基于TRIZ理论的反应釜温度控制系统的设计论文说明

1、基于TRIZ理论的反应堆温度控制摘要近年来，计算机技术发展迅速，已达到较为成熟的阶段。基于单片机的温度控制系统越来越多，因为单片机具有体积小、编程简单、成本低等优点。目前，温度的采集技术也取得了长足的发展。现在温度变送器主要有两种，一种是热电偶温度变送器，另一种是热电阻温度变送器。在本项目中，我们使用了 PT100 铂电阻温度变送器。因为温控系统的温差比较小，所以热电阻温度变送器的测量精度会更高。该项目的设计主题是加热和冷却反应器中的反应物。我们使用一种新型的加热和冷却系统：半导体加热和冷却片。这种方法取代了使用蒸汽加热和冷却水的传统制冷系统。具有控制过程简单、成本低的优点。本文设计的温度控制

2、系统包括单片机系统、温度测量系统、温度输入与显示、半导体制冷机的电源驱动。测温系统是指通过PT100温度传感器读取系统当前温度，并通过温度采集电路对PT100输出的信号进行放大、设定后致给单片机。单片机是整个温度控制的中央处理器，温度控制算法在单片机中运行。将测得的当前温度值输入单片机，再通过PID控制算法的运算，进行脉宽调制，输出PWM控制量。单片机的PWM输出可以通过半导体加热冷却芯片的电源驱动电路驱动半导体加热冷却芯片工作。关键词: 单片机, 加热冷却, 温度变送器, 卸料釜,脉宽调制目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358288043 摘要 PAGE

3、REF _Toc358288043 h 二 HYPERLINK l _Toc358288044 第一章：项目研究的背景和意义 PAGEREF _Toc358288044 h 1 HYPERLINK l _Toc358288045 1.1背景 PAGEREF _Toc358288045 h 1 HYPERLINK l _Toc358288046 1.2含义 PAGEREF _Toc358288046 h 1 HYPERLINK l _Toc358288047 第 2 章：使用 PAGEREF _Toc358288047 h TRIZ 2分析系统 HYPERLINK l _Toc358288048

4、 2.1项目要求 PAGEREF _Toc358288048 h 2 HYPERLINK l _Toc358288049 2.2控制要求 PAGEREF _Toc358288049 h 2 HYPERLINK l _Toc358288050 2.3项目描述： PAGEREF _Toc358288050 h 2 HYPERLINK l _Toc358288051 2.3.1 SMART原则： PAGEREF _Toc358288051 h 2 HYPERLINK l _Toc358288052 2.4问题描述： PAGEREF _Toc358288052 h 2 HYPERLINK l _Toc

5、358288053 2.5矛盾分析 PAGEREF _Toc358288053 h 3 HYPERLINK l _Toc358288054 2.5.1物理矛盾 PAGEREF _Toc358288054 h 3 HYPERLINK l _Toc358288055 2.6三种方案优缺点对比 PAGEREF _Toc358288055 h 5 HYPERLINK l _Toc358288056 2.7物场分析 PAGEREF _Toc358288056 h 6 HYPERLINK l _Toc358288057 2.8总结： PAGEREF _Toc358288057 h 9 HYPERLINK

6、l _Toc358288058 第 3 章：系统硬件设计 PAGEREF _Toc358288058 h 10 HYPERLINK l _Toc358288059 3.1 MCU PAGEREF _Toc358288059 h 10的选择 HYPERLINK l _Toc358288060 3.1.1 STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机 PAGEREF _Toc358288060 h 10 HYPERLINK l _Toc358288061 3.1.2主要业绩 PAGEREF _Toc358288061 h 11 HYPERLINK l _Toc358288062 3.2半导体加

7、热和冷却片 PAGEREF _Toc358288062 h 12 HYPERLINK l _Toc358288063 3.2.1工作原理 PAGEREF _Toc358288063 h 12 HYPERLINK l _Toc358288064 3.2.2塞贝克效应 PAGEREF _Toc358288064 h 12 HYPERLINK l _Toc358288065 3.2.3珀耳帖效应 PAGEREF _Toc358288065 h 13 HYPERLINK l _Toc358288066 3.2.4汤姆逊效应 PAGEREF _Toc358288066 h 13 HYPERLINK l

8、_Toc358288067 3.2.5 TEC1-12712性能参数 PAGEREF _Toc358288067 h 14 HYPERLINK l _Toc358288068 3.2.6 DIY PAGEREF _Toc358288068 h 15 HYPERLINK l _Toc358288069 3.3温度变送器选型： PAGEREF _Toc358288069 h 15 HYPERLINK l _Toc358288070 3.3.1PT100热电阻温度传感器。 PAGEREF _Toc358288070 h 15 HYPERLINK l _Toc358288071 3.4多通道RS-23

9、2驱动器/接收器 PAGEREF _Toc358288071 h 16 HYPERLINK l _Toc358288072 3.5LM324四路运算放大器 PAGEREF _Toc358288072 h 17 HYPERLINK l _Toc358288073 3.6监管机构 PAGEREF _Toc358288073 h 17 HYPERLINK l _Toc358288074 3.6.1LM7805 、 LM7812 PAGEREF _Toc358288074 h 18 HYPERLINK l _Toc358288075 3.7系统组件清单 PAGEREF _Toc358288075 h

