毕业设计（论文）-基于太阳能的微型制冷控制系统研究.doc

2011届毕业生毕业论文题 目: 基于太阳能的微型制冷控制系统研究 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 电气0702 学生姓名： XXX 学 号： XXXXXXXXXX指导教师： XXXXXXX 教师职称： 教授 2011年 5 月 26 日III摘 要低温储粮是保证粮食长期储藏品质的重要方法，已经成为粮食储藏技术的一个发展方向。但是低温储粮需要消耗大量的能源，对于附加值很低的粮食储藏企业来说是难以接受的。另外，随着人类社会的日益发展，人类对能源需求的急剧增加，世界能源危机日渐突出，太阳能作为一种主要的清洁能源已经受到世界各国的普遍重视。本文设计了一种基于太阳能的低温制冷系统，以满足粮食储藏企业投入成本低、运行成本低的要求。本设计以太阳能光伏电池板提供能量来源，以低成本半导体制冷片TEC1-12706作为制冷单元，系统通过开关制冷片个数来达到控制制冷量的目的。系统以STC12C5A08S2单片机为核心，采用温度传感器DS18B20来检测粮库的温度，单片机读取温度值后与设定值比较，并采用PID 算法，控制多个电子制冷片的通断，进而控制粮库的温度。外围电路主要有数码管显示电路，电子制冷片的驱动与开关控制电路等。系统具有体积小、重量轻，价格低等优点。关键词： 太阳能；单片机；半导体制冷Title Solar-basedcontrol System ofmicro-cooling AbstractLow-temperature grain storage is to ensure the long-term storage quality of food, an important method of grain storage technology has become a development direction. But the low-temperature grain storage requires large amounts of energy, food storage for the low value-added businesses, is unacceptable. In addition, with the increasing development of human society, human beings sharp increase in demand for energy, highlighting the growing world energy crisis, solar energy as a major clean energy has been widespread attention around the world. This paper presents a low-temperature refrigeration system based on solar energy to meet the grain storage businesses to invest in low cost, low operating cost requirements.The design of solar photovoltaic panels to provide energy sources to low-cost semiconductor cooling piece TEC1-12706 as a refrigeration unit, cooling system piece by the number switch to the purpose of cooling capacity to control. STC12C5A08S2 microcontroller as the core system, using the temperature sensor to detect the grain depots DS18B20 temperature, the microcontroller reads the temperature value compared with the set value, and using PID algorithms, control multiple pieces of electronic cooling off, then control the grain depots in the Temperature. Peripheral circuits are digital display circuits, electronic chip cooling the drive and switch control circuit. The system is small, light weight and low price.朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典Keywords :Solar-energy ;MCU; Semiconductor cooling目 录1 绪论11.1 课题设计背景和目的11.2 太阳能制冷国内外研究状况和发展趋势21.2.1国外的发展概况21.2.2 国内的发展概况21.2.3 太阳能制冷的研究21.3太阳能制冷的方式及意义31.4设计的框图及内容42 硬件设计中主要器件选型52.1单片机52.2 电子制冷片62.2.1 电子制冷片简介62.2.2 制冷片的选择72.2.3 制冷片的散热82.3 太阳能光伏电池82.4 温度传感器93 系统硬件设计113.1系统总体硬件设计方案113.2 驱动电路设计133.3 温度检测133.4 系统供电电源设计143.5 温度显示153.6 复位电路164 系统软件设计184.1 温度控制PID算法184.2 温度采集显示程序204.3 系统主程序215 程序代码23结 论29致 谢30参 考 文 献311 绪论1.1 课题设计背景和目的在粮食储藏中，粮仓里的环境温度是很重要的保证条件，粮食低温储藏就是利用自然低温条件或机械制冷设备，降低仓内储粮温度，并利用仓房围护结构的隔热性能，确保粮食在储藏期间的粮堆温度维持在低温(15)或准低温(20)以下的一种粮食储藏技术。低温储粮可以有效减缓粮食品质劣变，抑制虫霉的生长繁育，减少粮食营养损失，减少化学药剂的使用，达到绿色储粮的目的。低温储藏作为我国粮食储藏工作中一项带有方向性、重要性的技术措施，是当前绿色储粮技术推广的首选方法。低温储粮技术中，冷源的选择极其关键。当前的低温储粮主要有机械压缩式制冷和天然低温储粮。但前者电能消耗大，运行成本高，停机后粮仓内温度容易回升；后者利用天然低温资源如自然通风降温、深井水降温等，虽然费用低廉，但可利用的时间短，达不到满意的制冷效果，不能大量实施。二者均难以满足绿色储粮“高质量、高效益、低能耗、低污染”的发展要求。因此，低温粮仓新冷源的研究与应用必然具有广阔的前景。随着社会生产活动的日益发展，人类对能源需求的日益增加，世界能源危机日益突出，开发利用太阳能等清洁能源已经成为各国的一个基本共识。太阳能作为一种取之不尽，用之不竭的清洁能源，越来越受到人们的重视。我国太阳能资源比较丰富，大部分地区日照充足，能满足低温粮仓的制冷能量消耗。太阳能空调的最大优点在于，冷负荷的需求与太阳能的供给能够保持一致性：当天气越热、太阳辐射越强的时候，冷负荷的需求越大。采用太阳能微型制冷系统，即可以达到粮仓低温效果，又能减少运行成本，同时符合国家提出的节能减排的要求。1.2 太阳能制冷国内外研究状况和发展趋势粮仓的低温储藏包括自然低温储藏和机械压缩式制冷。在绝大部分地区，冬季可利用自然冷源（干冷的环境空气）对仓储粮食进行充分冷却。然而，随着夏季的来临，受太阳辐射及环境温度的影响，仓内粮食温度逐渐回升。进行低温储粮须在高温季节采用制冷设备对储粮进行降温或抑制粮温回升。1.2.1国外的发展概况国际上，德国工程师于1917年首次提出利用机械制冷进行低温储粮的概念。1958年成功地开发了机械制冷低温储粮专用设备“粮食冷却机”，并开始投入工业化生产。在美国，从上世纪50年代末期开始机械制冷低温储粮的研究。从1959年至1970年间，德克萨斯、依利诺、印地安那、内布拉斯加等州陆续进行了高水分玉米和高粱的冷却低温储粮试验。Hunter等人在澳大利亚积极推广使用机械制冷设备低温储藏小麦以减少或避免化学药剂熏蒸。此外，东南亚的泰国等也进行了机械制冷低温储粮技术的应用研究。在日本，上世纪70年代低温仓容已达140.9万吨，准低温仓容约83.5万吨。至1990年，机械制冷低温储粮技术已在世界上50多个国家和地区使用，每年采用此技术储藏的粮食约20002500万吨。1.2.2 国内的发展概况国内，在国家“九五”科技攻关计划项目“机械制冷低温储粮技术资助下，国家粮食局科学研究院在学习和借鉴国外先进技术的基础上，于1998年研制成功了国内首台谷物冷却机。自1998年以来，国务院大力开展粮食仓储基础设施建设，分三批建设了500亿公斤仓容的国家贮备粮库，在这些新建成的国家储备粮库里配置了国产的谷物冷却机装备。1.2.3 太阳能制冷的研究随着对太阳能的大力开发和应用，太阳能制冷技术也有了相应的进展。实现太阳能制冷有两条途径：(1)进行太阳能光电转化，以电能制冷。(2)进行太阳能光热转换，以热能制冷。太阳能热电制冷主要包括太阳能吸收式制冷及太阳能吸附制冷。国内外关于光热制冷的研究很多，但是由于太阳能光热制冷技术要求高，造价成本高，因此在粮仓制冷应用中普及率很低。近几年，太阳能光伏转化效率有了很大的提高，而成本在逐渐降低，因此，太阳能光电制冷的应用前景会相当广阔。1.3太阳能制冷的方式及意义随着人们节能和环保意识的加深，开发新能源和可再生能源已经成为许多发达国家和发展中国家21世纪能源发展战略的基本选择。太阳能就是一种可再生清洁能源，长期以来一直受到科学家的研究和重视。在太阳能的利用中，太阳能制冷空调是一个极具发展前景的领域，也是当前制冷技术研究中的热点。太阳能制冷具有以下几个优点。首先是节能，据统计，国际上用于民用空调所耗电能约占民用总电耗的50%。而太阳能是取之不尽，用之不竭的。