序的主要作用是完成对温度的实时采集，并将传感器的二进制代码读入到单片机内，然后经过单片机处理后转化成十进制显示在液晶显示器上面。 2.3.2、系统调试和功能实现 在整机制作完成后进行系统调试，首先热电装置通电，系统处于待机状态，U2（LM7805）输出电压VCC为正常的+5V，这时绿色电源灯LED1发光，2位数码管显示“”，红色LED2（表示制热）和蓝色灯LED3（表示制冷）均不发光。通过控制按钮S1启动后整机开始工作，数码管显示初始量化功率显示为60，说明单片机工作正常。当工作开始后，按S2“功率+”键可以增大制冷/制热的功率值；按S3“功率-”键可以减少制冷/制热的功率；按S4来控制制冷片在制热（红灯LED2亮）、暂停（红、蓝灯均不亮）、制冷（蓝灯LED3亮）3种工作模式之间循环转换，说明H桥制冷/制热模式转换电路正常，制冷片能够实现制冷和制热功能，从而实现半导体制冷片对温度的控制。 3、如何实现温度控制 3.1、采用纯硬件闭环控制系统，纯硬件闭环控制系统拥有速度快的特点，但其可靠性和控制精度都比较低。此外，纯硬件闭环控制系统安装不便，线路复杂，要实现题目的要求难度比较大。 3.2、FPGA/CPLD或采用带有IP内核的FPGA/CPLD的方式这种方式的重点在于，采用FPGA/CPLD的方式，进行采集、显示等功能。有点在于其结构紧凑，可以实现复杂的控制，此外操作方便。但FPGA/CPLD成本比较高，且调试复杂。 3.3、单片微型计算机以及高精度温度传感器结合的方式首先采用单片微型计算机来完成控制系统以及信号分析，随后采利用搞极端的温度传感器来完成信号的采集。利用单片微型计和高精度温度传感器结合的方式，能够有效的避免前两种方法的缺点。因此，该文采用单片微型计算机进行对温度的控制。 4、温度控制系统结构 温度控制系统结构如图1所示。系统采用蓄电池供电，经过一级直流变换，将电压变换为合适等级为半导体制冷片供电，制冷片的冷面通过热交换器为容器内的液体降温。液体温度经过调理电路后送入MSP430单片机的ADC转换为数字量，经过数字PID程序计算出相应的占空比来控制DCDC变换器，从而实现对制冷片的控制。同时，通过MPS430单片机的IO接口对液晶显示电路进行读写，通过异步串行口与蓝牙模块进行通信，收取温度设定值以及发送当前系统温度值。 图1 温度控制系统结构 5、结语 随着科技的发展，半导体制冷技术已经在诸多领域得到应用，半导体制冷技术为我国经济建设的快速发展和环境保护做出了巨大贡献。单片机为核心元件，以半导体制冷片为制冷元件，开发了一套基于单片机的半导体制冷片温度控制系统。研究表明，该系统通过对有功率耗散的开关电源的单元电路等进行控制，从而控制的半导体制冷片工作状态（制冷/制热转换，功率大小可调），以达到测量并控制一些设备的温度，保证其正常工作的目的。该系统操作方便，工作安全可靠，能够满足整体性能要求，具有良好的应用前景和推广价值。 参考文献 袁梅,张利军,董韶鹏.基于半导体制冷器件的温度控制实验平台开发J.实验技术与管理,2010,12:73-76+89. 安卫超,宋晓莅.基于单片机的半导体