智能冰箱开题报告文档.doc

. 毕业设计（论文）开题报告题目名称：基于半导体制冷的电子冰箱设计院系名称：电子信息学院班 级：电气类103班学 号：201000474327学生姓名：李庆指导教师：温盛军 2014年2月.目 录1 课题研究的目的、意义及发展概述11.1 课题研究的目的11.2 课题研究的意义11.3 国内外发展概况12 课题方案设计32.1 半导体制冷器工作原理32.2 系统总体方案设计32.3 方案选择42.3.1 控制系统方案选择42.3.2 微处理器选择62.3.3 显示部分62.3.4 键盘部分72.3.5 上位机通信72.3.6 珀尔贴驱动部分72.3.7 温度测量部分72.3.8 网络通信模块部分82.3.9 半导体制冷器珀尔贴选择82.3.10 珀尔贴散热部件选择83 软件模块设计103.1 编程语言的选择103.2 软件设计104 进度时间安排125 参考文献12.1 课题研究的目的、意义及发展概述1.1 课题研究的目的冷冻储藏为人们所熟知, 给食品的保鲜带来一定的好处。但传统的冷冻储藏有其缺陷, 即冷藏后产品营养流失, 形状、色泽、气味均有改变, 且不能复原, 并且传统的制冷装置制冷所需时间长。为了解决上述冰箱储藏存在的缺点, 常采用加快冷却速度的方法。此方法能延长食品的存放期, 提高食品的保鲜度和产品的储藏质量。现有冰箱使用的氟制昂制冷剂, 存在着污染问题。随着科学技术的发展, 国内外学者都在寻求氟利昂的替代品, 其中无氟冰箱早已出现, 但它们仍有不足之处, 因而就要寻找另一种新的制冷源。经研究,可以利用帕尔贴效应的( 热电) 半导体制冷器件可以用来克服污染问题。半导体制冷是一种利用帕尔帖效应的制冷方法，它具有体积小、重量轻、寿命长、无噪音、无机械运动、加热制冷灵活迅速、温控精度高、不需制冷剂，对环境无污染等优点。基于半导体制冷的电子冰箱设计采用半导体帕尔帖作为温控执行器，并且通过控制通过珀尔贴元件的电流大小可以十分方便灵活迅速的控制冰箱内的温度。而且通过微控制器的控制作用可以达到精确温度控制的效果。基于半导体制冷的电子冰箱对传统冰箱进行了改革, 使其能满足现代生活需要, 减少对环境的污染。1.2 课题研究的意义温度控制技术是一种非常重要的和常用工业技术。传统的温度控制技术中，制冷根据应用场合的不同可以采用风冷、水冷和压缩式制冷。在某些特定的场合中，温控系统往往需要体积小，重量轻，加热制冷反应灵活迅速且易于控制，这时采用一般温控方法显得很不方便；而采用热电制冷器帕尔帖作为温控执行器的半导体冰箱可以通过改变流过制冷器的电流方向实现加热和制冷的转换，并且通过控制电流大小可以十分方便灵活迅速的控制温度。从而实现精确控制温度的目的。体积小、重量轻、寿命长、无噪音、无机械运动的优点可以极大的满足现代人对生活中食品保鲜的需要.再通过红外遥控、上位机和网络通信等丰富的人机交互方式，极大的丰富方便和满足人们的需要。1.3 国内外发展概况1834年法国科学家帕尔帖发现了热电制冷和制热现象即金属温差电效应或帕尔帖效应。本世纪50年代末期，随着半导体材料技术的大力发展，解决了早期系统制冷效率低的问题。特别是美、英、日等国在这一领域做了大量研究，60年代末热电制冷即已达到实用化阶段1。半导体制冷技术在国外已广泛地应用于低温生物学、超导技术、低温外科学、低温电子学、通讯技术、红外技术、激光技术以及空间技术等领域。随着技术的不断进步，半导体制冷技术已开始广泛地应用于家庭用的电冰箱，空调及其它一些制冷设备。随着半导体材料技术的大力发展，半导体制冷技术己开始广泛地应用于家庭用的电冰箱、空调及其它一些制冷设备。前苏联早在50年代，就开始研制约10L的冰箱。日本松下电器公司也开发过可容纳45瓶葡萄酒“珀尔帖半导体制冷式酒柜”，这种酒柜箱内温度可精确设定到0.5，几乎没有振动和噪声。1998年日本雅马哈公司开发出了比原来性能提高近30的商效率珀尔帖半导体制冷元件，不但使得制冷温度降低了10，同时其耗电量也降低了20。这使得半导体制冷技术应用于100L以上的冷藏箱成为可能5。目前发达国家半导体制冷技术发展相当成熟，已经广泛用于汽车(或便携式)冰箱、医用白内障冷冻摘除器、照相显影液恒温冷却器等日常生活中。