太阳能制冷用于空调，将大大的减少电力消耗，节约能源；其次是环保，根据蒙特利尔议定书,目前压缩式制冷机主要使用的CFC 类工质因为对大气臭氧层有破坏作用应停止使用(美、欧等已停止生产和使用)，现在各国都在研究CFC 类工质的替代物质及替代制冷技术。太阳能制冷一般采用非氟氯烃类物质作为制冷剂，臭氧层破坏系数(ODP) 和温室效应系数(GWP) 均为零，适合当前环保要求，同时可以减少燃烧化石能源发电带来的环境污染。利用太阳能致冷与一般电力致冷的基本原理相同，只是在使用能源方面不一样。目前太阳能致冷的方法有许多种主要是压缩式致冷，蒸汽喷射式致冷和吸收式致冷。压缩式致冷要求集热温度高，工作介质对环境有影响，且造价高；蒸汽喷射式致冷不仅要求集热温度高，且致冷效率低，经济上不合算。现着重研究的是吸收式致冷开发，因为此种致冷系统所需集热温度较低，一般要求65 - 90 度即可，这对太阳能来说容易满足，从设备制造而言，吸收式致冷也较简单，投资小，易于家庭接受，而且热利用率也较高，可达0.6 - 0.7 。太阳能吸收式致冷可采用平极式集热器或真空管集热器为热源，它的致冷基本原理是利用两种不同沸点的物质组成工质对，其中沸点低的物质为致冷剂，沸点高的物质为吸收剂。溴化锂吸收式致冷机是目前比较常用的太阳能致冷机，它就是利用水在低压真空环境下的蒸发进行致冷的，应用吸收剂溴化锂溶液极易吸收致冷的特性，通过溴化锂溶液的质量分数变化(发生与吸收过程) 使致冷剂在一个封闭的系统中不断地循环，达到致冷空调的目的。电子制冷是由半导体制冷片（TE），（大量的PN结（碲化铋）制冷的。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。本文中用到的太阳能制冷方法是电子制冷，采用的是半导体制冷片，制冷效果符合设计要求，且成本低。1.4设计的框图及内容本文设计的内容主要包括硬件设计和软件设计两部分。系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成主电路、数据采集电路、驱动电路、温度显示电路等的设计。软件程序编写主要用来实现对驱动电路控制、温度的检测、温度显示等数据处理功能。图1.1 总设计框图2 硬件设计中主要器件选型2.1单片机单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器和各种输入输出接口电路的微型计算机，简称单片机。单片机以其较高的性能价格比受到了人们的重视和关注。它的优点就是体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。单片机根据其基本操作处理的位数可分为4、8、16、32位单片机，应用最为广泛的是八位单片机。STC12C5A08S2具有1个时钟/机器周期，高速、高可靠，2路PWM，8路10位高速A/D转换，25万次/秒1T 8051带总线，无法解密，管脚直接兼容传统89C52，有全球唯一ID号可省复位电路，36-44个I/O内部R/C时钟的宏晶芯片加密性强，解密难度高。STC12C5A08S2单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A08S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。STC12C5A08S2单片机的封装图如图2.1所示。图2.1 STC12C5A08S2引脚封装图2.2 电子制冷片2.2.1 电子制冷片简介电子制冷片是制冷系统的核心，其能力和特征决定了制冷系统的能力和特征。电子制冷片具有体积小、重量轻、高功率、低能耗、工作安静无振动、可变频和易于精确控制等特点，是极为理想的移动或者便携的小型热管理系统的首选。电子制冷片可广泛用于空气调节装置、水冷装置、商业冷藏装置的制冷单元，目前，其主要应用范围包括便携式制冷系统、食品冷却系统、微型冷藏系统、温控装运容器、电子制冷系统、医疗成像系统、迷你冷却水系统等。半导体制冷片（TE）也叫热电制冷片，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。半导体制冷片的工作运转是用直流电流，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，半导体制冷片作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：（1）不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。（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，很容易实现遥控、程控、计算机控制，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）半导体制冷片的反向使用就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。（6）半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。