10、18 HYPERLINK l _Toc358288076 第 4 章：系统电路图 PAGEREF _Toc358288076 h 20 HYPERLINK l _Toc358288077 4.1 PT100信号调整电路 PAGEREF _Toc358288077 h 20 HYPERLINK l _Toc358288078 4.2换向电路图（输出电路图） PAGEREF _Toc358288078 h 20 HYPERLINK l _Toc358288079 4.3串行通讯接线图 PAGEREF _Toc358288079 h 21 HYPERLINK l _Toc358288080 4.4电

11、源电路图 PAGEREF _Toc358288080 h 22 HYPERLINK l _Toc358288081 4.5LCD显示电路 PAGEREF _Toc358288081 h 22 HYPERLINK l _Toc358288082 4.5.1液晶显示模组原理 PAGEREF _Toc358288082 h 22 HYPERLINK l _Toc358288083 4.5.2 1602LCD主要技术参数 PAGEREF _Toc358288083 h 23 HYPERLINK l _Toc358288084 4.5.3引脚功能说明 PAGEREF _Toc358288084 h 23

12、 HYPERLINK l _Toc358288085 4.6键盘电路图 PAGEREF _Toc358288085 h 25 HYPERLINK l _Toc358288086 4.6.1矩阵键盘的结构与原理 PAGEREF _Toc358288086 h 25 HYPERLINK l _Toc358288087 4.6.2键盘的工作原理 PAGEREF _Toc358288087 h 25 HYPERLINK l _Toc358288088 4.7系统一般电路图 PAGEREF _Toc358288088 h 26 HYPERLINK l _Toc358288089 第 5 章：系统软件设计

13、 PAGEREF _Toc358288089 h 27 HYPERLINK l _Toc358288090 5.1LCD显示程序： PAGEREF _Toc358288090 h 27 HYPERLINK l _Toc358288091 5.2键盘程序： PAGEREF _Toc358288091 h 28 HYPERLINK l _Toc358288092 5.3 A/D转换程序： PAGEREF _Toc358288092 h 31 HYPERLINK l _Toc358288093 5.4主程序 PAGEREF _Toc358288093 h 32 HYPERLINK l _Toc358

14、288094 第 6 章：总结 PAGEREF _Toc358288094 h 36 HYPERLINK l _Toc358288095 至 PAGEREF _Toc358288095 h 37 HYPERLINK l _Toc358288096 参考文献： PAGEREF _Toc358288096 h 38第一章：研究背景及意义1.1 背景在精细化工中，反应釜是常用的反应容器，温度是主要控制量，是保证产品质量的重要因素。反应釜利用导热介质通过反应釜夹套使釜内物料升温，搅拌机的搅拌使物料均匀，提高导热速度，使物料温度均匀。反应器中的混合物在反应开始时需要一定的温度，所以需要加热，但温度不能太

15、高。许多物质的反应是放热的，所以温度会不断升高，需要冷藏。所以本课题是设计一个自动控制系统来控制反应器内物质的反应温度。这是目前应用较多的一种控制系统，具有良好的发展前景。1.2 意义本课题的设计基于基于单片机的反应器温度控制，对电子应用的技术要求相当高。换句话说，该系统往往是一个微控制系统。如果这项技术成熟，可以替代传统的温控系统，将大大简化工艺，降低成本。房屋交易会有很多巨大的潜力。因此，我们想通过这个毕业设计，对电子应用技术进行研究。第 2 章：使用 TRIZ 分析系统2.1 项目要求本项目将反应器的容积设定为100L反应物的容量，60L基于单片机控制温度。所需费用不超过1万元，工艺尽量

16、简单，不污染环境，加热时间不超过30分钟。本项目应遵循以下问题解决标准：标准一、目的是否达到标准 2. 费用是否可以接受？2.2 控制要求：反应釜内温度控制在60 70，低于60 2.3 项目说明：2.3.1SMART原则：S：在30分钟内将反应器内反应物的温度控制在 60M：温度可测；A：温度控制在一个圆圈是现实的，所以有反应的空间。如果控制在一个固定值，它是不可能实现的。R：这与实现这个目标有什么关系？控制器的精度？加热和冷却的方式？温度传热效率？T：设计时间不到1-2个月。2.4 问题描述：该系统控制反应器中反应物的温度。如果温度不够，反应将不完全或无法反应。如果温度过高，会产生其他物质

17、，甚至会破坏反应物。因此，反应器内的温度不能超过高度，不能过低，应在要求的范围内。问题是如何将温度控制在所需的范围内？2.5 矛盾分析物理矛盾 PC（物理矛盾） - 指定的子系统（组件/操作）必须具有 A 属性才能执行必要的功能，以满足具有非 A 或反 A 属性的问题的条件。2.5.1身体矛盾在这个项目中，温度不能太低或太高，所以需要加热和冷却。加热和冷却是一组物理矛盾。下面讨论如何解决这个矛盾。Setp1 ：定义物理矛盾反应器需要加热，但需要冷藏。 （参数：17温度）Setp2 : 参数是否在时间/空间上交叉不，试试时间或空间分离的方法可以，试试系统级分离法第三步：三个方向（系统级）参数转换