另外，半导体制冷技术也开始研究应用于许多新的技术领域，如：前苏联进行了船用热电空调器的研制，法国和瑞典开发了火车和飞机上的半导体制冷空调，美国率先将该技术应用于半导体激光器和CPU等精密器件的冷却系统以及宇航员及坦克乘员的空调服等方面4。二十世纪七十年代，我国开始研究并研制半导体制冷器件，80年代末期进入应用产品的研制阶段，产品主要为小型冷藏箱，其外形与内部结构主要模仿国外同类产品。90年代开发出实用价值广泛的民用便携式冷藏箱，高低温测试设备、日化品专用冷藏箱以及半导体去湿系列产品。这些产品价格低廉，耗电量小，安全可靠5。上海交大的罗斌，代彦军等研制了一种太阳能半导体冰箱，实验分析了其制冷温度在5-10，COP值在0.25-0.3左右，适应一般户外的食品保鲜。秦锋和王红晨对太阳能半导体空调的性能进行了数值模拟与实验与并对其内部的蓄冷介质进行了研究3。经过多年的稳定发展，半导体制冷器已经拥有了一定规模的稳定市场。尤其是在小容积制冷领域，半导体制冷是最有竞争力的制冷方式之一。随现代社会日益多样化和生活水平的逐渐提高，对半导体制冷器的需求将会继续增加4。我国的半导体制冷技术的研究虽然有了一定程度的发展，但大多应用在家用电器场合没有很好地将其与自动控制技术、计算机技术等先进科技相结合。因此。结合自动控制原理和微处理器的基于半导体制冷的电子冰箱设计就很必要。2 课题方案设计2.1 半导体制冷器工作原理相比于传统蒸汽压缩式制冷，半导体制冷技术具有诸多优点，它是一种固体半导体制冷（Thermoelectric cooler，简写TEC ）也称温差电制冷，其原理主要是利用了帕尔帖元件的帕尔帖效应。帕尔帖效应：当电流I 通过由两种不同材料组合成的闭合回路时，在材料的接头处一端会吸收热量，另一端会放出热量。这种吸收或放出的热量叫做帕尔帖热，其大小由公式2-1决定1，吸热或放热由电流的方向决定。 (2-1) 其中为帕尔帖系数，与温差电动势率有关， ，, 为组成回路两种材料的温差电动势率，T 为相关接头的温度。实际上，帕尔帖元件在工作时除了产生帕尔帖效应外，还会产生四种效应，即：赛贝克效应、焦耳效应、汤姆逊效应和傅立叶效应。因此，帕尔帖元件的制冷量应该是这五种效应混合作用的结果。在这五种效应中，汤姆逊效应和傅立叶效应的影响比较微弱，可以忽略不计。在这里我们只考虑尔帖效应、焦耳效应，另外还有热传导的影响。使用半导体制冷器进行温度控制，只需控制流过半导体制冷器的电流。改变电流方向可以实现加热和制冷的转换；改变电流的大小可以调节吸收或放出热量的大小。半导体制冷器的制冷量受环境温度影响。在不同环境温度条件下同一个半导体制冷器所能达到的温控下限不一样. 焦耳热效应和热传导影响了半导体制冷器的制冷效果。当半导体制冷器处于制冷状态时，应该对其进行散热，减少焦耳效应和热传导对半导体制冷器制冷效果的影响6。2.2 系统总体方案设计本设计是一个以微控制器作为控制核心的制冷温度控制系统。控制系统由单片机、温度传感器、半导体器件珀尔贴及其水循环散热部件、液晶屏显示、红外遥控、网络通讯电路、电源电路等组成，其组成框图如图1-1，控制系统组成如图1-2. STM32微控制器网络通信上位机通信红外遥控液晶屏驱动电路电源模块温度传感器2温度传感器1 图1-1 系统组成单片机系统AD转换温度传感器隔离驱动执行器对象图1-2 控制系统组成2.3 方案选择2.3.1 控制方法方案选择1方案一控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统两大类。开环控制系统中没有测量元件，不使用反馈信号，系统框图如图2-1 所示。开环系统的优点是系统结构简单，容易调试。但是当工作环境和系统本身的元部件性能参数发生变化时，开环系统的被控量会受到较大影响，即抗干扰能力差。一般说，高精度的开环控制系统要求所有的元部件都有较高的精度和很稳定的性能。即开环控制对环境和元件的要求都比较严格。控制器输入信号执行元件被控对象被控量输出信号控制变量 图2-1 开环控制方案2 方案二 闭环控制系统输出信号不仅受到输入信号的控制，而且还受到与输出信号成比例的反馈信号的控制。系统框图如图2-2 所示。