（7）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。如图2.2所示为半导体制冷片的实物图。图2.2 半导体制冷片2.2.2 制冷片的选择在制冷器的选择中应考虑以下几点：（1)被冷却物体所欲达到的温度；（2)制冷元件的最大电流数值；（3)热负载，被冷却物的发热量和从外部渗入的热量；（4)选取何种散热方式(自然对流散热、强迫对流散热或液冷等)以及热端与周围介质的热交换系数；（5)冷端同被冷却物体间取何种热交换方式(紧密接触或液体循环等)以及热交换系数；（6)冷却速度与达到温度的时间。半导体制冷粮仓的负荷可按下式计算： (2.1)式中 粮仓的泄漏能量；开门泄漏能量； 粮食散发； 其他热量。这本文中将条件设定为密闭粮仓，在湿度一定的情况下，计算制冷量，来选择半导体制冷片。粮仓热量主要来自外部，选择粮仓为面积为70平米，制冷高度为1米，可估算所需制冷量为1匹。根据设计中的要求可选用的制冷片的型号为THC1-12706，所选制冷片对应的型号主要参数有工作电流为6A，工作电压为12V，温度范围为正温80到负温度55。根据粮仓大小，共选择了10片制冷片。2.2.3 制冷片的散热散热管是焊接的矩形截面空心铝管或铜管，空气在散热管中流动，其外表面与半导体制冷片接触，半导体制冷片的另一面与散热片接触，散热片之间通过散热片螺栓组件联接，保温隔板在散热片之间，保温套管套装在散热管两边的管上，用于散热管保温。制冷器风扇通过制冷器风扇螺栓组件固定在U型板上，制冷器风扇的风吹到散热片上，将散热片的热量吹到大气中，防止半导体制冷片过热，U型板通过散热片螺栓组件联接散热片，U型板上的一组孔用于对外联接，固定半导体制冷器。2.3 太阳能光伏电池太阳能电池通常由半导体硅材料制成。其作用是把太阳能直接转换为直流形式的电能，是光伏阵列中光电转换的最小单元。由于单个太阳电池的功率极小，因此一般不单独作为电源使用。实际应用中是将许多单个太阳电池经过串、并联组合并进行封装后构成太阳电池组件使用。光伏阵列就是由许多太阳电池组件经过相应的串、并联后构成。 图2.3 硅太阳电池结构如图2.3所示的硅电池，它的基体材料为P型单晶硅，厚度在0.4mm以下。上表面层为N型层，是受光层，它和基体在交界面处形成一个P-N结。在上表面上加有栅状金属电极，可提高转换效率；另外，在受光面上，覆盖着一层减反射膜，它是一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜，用以减少入射太阳光的反射，使太阳电池对入射光的吸收率达到90%以上。 在实际的太阳能电池中，一般串联电阻都比较小，大都在0.0013欧之间。另外，由于制造工艺的因素，光伏电池的边缘和金属电极在制作时可能会产生微小的裂痕、划痕，从而会形成漏电而导致本来要流过负载的光生电流短路掉，因此引入一个并联电阻 来等效。相对于串联电阻来说，并联电阻比较大，一般在1K欧以上。太阳能电池的等效电路如图2.4所示。 图2.4 太阳能电池等效电路在针对低温储藏中的粮仓时，选择太阳能电池主要考虑到制冷量和半导体制冷片的实际效率。制冷量的计算将在硬件电路设计中讨论并进行计算，根据实际综合情况，就可以进行太阳能电池的选择了。本设计中采用的光伏电池主要参数如表2.1所示。表2.1 太阳能光伏电池主要参数最大功率电流 Imp最大功率电压Vmp开路电压开路温度系数最大功率温度系数4.29A17.5V21.3V-0.34%/-0.48%/2.4 温度传感器DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以连接很多这样的数字温度计，十分方便。 DS18B20产品的特点如下： （1）只要求一个端口即可实现通信； （2）在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号； （3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温； （4）测量温度范围在55到125摄氏度之间； （5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择； （6）内部有温度上、下限告警设置。 如图2.5所示为温度传感器的封装引脚图。图2.5 DS1820引脚封装图现将引脚说明如下： GND地信号； DQ 数据输入/输出引脚，开漏单总线接口引脚，当被用在寄生电源下，也可以向器件提供电源； VDD 可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。3 系统硬件设计3.1系统总体硬件设计方案单片机应用系统的硬件电路设计就是为单片机温控系统选择合适的、最优的系统配置，即按照系统功能要求配置外围电路，如按键、数码管、器件合适的接口电路等。系统设计应本着以下原则：(1) 尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。