18、的可能性？将加热和冷却转换为超级系统；加热和冷却转化为子系统；加热和冷却转换为逆系统；下面进一步分析系统转换产生的加热方式：将加热和冷却转换为超级系统加热蒸汽加热，水冷却先从加热说起：如果用蒸汽加热，我们首先要解决的问题就是加热蒸汽的来源。也就是说，必须使用锅炉来产生蒸汽。如果是这样，那么将需要锅炉和燃料的成本。首先是锅炉和锅炉的问题：目前市场上的价格在3000元左右。而且，在锅炉的加热运行中，需要对气泡液面压力、炉膛温度、出口蒸汽流量、压力等诸多参数进行监测；给水流量等。这意味着必须使用大量的测控仪器，这无疑增加了工艺成本和工艺复杂性。燃料问题：当今工业锅炉加热最常用的燃料是煤和燃料油。两种

19、燃料都是不可再生资源，也有价格方面的考虑。此外，燃烧这些燃料还会产生二氧化硫、一氧化碳等有害气体，对环境造成一定的污染。接下来是系统的冷却问题：经调查，最常用的冷却方式是使用“冷却水”进行冷却。在这里，我们可以选择普通的水作为冷却剂，这样可以节省工艺和成本。最后，还有一个问题需要考虑：如何输送加热蒸汽和冷却水，如何在加热和冷却之间切换？蒸汽和冷却水如何输送的问题：用管道输送，但必须有自动控制装置，保证蒸汽和冷却水的稳定流动。如何切换制热和制冷：其实只要在控制器中设置好参数，例如：温度低于60 ，控制器就会发出指令，70 打开蒸汽阀，关闭冷却水阀；60 评价：根据标准1，本方法可行；但根据标准2

20、，这种方法是不可行的，因为这种方法成本太高，工艺太复杂。(B) 加热和冷却到子系统的转换电加热、冷却水冷却一般用电加热的人都会想到用电阻丝加热，需要解决电能的问题。经调查发现，目前电阻丝系统使用的电压一般为220V。所以还是拿来比较好。制冷操作与（A）方向相同，此处不再赘述。该方案由于采用电加热，比第一种方案简单，成本也会降低。但加热速度不如蒸汽加热快。评价：根据标准1，本方法可行；根据标准2，这种方法是不可行的。因为制冷过程在里面，成本还是会超出规定范围。(C) 加热和冷却转换为反向系统电加热和冷却已在方案 2 中分析的电加热是可以实现的。但是如何用电来降温呢？说到电制冷，我们应该马上想到冰

21、箱和空调的原理。冰箱使用电来冷却。它的工作原理是：从低于环境温度的物体中吸取热量并将其传递到环境介质中的过程称为制冷。我们可以使用冰箱的制冷方式来冷却反应堆。但是，虽然加热和制冷都用电，但它们仍然属于两个独立的电路。加热和冷却可以在一个回路中实现吗？要解决这个问题，首先要解决一个疑问：一个电路怎么会有两种工作状态？我们都知道电源有正负极之分，电源输出的电压也是有方向的，所以我们只要改变电源电压的方向，就有可能出现不同的状态。下一步是找出当施加不同方向的电压时，哪些物质具有不同的工作状态。当然最好是加不同方向的电压，有加热和冷却的效果。有这样的事吗？还是特定的电路？利用所学知识发现，半导体对电压

22、响应的要求很高，半导体有塞贝克效应、珀耳帖效应和汤姆逊效应。而这些效应就是半导体的加热和冷却原理。即半导体在给定不同方向的电压时会产生加热和冷却的效果，所以一开始提出的问题是可以实现的。但是，半导体加热和冷却技术还处于成长阶段，技术还不是太成熟，功率也比较低。那么如何解决加热功率低的问题呢？经过查询，现在有一种半导体加热和冷却片，它是根据半导体加热和冷却的原理制成的。随着不同方向的电压的增加，它的加热和冷却表面将被替换。每个个体的体型都不是很大，功率是一定的，所以我们可以利用聚少的原则来增加加热功率。也就是说，尽可能多地使用加热器。但是，使用多少取决于工艺要求。但是，根据节能原理，又出现了一个

23、新的问题：半导体加热冷却片在制冷时，其另一面的热量应该如何散去？如果热量不及时散去，半导体加热器就会被烧毁，所以必须解决这个问题。这里我们选择一个散热器给它散热，而且散热器的价格也不是很贵，所以总成本还是在工艺要求的范围内。现在还有一个问题需要解决：这个项目需要多少半导体加热和冷却芯片？问题解决：现在我们假设反应器中的物料是水，根据工艺要求，进行如下计算：经查：水密度= 1.0Kg/m 3 ，比热容C=4.2KJ（kg*k）。被加热的水的初始温度为室温（ 20），水的体积 V = 60L=0.06M水上升需要吸收的热量：1Q=CMT=CVT=4.21.010 3 0.06=252KJ=2520

24、00 J加热垫来提高水1t= = =2191S=37min水上升40t=3740=1460 分钟由于该过程需要在30分钟内完成加热，所以总共：146030=49件我们使用的115W冷暖片单价108元，散热片20元。所以总成本为：49(108+20)=6272元评价方案3：根据标准1，本方法可行。根据标准 2，这种方法是可行的，因为这种方法的总体成本相对较低。2.6 三种方案优缺点对比选项一选项二第三个解决方案优势最适合加热和冷却加热和冷却也不错成本低、工艺简单、容易获得能源缺点成本高、工艺复杂成本高加热和冷却功率相对较低。所以最好的解决方案：用半导体加热和冷却片加热和冷却2.7 物场分析“参数