闭环控制系统本身能检测出被控量的设定值与真实值之差，实际上是用偏差量去减小和消除偏差，所以抗干扰能力强。闭环控制系统可以明显减弱某些元件参数和控制象本身的参数变化对被控量的不利影响，所以对这些部件要求不是很严格。本文选用此结构。但是闭环控制系统结构复杂，设计和调试技术也比较复杂，有可能会产生不稳定。控制器执行机构控制对象被控变量测量信号被控量输出输入信号-图2-2 闭环控制方案系统以冰箱内温度为被控量，通过改变制冷片的输入电压，进而改变流入制冷片的电流，从而控制温度。而对于这样的被控对象，其模型具有非线性的特点，且容易在控制量及被控量自身的影响下发生改变。这就要求系统采用的控制算法适用于非线性对象，能消除因被控对象模型改变带来的影响。半导体电子制冷冰箱的温度控制为了得到较高的控制精度采用闭环控制。系统输入与系统输出比较后形成偏差，经采样-保持器及模数转换器转换成数字量，输入计算机，由计算机实现数字控制器的运算规律，得到离散的控制量，作用到连续的被控对象上，以控制被控对象的输出。本系统设计中，通过对被控对象施加阶跃输入，测绘出对象输出量随时间变化的响应曲线。由响应曲线的结果分析，采用两点法，确定被控对象的传递函数。为简化模型，建立线性模型，控制算法采用PID算法，PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量对被控对象进行控制。在PID算法中采用数字增量式PID算法，其算式如公式（2-2）。 (2-2) 其中：为控制器的偏差信号，它等于测量值和给定值之差；为控制器比例系数；为控制器积分系数；为控制器微分系数。闭环温度控制系统一般由三部分组成：温度传感器、温度控制器和执行器。温度传感器采集受控对象的温度，温度控制器根据采集的温度和预期要达到的温度进行精确控制。2.3.2 微处理器选择1 方案一STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89系列单片机CPU主要功能是产生各种控制信号，控制输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等7。2方案二STM32F系列中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex-M3。该系列芯片按片内Flash的大小可分为三大类：小容量（16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K、384K和512K）。芯片集成有USB，CAN，最多8个定时器，2个ADC，SPI，I2C，USB，UART等多种功能。 STM32F103x8和STM32F103xB增强型系列使用高性能的ARMCortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。STM32F103xx中等容量增强型系列产品供电电压为2.0V至3.6V，包含-40至+85温度范围和-40至+105的扩展温度范围。一系列的省电模式保证低功耗应用的要求8。3 微处理器方案选择综合STC89C52和STM32的资源和性能比较，STM32的比较丰富内设资源和快速的运行速度是本系统的最佳选择。2.3.3 显示部分该系统设置液晶屏进行显示，可显示温度值、设定值。一般液晶屏所用的触摸屏,12864,1602等。TFTLCD触摸屏不仅可以显示高质量彩色图像，也可以作为微处理器输入设备。电阻式触摸屏利用压力感应进行控制。电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏。12864点阵的汉字图形型液晶屏，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能。液晶触摸屏较大缺点是显示所需接口电路复杂，需要占用40个左右的IO口资源，这对于一个单片机系统来说选用液晶触摸屏会浪费大量的IO口，因此，本系统选择液晶屏进行显示。2.3.4 键盘部分本系统使用红外遥控器和上位机进行设置。