(2) 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。由于本设计的响应时间要求不高，所以有一些功能可以用软件编程实现。(3) 系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。本系统的硬件电路主要包括模拟部分和数字部分，本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成，硬件部分主要完成制冷片的驱动，传感器信号的采集处理，温度的显示等。软件主要完成对驱动电路的控制和采集的温度信号进行处理及数码管显示等功能。在硬件设计中遇到的主要问题是如何将太阳能电池加到半导体制冷片上，在这个问题上有四种方案。第一种方案是用一个升压电路然后连接蓄电池，对蓄电池充电，然后将蓄电池端电压加到半导体上，驱动半导体进行工作，但由于功率在前面损耗过多，以至于半导体制冷片只是发热，并不能达到预期的制冷效果。第二种方案是去掉升压电路和蓄电池部分，直接用太阳能电池的端电压驱动制冷片工作，但太阳能电池内阻相对于半导体制冷片来说太大，能量损耗在了太阳能电池内阻上，效果也不理想。第三种方案是加入恒流源电路，控制半导体制冷片的电流，但因与直接和太阳能电池相连同样的原因，再次被否决掉了。第四种方案是现在电路中的IR公司生产的IR2103对电路进行驱动，这次完全避免了以上两个原因，得到了符合设计要求的电路。如图3.1所示为系统的整体硬件电路图。图3.1 系统整体硬件电路图在本章的后续内容中分别说明了各个部分的原理及构成。3.2 驱动电路设计硬件设计中最关键的就是利用何种电路将太阳能电池和制冷片连接起来。系统采用由STC12C5A08S2得I/O口控制制冷片所接开关的通断，以多个单片机接口控制多路制冷片的方式来控制制冷能力。电路采用IR公司芯片IR2103作为核心驱动芯片，输人与单片机的接口相连，通过开关原件的通断来调节输出驱动电流。功率器件采用MOSFET(IRF540)，电流容量为23A，耐压值为100V，完全能够满足系统要求。如图3.2所示为驱动采样电路。系统中共有十片半导体制冷片，一片对应一个驱动电路，十片半导体制冷片对应的单片机接口如表3.1所示。图3.2 驱动芯片与单片机接口图表3.1 制冷片与对应单片机接口制冷片编号12345678910对应的单片机接口P1.1P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P2.0P2.1P2.2P2.33.3 温度检测本设计中温度传感器使用的是DS18B20。DS18B20是美国达拉斯（DALLAS，已被美信公司收购）半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻相比，能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根接口线（单总线接口）读写，单总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电。使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。DS18B20在测温精度、转换时间、传输距离和分辨率等方面都很不错，给开发带来了方便和令人满意的效果。数字温度传感器DS18B20与控制器的硬件连接如3.3所示。由于DS18B20是1Wire总线接口，为了使一根总线上挂接多个DS18B20，DS18B20的数据引脚设计为漏极开路的三态门，所以DS18B20与控制器连接时数据输入/输出引脚DQ应接上拉电阻，其阻值为4.75.0k，以保证正常通信的硬件支持。图3.3 温度传感器与单片机接口图3.4 系统供电电源设计在硬件电路设计中用到的温度传感器DS18B20需要5V的电源，驱动电路部分的驱动芯片IR2103及电子制冷片TEC1-12706需要12V的电源，而从太阳能电池出来的电压为15V左右，从而利用稳压器件78LXX系列来进行稳压，提供所需电压。从太阳能电池出来的系统供电电源设计如图3.4所示。78xx系列在降压电路中应注意以下事项： （1）输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏； （2）输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿； （3）输入输出压差也不能太小,大小效率很差。 UA78L05图3.4 系统供电电源电路图3.5 温度显示数码管显示电路中主要是从温度传感器DS18B20所测得的温度，通过数码管来显示的电路。此电路中用到的器件有八位锁存器74HC573和两个数码管，单片机用到的接口有P0.0到P0.7和P2.6和P2.7口。如图3.5所示为数码管显示电路图。LED显示器工作方式有两种：静态显示方式和动态显示方式。静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示的字形码。当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。