25、性”不明显，矛盾矩阵表无法有效发挥作用。此时，虽然看不到矛盾，但问题依然存在，可以解决。这时，技术系统问题的“结构特性”更加明显，材料-场分析法比较合适。对象场分析法通过建立系统结构化的问题模型正确地描述系统的问题，用符号语言清晰地表达技术系统（子系统）的功能，正确地描述系统的构成要素和相互关系。构成要素。在这个项目中，有两种物质：反应器（S1）和半导体加热和冷却片（S2）；一种物质场：热场（F）。根据三者之间的关系，建立如下对象场模型：FFS1S2现在我们要解决两个问题，首先是如何利用好这个热场，即如何提高温度传递的效率。第二个问题是当半导体被冷藏时，它的另一面是热的。如果背面温度过高，会严

26、重影响散热效率，甚至影响整个系统的工作。这就需要我们时不时地把这些热量散发出去。如何散热？下面我们分别分析解决以上两个问题：问题一：如何提高传热效率？解决问题的最终目标：热源得到充分利用最终理想方案：热源利用率最大化实现最终理想解决方案的障碍：反应器的传热效率和系统的温度损失。解决方案：找到所有可用的材料和能源方案一：是否可以提高反应器材料的导热性？方案二：是否可以增加传热面积？方案三：冷热物质的温差可以加大吗？方案4：是否可以在反应器周围加保温层，以减少加热器的温度损失？选项5：是否可以添加搅拌？让我们分析问题并找到最佳解决方案：解决方案一：我们都知道导热系数是物质的一种性质，特定物质的导热

27、系数是固定不变的。所以在这里，我们可以选择由高导热材料制成的反应器。首先，让我们找到现在由导热率最高的材料制成的反应器。我们都知道金属的热导率是所有物质中最大的，所以我们可以直接从金属反应器入手。首先，我们找到了几种常用金属的导热系数，如下表所示：材料铝铜黄铜铜带领钢不锈钢铸铁银镍导热系数w/(m*k)2046593383354517459041188显然，在这些金属中，银的导热率最高，但考虑到成本，显然银材料制成的电抗器相当昂贵，因此并不适用。铜和铝的导热系数都很大，而且差别不是很大，所以我们可以从这两种金属中进行选择。然而，目前还没有由铜和铝材料制成的反应器。这意味着这两种材料都不可用，只

28、能选择。黄铜、铜、铅、铸铁和镍没有相应的反应器。现在只剩下不锈钢了。经询价，目前不锈钢反应釜价格为3600元。相对来说，是可以接受的。最后，选择了不锈钢反应器。评价方案一：按照“达到目的”的评价标准，这个方案是可行的：成本不是很高，传热效率目前比较好。方案二：传热面积越大，传热效率越高。我们可以让热源尽可能覆盖整个反应器，但是一旦传热面积增加，就意味着成本增加，工艺复杂，所以这种方法并不是最理想的方法。评价方案二：根据“达到目的”，此方法可行；根据成本要求，该方案有待完善。解决方案3：我们都知道温差是热传导的驱动力，温差越大，驱动力越大。但是这种方法适合大规模的工业应用，因为每种导热液的饱和热

29、量是一定的，如果要改变它，就必须改变一些参数，比如压力。这样会大大增加工艺难度，所以这种方法不适合。评估方案3：根据“成果目的”，该方案可行，但根据成本和工艺因素，该方案不可行。解决方案4：这里我们有两种保温方式可供选择，一种是使用普通保温材料，另一种是使用玻璃真空夹套进行保温。从成本和实现的角度来看，这两种方法都可以使用，但从外观和结构的角度来看，使用玻璃真空夹套相对更好。所以最终决定使用玻璃真空夹套进行保温。评价方案4：根据“达到目的”，该方案可行；但根据成本要求，这种方案也是可行的。解决方案5：通过不断搅拌反应器内的反应物，保证温度传递均匀，这样也可以达到改善的目的。但是这种方案需要增加

30、一个额外的搅拌器，并且搅拌器需要提供额外的动力，这样会增加成本。评价方案5：根据“达到目的”，该方案可行；但是，根据成本要求，该方案需要改进。例如，是否可以使用现有电源为混频器供电，在本方案中，使用的电压分别为+12V和+5V。这需要寻找低功率混音器。最终理想解决方案的确定：通过以上分析不难看出，没有一个方案是相对独立的，方案之间也没有太大的限制。因此，我们可以将这些方案一起充分考虑和分析。在上面的分析中，我们已经确定了选用不锈钢材质的反应器，是根据导热系数来选择的。但是方案2、4、5确实可以提高传热效率，所以我们不能全面阻止方案1、方案2、方案4和方案5，但前提是在内容范围内。看看你能不能得

31、到更好的结果。将方案1、2、4、5结合起来，最终的结果是采用了带有玻璃真空绝热夹套和混合器的不锈钢反应器，并尽可能扩大换热面积。这是迄今为止最好的结果。问题2：如何散热？经过上面对对象场模型的分析，我们知道这个项目中有两种物质（S1，S2 ），但是当S2对S1进行制冷操作时，S1会产生有害影响，即热能。因此，需要一种额外的物质来分享这种热能，这种物质就是散热器（S3）。改进后的对象场模型如下：FFS3S2S12.8 总结：问题解决了，现在总结一下。根据以上分析，选择最优方案，总成本不到万元。所需设备：1个单片机2个反应堆3 半导体加热和冷却片4个温度传感器5 电源一共1万元。第三章：系统硬件设