红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本低，易实现等显著优点，被诸多电子设备特别是家用电器广泛采用，并越来越多的应用到计算机系统中。2.3.5 上位机通信UART是最常用的一种串口通信方式，单片机和计算机PC通信，就是通过UART串口通信的。UART串口通信只需要2根线TXD发送数据、RXD接收数据，成本低传输速度快。 STM32F103RBT6，有3个串口，有分数波特率发生器、支持同步单线通信和半双工单线通讯。本系统选用UART使用RS-232通信方式和上位机进行通信。在上位机上查看实时温度值和进行温度设定。2.3.6 珀尔贴驱动部分计算机通过并行接口电路输出的开关量信号，往往是低压直流信号。一般来说，这种信号无论是电压等级、还是输出功率，均无法满足执行机构的要求，所以应该进行电平转换和功率放大，再送往执行机构 。常用的驱动方式有小功率低压开关量输出、继电器输出、晶闸管输出 、功率场效应管输出、集成功率电子开关输出。 对于低压小功率开关量输出，可采用晶体管、OC门或运放等方式输出。一般仅能提供几十毫安级的输出驱动电流。继电器经常用于计算机控制系统中的开关量输出功率放大，即利用继电器作为计算机输出的执行机构，通过继电器的触点控制较大功率设备或控制接触器的通断以驱动更大功率的负载，从而完成从直流低压到交流(或直流)高压、从小功率到大功率的转换。但继电器的工作频率较低。作为一种大功率半导体无触点开关器件，晶闸管具有以较小的功率来控制大功率的特点。晶闸管用于交流电系统中。功率场效应管(MOSFET)是压控电子开关，只要在其栅极G和源极S之间加上足够的控制电压，漏极D和源极S之间即可导通。MOSFET的栅极控制电流为微安级，而导通后漏极D和源极S之间允许通过较大的电流，IRF3250导通时D、S间允许通过的最大电流可达110A。工作频率也很高。本系统选择功率场效应管作为珀尔贴的驱动。2.3.7 温度测量部分目前市场上常见的温度传感器主要有模拟集成温度传感器、热敏电阻、铂电阻以及热电偶。模拟集成温度传感器是将温度传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量模拟信号输出功能的专用集成电路，如AD590、LM35等。它的特点是功能单一、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、线性好。其缺点是测温范围比较窄。热敏电阻具有高稳定性、精密、小尺寸、灵敏和价格低廉等优点，每摄氏度可以改变儿百欧姆，适合稳定性超过0.01的系统。但热敏电阻是非线性电阻，它的非线性表现在：其电阻值与温度之间是指数关系和电流随电压的变化不服从欧姆定律。这一特性以及窄的温度敏感范围(一般为50)是这种敏感元件的缺点。 铂电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠。但是在还原介质中，特别是在高温下很容易被氧化中还原出来的蒸气所沾污，容易使铂丝变脆，并改变它的电阻与温度间的关系。热电偶的测量电路，必须对所测温度进行冷端补偿。 LM35是由National Semiconductor 所生产的温度传感器，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，0时输出为0V，每升高1，输出电压增加10mV。在常温下LM35不需要额外的校准处理即可达到1/4的准确率。其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；在静止温度中自热效应低(0.08)，单电源模式在25下静止电流约50A，工作电压较宽，可在420V的供电电压范围内正常工作非常省电。且稳定性好，价格低，容易在市场上购得，能够较好地满足设计的需求。2.3.8 网络通信模块部分使用Labview实现网络通信。Labview的全称是实验室虚拟仪器工程平台(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench),是一种基于G语言(Graphics Language,图形化编程语言)的测试系统软件开发平台。