这种方法的优点是占用CPU时间少，显示便于监测和控制。缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。数码管动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简化了硬件电路。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。 图3.5 数码管与单片机接口图3.6 复位电路复位使单片机处于起始状态，并从该起始状态开始运行。STC12C5A08S2的P4.7/RST引脚为复位端，该引脚连续保持2个机器周期（24个时钟振动周期）以上高电平，则可使单片机复位。内部复位电路在每一个机器周期的S5P2期间采样斯密特触发器的输出端，该触发器可抑制RST引脚的噪声干扰，并在复位期间不产生ALE信号，内部RAM处于运行状态。其中的数据信息不会丢失，也即复位后，只影响SFR中的内容，内部RAM中的数据不受影响。外部复位有上电复位和按键电平复位。由于单片机运行过程中，其本身的干扰或外界干扰会导致出错，此时我们可按复位键重新开始运行。为了便于本设计运行调试，复位电路采用按键复位方式。按键复位电路如图3.6所示。图3.6 按键复位电路4 系统软件设计4.1 温度控制PID算法系统中采用温度传感器DS18B20来检测环境温度，当环境温度超过设定值时，单片机经比较后，采用PID 算法进行温度控制。PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整定的方法概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。当采样周期相当短时，可以用求和代替积分，用差商代替微分，即做如下近似变换： (4.1) (4.2)(4.3)式中，k 为采样序号，k=1，2，；T 为采样周期。显然，上述离散化过程中，采样时间T 必须足够短，才能保证有足够的精度。为了书写方便，将e（k T）简化表示成e（k）等，即省去T。可以得到离散的PID 表达式为：(4.4)式中；k 采样序号，k=1，2，；u（k）第k 次采样时刻的计算机输出值；e （k） 第k 次采样时刻输入的偏差值；e（k-1）第（k-1）次采样时刻输入的偏差值；积分系数， ；微分系数， 。该系统采用增量式PID 控制算法， 是指数字控制器输出只是控制量的增量，该算法编程简单，数据可以递推使用，占用存储空间少，运算快。根据递推原理可得：(4.5)联立上两式可得控制算法: (4.6)一个应用系统要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单，如数字滤波，信号处理等。因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采用与STC51系列单片机相对应的51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。温度子程序是针对检测来的模拟信号转化为数字信号，送入到单片机进行控制的。程序中应有延时程序来保证信号的稳定性，锁存一定时间的温度进行显示。单片机需对IR2103进行驱动，由电子开关控制制冷片的通断，如图4.1所示为单片机经过驱动对制冷片进行控制的程序流程图。当中央处理器正在处理内部数据时，外界发生了紧急情况，要求CPU暂停当前的工作转去处理这个紧急事件。处理完毕后，再回到原来被中断的地址，继续原来的工作，这样的过程称为中断。实现这一功能的部件称为中断系统，申请CPU中断的请求源称为中断源，单片机的中断系统一般允许多个中断源，当多个中断源同时向CPU请求中断时，就存在一个中断优先权的问题。通常根据中断源的优先级别，优先处理最紧急事件的中断请求源，即最先响应级别最高的中断请求。图4.1 温度控制流程图4.2 温度采集显示程序数码管动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简化了硬件电路。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。 如图4.2所示为温度显示子程序流程图。图4.2 温度显示程序流程图4.3 系统主程序单片机在编程时，需要先确定完成的具体内容，再根据内容写出程序流程图，最后依据所写流程图进行编程。此节中要根据各个电路模块完成的功能，写出总体流程图。基于太阳能微型制冷控制系统，主要模块有单片机控制模块，电源供给模块，驱动模块，采样模块和显示模块。根据本文，主程序开始到调用温度子程序，还有初始化及中断程序，到各个具体的子程序。如图4.3所示为主程序流程图。