32、计3.1 单片机的选择单片机的种类很多，所以要选择一款合适的单片机确实不容易，有几个方面需要考虑。在选择单片机时，并不是单片机的功能越强、速度越快越好，还要考虑成本、开发方式、库存情况等因素。一般遵循以下原则：考虑微控制器的速度；贮存;考虑 I/O 引脚的数量CAN接口；A/D转换器；脉宽调制定时器；价格;包裹;工作温度范围；能量消耗;工作电压范围；畅通的供应渠道；单片机编程环境；抗干扰性能好。在本项目中，由于模拟输入（1路）和PWM输出（1路），以及对工作温度的要求比较高，我们选择了STC 12C5A60S2/AD/PWM系列单片机。3.1.1STC 12C5A60S2/AD/PWM系列微控

33、制器STC 12C5A60S2/AD/PWM系列微控制器是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）微控制器。快 8-12 倍。该器件集成了MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（25K/S3.1.2主要业绩(1) 高速：1个时钟/机器周期，增强型8051核心，比普通8051快8到12倍(2) 宽电压：5.53.3V、2.23.6V（STC12LE 5A60S2系列）(3) 增加第二个复位功能管脚（高可靠性复位，复位阈值电压可调，频率小于12MHz时，不需要此功能）(4)增加外接断电检测电路，断电时可将数据保存在EEPROM中，正常运行时无需操作EEPROM(5) 低功耗设

34、计：空闲模式，（可被任何中断唤醒）(6) 低功耗设计：掉电模式（可通过外部中断唤醒），可支持下降沿/上升沿和远程唤醒(7) 工作频率：035MHz，相当于普通8051：0420MHz(8) 时钟：外部晶振或部分 RC 振荡器可选，在 ISP 下载编程用户程序时设置(9) 8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K-byte Flash程序存储器，擦写次数10万次以上(10) 1280 字节的片上 RAM 数据存储器(11) 芯片EEPROM功能，擦写次数超过10万次(12) PWM（2通道）/PCA（可编程计数器阵列，2通道） 也可用作 2 路 D/A 也可以用来实现另外2个定

35、时器也可用于实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断可分别支持或同时支持(13) A/D转换，共8通道，10位精度ADC，速度可达25万次/秒；(14)4个16位定时器，兼容普通8051定时器T0/T1，2个PCA实现2个定时器(15)可编程时钟输出功能，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟，BRT在P1.0输出时钟(16) 硬件看门狗 (WDT)(17) 高速SPI串行通讯口（18）全双工异步串口（UART），兼容普通8051串口(19) 先进的指令集结构，兼容常用的8051指令集，具有硬件乘法/除法指令（20）通用I/O口（36/40/44），复位后：准双向口/弱上拉（普通805

36、1传统I/O口）可设置四种模式：准双向口/weak pull-up Pull，push-pull/strong pull-up，每个I/O口只有输入/高阻，开漏驱动能力可以达到20mA，但整个芯片最大不能超过100mA .3.2 半导体加热和冷却片3.2.1工作原则半导体制冷也称为热电制冷或热电制冷。具有热电能量转换特性的材料在通过直流电时具有冷却功能，因此得名热电制冷。总热电效应由同时发生的五种不同的效应组成：塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅里叶效应。3.2.2塞贝克效应在由两个不同导体组成的电路中，如果两个接头的温度不同，电路中就会产生电动势。这种电动势称为塞贝克电动势或热

37、电动势（图 1）。图1 塞贝克效应示意图图中U为热电势，其大小与两节点间的温差成正比，比例常数为塞贝克系数（又称热电力率），其值为 ab = U/T其中T是两个结之间的温差每种材料都有一个固定的塞贝克系数。如果用 a 和 b 来表示这两种材料的塞贝克系数，那么由这两种材料制成的热电偶的塞贝克系数为： ab =| a b |3.2.3珀耳帖效应当直流电通过连接不同导体形成的回路时，在连接处会发生吸热或放热。这种现象称为珀尔帖效应。因为半导体的珀尔帖效应比金属强，所以用半导体制成的元件可以达到更好的冷却效果（图2）。图2 半导体制冷示意图N型元素的载流子是电子，P型元素的载流子是空穴。当热电偶的N

38、型元件接直流电的正极，P型元件接负极时，N型元件中的电子在电场的作用下向下移动，并与下端电源的正电荷聚合，聚合时放热，同P型元件中的空穴在电场的作用下向下移动，与电源的负电荷聚合低端供给，聚合时放热；同时，电子和空穴在上端分离，在分离过程中吸收热量。当改变电流方向时，吸热端变成放热端，放热端变成吸热端。3.2.4汤姆逊效应当电流流经具有温度梯度的导体时，导体与周围环境之间会发生能量交换（图 3）。这种效果只涉及一种材料。图3 汤姆逊效应示意图在该系统中，要求加热和冷却的功率尽可能大，工作温度范围( 0-80) 3.2.5TEC1-12712 性能参数(1) 尺寸：50*50* 4mm127 对