它采用了工程人员熟悉的术语、图标等图形化符号来代替常规基于文字的语言程序。利用Labview用户可通过定义和连接代表各种功能模块的图标，方便迅速地实现通信。TCP(Transfer Control Protocol)是TCP/IP协议集中的隶属于传输层的传输控制协议。IP(Internet Protocol)是Internet网络中隶属于网络层的基础协议，由IP控制传输协议的协议单元称为IP数据。IP数据中含有发送或接收方的IP地址。IP提供可靠的、无连接的、具有时间限制的自动重试机制的数据投递服务，构成了Internet网络数据传输的基础。TCP以此为基础增加了连接管理和确认重发等机制，向更高层的应用程序提供面向连接的、可靠的传输服务。TCP/IP协议族共分为四层：链路层、网络层、传输层和应用层。TCP/IP协议的传输层，包括TCP、UDP协议，可以被Labview直接应用。使用Labview可以方便的实现网络通信。2.3.9 半导体制冷器珀尔贴选择箱体的温度降到设计温度的过程中需要一定的冷量, 设计冰箱外形尺寸长、宽、高分别是15cm、10 cm、25cm。冷冻室约为4L。但由于冰箱的热交换比较复杂，且大功率制冷片需要快速散热问题，综合市场上销售的半导体制冷片和电源功率限制决定选用TEC-12709，功率70W。2.3.10 珀尔贴散热部件选择制冷片的效率，除了与制冷片自身性能、制造工艺等因素相关外，也取决于散热量。因此，要想提高制冷效率，散热器的设计十分重要。目前，半导体制冷片常见的散热方式主要有自然对流散热、强迫风冷(对流)散热、液体冷却散热等。自然对流散热常常作为小型半导体制冷器件的热端散热方式。这种散热模式需要将散热片作为半导体制冷片的热交换器。散热器上的热量通过空气的自然对流散至环境中，从而实现制冷的过程。在此过程中，除空气的自然对流换热外，还有散热片的辐射换热，并且散热片表面的辐射换热起较为重要的作用。这种方式只能适用于热端温度不高的场合，对于热端热量很大，需要及时散出的情况下，散热效果非常不好，而且稍有不慎即会烧毁半导体制冷片，因此，在实际应用中基本不适用。强迫风冷散热方式的换热系数有了很大程度的提升。散热量相同的情况下，其散热面积会相应缩小很多倍，散热装置较为简单，实践应用也更为广泛。这种散热方式，主要应用于小型制冷装置。因为安装了散热风散，将会产生噪音。这种散热方式的散热效果，在室温很高的夏天散热效果很差。受环境影响较大。液体冷却散热的效率极高，这种方式的换热系数比自然对流散热方式大1001000倍。最常用的换热液体为水，热阻的大小与水流速度有密切关系，流速越大，热阻越低。从工艺和散热结构的角度考虑，最合理的水冷系统为，在制冷片热端面处安装水腔，使水直接进入热端，实现冷却。如果热端需要散出的热量较大，为了增大换热系数，增加水的流程和流速，需要把水箱后安装散热水排，进行强化传热。虽然要增加水循环，但液体冷却散热的效率很高，因此本系统采用液体水冷散热。3 软件模块设计3.1 编程语言的选择编程语言可用汇编语言和C语言，汇编语言执行效率较高，但是编程复杂，适用于系统资源受限和对执行速度要求较高的场合。C语言编程简单，易学易用，代码重复利用率高，但编译效率比较差。适合于资源充足，对时间要求不高，或程序复杂的场合中。综和本设计的特点，选择C语言进行设计，可以减少设计周期，也利于对软件的升级。3.2 软件设计软件模块包括主程序，温度采集程序，PID算法程序，触摸屏程序，上位机通信程序，网络通信程序，红外遥控器程序，珀尔贴PWM控制程序。流程图如图3-11 温度采集程序采用单片机自带的12位AD转换器进行温度采集转换。2 PID算法程序编写PID算法程序对温度进行控制3 液晶屏显示程序编写液晶屏显示程序4 上位机通信程序编写上位机通信程序5 网络通信程序编写网络通信模块程序6 红外遥控器程序编写红外遥控通信模块程序7 珀尔贴驱动控制程序 编写pwm输出程序图3-1 程序流程图串口接收中断串口接收开始系统初始化扫描温度设定数值转化串口发送电压温度转换数值送LCD显示水温大于35？打开散热风散驱动YN外部中断一红外目标温度接收定时器中断3路AD转换读取AD转换结果PID运算PWM调整 在本设计中，整个