图4.3 主程序流程图5 程序代码ORG 0000HTEMPER_L EQU 29HTEMPER_H EQU 28HFLAG1 EQU 38H /是否检测到DS18B20标志位A_BIT EQU 20H /数码管个位数存放内存位置B_BIT EQU 21H /数码管十位数存放内存位置XS EQU 30HMOV A,#00HMOV P2,AMAIN:LCALL GET_TEMPER /调用读温度子程序MOV A,29HMOV B,ACLR CRLC ACLR CRLC ACLR CRLC ACLR CRLC ASWAP AMOV 31H,AMOV A,BMOV C,40H /将28H中的最低位移入CRRC AMOV C,41HRRC AMOV C,42HRRC AMOV C,43HRRC AMOV 29H,ALCALL DISPLAY /调用数码管显示子程序AJMP MAIN /这是DS18B20复位初始化子程序INIT_1820:SETB P1.0NOPCLR P1.0 /主机发出延时537微秒的复位低脉冲MOV R1,#3TSR1:MOV R0,#107DJNZ R0,$DJNZ R1,TSR1SETB P1.0 /然后拉高数据线NOPNOPNOPMOV R0,#25HTSR2:JNB P1.0,TSR3 /等待DS18B20回应DJNZ R0,TSR2LJMP TSR4 / 延时TSR3:SETB FLAG1 / 置标志位,表示DS1820存在LJMP TSR5TSR4:CLR FLAG1 / 清标志位,表示DS1820不存在LJMP TSR7TSR5:MOV R0,#117TSR6:DJNZ R0,TSR6 / 时序要求延时一段时间TSR7:SETB P1.0RET / 读出转换后的温度值GET_TEMPER:SETB P1.0LCALL INIT_1820 /先复位DS18B20JB FLAG1,TSS2RET / 判断DS1820是否存在?若DS18B20不存在则返回TSS2:MOV A,#0CCH /跳过ROM匹配LCALL WRITE_1820MOV A,#44H / 发出温度转换命令LCALL WRITE_1820 /这里通过调用显示子程序实现延时一段时间,等待AD转换结束,12位的话750微秒LCALL DISPLAYLCALL INIT_1820 /准备读温度前先复位MOV A,#0CCH /跳过ROM匹配LCALL WRITE_1820MOV A,#0BEH /发出读温度命令LCALL WRITE_1820LCALL READ_18200 /将读出的温度数据保存到35H/36H RET /写DS18B20的子程序(有具体的时序要求)WRITE_1820:MOV R2,#8 /一共8位数据CLR CWR1:CLR P1.0MOV R3,#6DJNZ R3,$RRC AMOV P1.0,CMOV R3,#23DJNZ R3,$SETB P1.0NOPDJNZ R2,WR1RET /读DS18B20的程序,从DS18B20中读出两个字节的温度数据 READ_18200:MOV R4,#2 / 将温度高位和低位从DS18B20中读出MOV R1,#29H /低位存入29H(TEMPER_L),高位存入28H(TEMPER_H)RE00:MOV R2,#8 /数据一共有8位RE01:CLR CSETB P1.0NOPNOPCLR P1.0NOPNOPNOPSETB P1.0MOV R3,#9RE10: DJNZ R3,RE10MOV C,P1.0MOV R3,#23RE20: DJNZ R3,RE20RRC ADJNZ R2,RE01MOV R1,ADEC R1DJNZ R4,RE00RETDISPLAY:CLR CSUBB A, #30JNB CY, T1MOV A, BCLR CSUBB A,#25JNB CY, XIANSHICLR P1.1LJMP XIANSHIT1:CLR P1.2XIANSHI:MOV A,BMOV B,#10 /10进制/10=10进制DIV ABMOV B_BIT,A /十位在AMOV A_BIT,B /个位在BMOV R0,#4 CLR C /多加的DPL1: MOV R1,#250 /显示1000次DPLOP:MOV DPTR,#NUMTAB1MOV A,A_BIT /取个位数MOVC A,A+DPTR /查个位数的7段代码MOV P0,A /送出个位的7段代码CLR P2.1 /开个位显示ACALL D1MS /显示1MSSETB P2.1MOV DPTR,#NUMTABMOV A,B_BIT /取十位数MOVC A,A+DPTR /查十位数的7段代码MOV P0,A /送出十位的7段代码CLR P2.2 /开十位显示ACALL D1MS /显示1MSSETB P2.2JC XSW/多加的MOV A,31HMOV B,#160DIV ABMOV XS,BXSW:MOV A,XS MOVC A,A+DPTRMOV P0,A CLR P2.0 ACALL D1MS SETB P2.0SETB C /多加的DJNZ R1,DPLOP /250次没完循环DJNZ R0,DPL1 /4个250次没完循环RET /1MS延时(按12MHZ算)D1MS: MOV R7,#80 DJNZ R7,$RETNUMTAB:DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07H，7FH，6FH，7FH，