39、元件(2) 线材规格：引线长度 100 5mmRV 标准线单端5mm镀锡(3) 部件电阻：1.01.3 （环境温度 23 1, 1kHZ 交流测试） (4)最大温差：Tmax(Qc=0)65以上。 （5）工作电流：Imax=12（额定电压启动时） （6）额定电压：DC12V（Vmax：15.5V） （7）冷却功率：Qcmax 115W （8）装配压力：85N/cm2 （9）工作环境：温度范围-55 83（环境温降过大直接影响制冷效率） （10）包装工艺：标准704硅橡胶密封条左右（11）包装标准：泡沫盒包装，储存条件环境温度-10 403.2.6DIY散热器：散热系统主要传导冷热，0.16A散

40、热风扇的电源电压为12V。一套散热系统包括（散热模组、导热模组、散热风扇、风扇罩及螺丝）。3.3 温度变送器的选择：工业上常用的温度变送器一般有：热电阻温度变送器、热电偶温度变送器、双金属温度变送器、玻璃管液体温度计。在这个项目中，需要的温度来自20-80，显然，温差很小，需要远程传输温度。双金属温度计和玻璃管温度计都适用于现场显示温度计，因此不适合在本项目中使用。 RTD3.3.1PT100 RTD 温度传感器。一、热电阻的工作原理热电阻是中低温地区最常用的温度检测器之一。其主要特点是测量精度高、性能稳定。其中，铂热电阻的测量精度最高。它不仅广泛用于工业温度测量，而且被制成标准基准。与热电偶

41、的测温原理不同，热电阻是根据电阻的热效应来测量温度的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化。因此，只要测量热电阻的阻值变化，就可以测出温度。目前主要有金属热敏电阻和半导体热敏电阻两大类。金属热电阻的阻值与温度一般可以用如下近似关系表示，即Rt=Rt01+(t-t0)式中，Rt为温度t时的阻值； Rt0是温度t0（通常t0= 0）对应的电阻值； 是温度系数。半导体热敏电阻的阻值与温度的关系为Rt=AeB/t式中Rt为温度为t时的阻值； A和B取决于半导体材料结构的常数。相比较而言，热敏电阻的温度系数较大，常温下的阻值较高（一般在几千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围仅300约-50。广泛应

42、用于家电、汽车的温度检测与控制。金属热电阻一般适用于500-200范围内的温度测量，具有测量准确、稳定性好、性能可靠等特点，广泛应用于过程控制。2 HYPERLINK %20%20%20%20:/baike.baidu%20%20%20%20/view/56007.html?wtp=tt o 返回页首 、热电阻的信号连接方式热电阻是将温度变化转化为电阻值变化的初级元件，通常需要通过引线将电阻信号传递给计算机控制装置或其他初级仪表。工业热电阻安装在生产现场，与控制室有一定的距离，所以热电阻的引出线对测量结果的影响较大。目前，热电阻的引导方式主要有3种两线制：在热电阻两端各接一根导线引出电阻信号的

43、方法称为两线制：这种引线法很简单，但由于连接线必须有一个引线电阻r , r 的大小与导线的材质和长度不同。相关因素，所以这种引线法只适用于测量精度不高的场合三线制：热电阻根部一端接一根引线，另一端接两根引线的方法称为三线制。这种方法通常与电桥配合使用，可以更好地消除引线电阻的影响。它是工业过程控制中最常用的铅电阻。四线制：将两根导线分别连接在热电阻根部的方法称为四线制，其中两根导线为热电阻提供恒定电流I，将R转换成电压信号U ，然后通过其他两条线索。将 U 引至次级仪表。可以看出，这种引线方式可以完全消除引线电阻的影响，主要用于高精度温度检测。本项目热电阻采用三线连接方式。采用三线制，消除因连

44、接线电阻引起的测量误差。这是因为测量 RTD 的电路通常是不平衡电桥。热电阻作为电桥的桥臂电阻，其连接线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分。这部分电阻是未知的，随环境温度变化，导致测量误差。采用三线制，一根线接到电桥的电源端，另外两根接到热电阻所在的桥臂和与之相邻的桥臂上，消除了由热电阻引起的测量误差电线线路电阻。本项目选用的PT100型号为WZP铂电阻，量程为：-200 6503.4 多通道 RS-232 驱动器/接收器收发器 MAX3222、MAX3232、MAX3237 和 MAX3241 具有专有的低压差电压致器输出状态，通过双电荷泵在 3.0V 至 5.5V 电源电压范围内展

45、现真正的 RS-232 协议器件性能。这些器件只需要四个用于电荷泵的小型外部 0.1F 电容器。在保持RS-232协议输出电平的前提下，MAX3222、MAX3232和MAX3241可以保证120kbps的数据传输速率；而MAX3237可以保证正常工作模式下250kbps的数据传输速率和MegaBaud模式下1Mbps的数据传输速率。传输速率。 MAX3222、MAX3232，带有2个接收器和2个驱动器。 MAX3222 的 1A 关断模式特性可降低功耗并延长便携式系统的电池寿命。在关断模式下，其接收器保持活动状态，同时内容监控外部设备，例如调制解调器，工作电流仅为 1A。 MAX3222、M

46、AX3232在引脚、封装和功能上分别与行业标准MAX242、MAX232兼容。在本项目中，选择了 MAX32323.5LM324四路运算放大器 LM324部分包括两个独立的高增益部分频率补偿运算放大器适用于宽电源电压范围的单电源使用，也适用于双电源操作，在推荐的操作条件下，电源电流与电源电压无关。它可用于感测放大器、直流增益模块和所有其他可由单电源供电的运算放大器。伟大的场合。LM324 采用塑料 14 引脚双列直插式封装。特征 外部频率补偿 高直流电压增益（约100dB） 单位增益带宽（约1MHz） 电源电压宽度：单电源（3-32V）；双电源（1.516V） 低功耗电流，适合电池供电 低输入

47、偏置电流 低输入失调电压和失调电流 共模输入电压范围，包括接地 差模输入电压范围等于电源电压范围 输出电压摆幅大（0 to VCC-1.5V）温漂指数： 0.15ppm3.6 稳压器稳压器由稳压电路、控制电路等组成，当输入电压或负载发生变化时，控制电路进行采样、比较、放大，自动调节线圈匝数比，保持输出的稳定电压。容量较大的稳压器也是利用电压补偿的原理工作的。3.6.1LM7805、LM7812采用lm78/lm79系列三端稳压IC组成稳压电源，外围元器件极少，电路部分还设有过流、过热、调节管等保护电路，可靠、方便、使用便宜。该系列集成稳压IC型号中lm78或lm79后面的数字代表三端集成稳压电

48、路的输出电压。例如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V。由于三端固定集成稳压电路使用方便，在电子生产中经常使用。最大输出电流1.5A，LM78XX系列的输出电压为： 5V； 6V； 8V； 9V； 10V； 12V； 15V； 18V； 24V3.7 系统组件列表姓名模型包装形式数量单片机STC 12C5APDIP-401通讯接口RS2321多通道 RS-232 驱动器/接收器MAX3232DIP-161监视器液晶1602DIP-201晶体振荡器12M,1M最大0.42移位寄存器DM74164NDIP-141运算放大器LM324塑料 14 引脚双列直插式1逆变器7

49、4LS04DIP-141与门74LS08DIP-142三极管9012TO-92B4IGBTTO-3P4电阻排4.7K X 8DIP-162反抗18个滑动变阻器10K1陶瓷电容器30pF、 0.1、0.7F7电解电容器, 100F44*4矩阵键盘1按钮安建1温度感应器铂1001电源1半导体加热器TEC1-12712好几件稳定剂LM7812、LM78052二极管1N40074散热器DIY一些第 4 章：系统电路图4.1PT100 信号调理电路所谓信号调整，就是将传感器输出的非标准信号处理成标准信号。 PT100输出随温度变化的电阻变化信号，单片机无法识别，所以需要外接电路时，电阻信号成为标准信号。

50、标准信号一般为0-5V的电压信号、4-20MA的电流信号或1-10KHZ的频率信号。本项目使用的标准信号为0-5V电压信号，因此可以连接到STC 12C5A60S2单片机的A/D转换输入口（P1.0PT100组成的信号采集电路常用的方法有两种。一种是组成普通桥式电路，另一种是用恒流源电路将恒流源通过温度传感器。温度传感器两端的电压反映了温度。改变。项目中，考虑到成本，采用了桥式电路，原理图如图4-1所示：图4 -1PT100信号调整示意图4.2 换向电路图（输出电路图）由于本项目采用半导体加热冷却片对反应堆进行加热和冷却，通过以上分析，我们已经知道半导体加热冷却片的工作特点是：正电压加热和负电

51、压冷却.这就需要我们设计一个换流电路，根据温度的变化来改变半导体加热和冷却芯片上的电压方向。有两种换流电路可供选择，一种是H桥换流电路，另一种是半桥换流电路。其中，H桥换流电路由四个功率管IGBT组成。其工作特点是：4个功率管IGBT的栅极驱动电压分为两组。 VT1、VT3同时开启和关闭； VT2 和 VT4 同时开启和关闭。这样，只要控制两组栅极的驱动电压，就可以控制电压的方向。半桥换流电路由两个功率管IGBT组成。其工作特点是：给VT1加正电压，给VT2加负电压。 VT1导通时，加热冷却芯片上的电压相对于地为正。当VT1关断，VT2导通时，加热冷却芯片上的电压为正。它相对于地面是相反的。这

52、种换流电路虽然只使用了两个IGBT功率管，但使用的是正负电压，增加了器件成本和实现难度。因此，本项目选用H桥换流电路。电路原理图如图 4-2 所示：图 4-2 换向电路示意图4.3 串口通讯接线图每个单片机都需要与 PC 进行通信，这需要一个通信接口和一个驱动程序。本项目使用的通信接口型号为：RS-232，驱动为MAX3232。示意图如图 4-3 所示。 ：图 4-3 串口通讯示意图4.4 电源电路图为了保持采集信号的准确性，本系统仅使用+12V和+5V电压，因此我们搭建了一个电源电路，如图4-4所示，提供+12V和+5V电压。图 4-4 电源电路图电路中选用带中间插头的变压器，将220V的电

53、压变为20V左右，再经四个二极管整流。这里的二极管型号是1N4007。整流后用1000uf电容滤波，再经LM7812和LM7805稳压后提供+12V和+5V的电压。为了保证电源纹波小，在电源和地之间加了两个0.1uf的电容。4.5LCD显示电路4.5.1液晶显示模组原理液晶屏上显示的字符是通过将它们按顺序连接在方格中（每个方格为一个像素），拼凑而成的字符。通过控制不同像素的通断，可以显示不同的字符或数字。每个字符占据8个方格的宽度和11个方格的高度，即11行8列。但是，不必显示 11 行 8 列或 7 行 8 列的字符。当然，数字液晶屏不能显示汉字，因为汉字和汉字所占的位数不同。本项目对显示要

54、求不是太大，只要显示数字即可，所以选用的液晶显示型号为LCD1602。4.5.2 1602LCD主要技术参数显示容量：162个字符芯片工作电压：4.5-5.5V工作电流：2.0mA (5.0V)模块最佳工作电压：5.0V字符尺寸：2.954.35（宽高） mm4.5.3引脚功能说明1602LCD采用标准14针（不带背光）或16针（带背光）接口。各引脚说明如下：编号象征引脚说明编号象征引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD正电源10D3数据3VL液晶偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5读/写读/写选项13D6数据6乙使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光正极8D1数据16黑

55、色背光负极引脚 1：VSS 为地电源2脚：VDD接5V正电源3脚：VL为液晶显示器的对比度调节端。连接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高。当对比度过高时，会产生“鬼影”。使用过程中可通过10K电位器调节对比度。4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。5脚：R/W为读写信号线，读操作为高电平，写操作为低电平。当 RS 和 R/W 都为低时，可以写入命令或显示地址。当 RS 为低电平时，R/W 为高电平，可以读取忙信号。当 RS 为高时，R/W 为低。可以写入数据。引脚 6：E 端为使能端。当E端从高电平跳到低电平时，液晶模块执行指令。引脚 7-14：D0-D7

56、是 8 位双向数据线。Pin 15：背光灯正极。第16脚：背光源负极。通过以上介绍，绘制的LCD原理图如图4-5所示：图4-51602LCD显示屏接线图4.6 键盘电路图4.6.1矩阵键盘的结构与原理这种方法在关键连接很多的时候会占用大量的I/O口，在系统很大的时候是不能接受的。因此，当按键较多时，可以考虑矩阵键盘的连接方式或者使用专用的键盘接口芯片。矩阵键盘由行线和列线组成，按键位于行和列的交叉处，行和列线分别连接在按键的两端。4.6.2键盘的工作原理与独立键盘类似，矩阵键盘的扫描也有程序查询方式和中断处理方式两种方式，在实际应用中可以根据具体情况进行选择。一般在CPU忙的情况下应该采用中断

57、处理方式。程序查询方法是利用CPU的空闲时间完成其他工作，调用键盘扫描子程序处理按键输入。键盘扫描程序一般应具备以下四个功能。确定是否按下了键盘上的某个键。方法是列行的输出全是 0”，然后读取行行的状态。如果行行全是 1”，表示没有按下键盘，如果不是全消除按键的抖动。该方法与独立键盘中使用的方法相同。找到关键位置。根据上述的键盘扫描方法，逐行逐列地进行扫描，最终确定被按下的键的键号。调用函数处理程序来处理键号的键。在中断处理模式下，CPU响应中断请求后，转入中断服务程序的执行。在中断服务程序中，识别键盘上闭合键的键号，并进行相应的处理。方法与程序查询方法相同。键盘接线图如图 4-6 所示：图

58、4-6 键盘与单片机接线图图为4行4列的键盘连接方式，共16个按键。行线通过上拉电阻连接到+5V。无按键动作时，行线处于高电平状态，按下按键时，对应的行线和列线短路，行线电平状态将由和的电平决定确定连接到该行线的列线。4.7 系统一般电路图通过以上对系统各部分的分析和说明，绘制出以下系统的通用电路图。总电路以单片机为核心，由显示电路、键盘电路、输入电路、输出电路、串行通讯电路、电源电路组成。它还包括几个小元件，如：电阻、电容、运算放大器、稳压器等。原理图如图4-7所示：图 4-7 系统一般电路图第 5 章：系统软件设计本系统使用的控制器为STC 12C5A60S2/AD/PWM系列单片机（部分

59、包含A/D转换和PWM输出）。本单片机有两种编程方式，一种是汇编语言，一种是C语言编程。在这个系统中，我们使用的编程方法是C语言编程方法。本系统的程序分为5个部分。分别是：显示部分、键盘部分、A/D转换部分、主程序、PWM5.1LCD显示程序：#include0;delay1ms-)对于(i=0;i7;i+)for(j=0;j0;延迟-)for(i=0;i124;i+);for(j=0;j124;j+);5.2 键盘程序：#includeSTC 12C5A位 P2_0 = P 2 0; /第1行引脚定义位 P2_1 = P 2 1; /第2行引脚定义位 P2_2 = P 2 2; /第3行引脚

60、定义位 P2_3 = P 2 3; /第4行引脚定义无符号字符键码；代码 分别代表该行0无效键扫描（无效）； /键盘扫描函数声明无效密钥进程（无效）； /关键函数实现函数声明void main(void) /主程序P1=P10 x 0f； /所有列行被清除0而（1）键数=0； /键值被分配了一个无效值键扫描（）； /键盘扫描函数调用关键进程（）； /关键函数实现函数调用void keyscan(void) /键盘扫描函数定义对于键扫描（无效）P1=P1code_keyi; /“i ”列清空“ 0”，其余列设置为”if(p10= =0) /如果第一行有按键按下键数=1+i*4；else if(p