半导体制冷温控系统的毕业设计正文

PAGE./WORD格式整理版CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY毕业设计说明书题目：半导体制冷温控系统的设计二级学院〔直属学部：延陵学院专业：自动化班级:07自Y学生姓名:张浩学号:07121230指导教师姓名：蒋渭忠职称:教授评阅教师姓名：职称：2011年6月.摘要传统的风冷散热系统是不可能把温度降到环境温度以下的,因为当两者的温度几乎相等的时候会很快达到热平衡,此时根本无法继续降温,顶多也只能接近环境温度。而半导体制冷却可以打破常规,能够强行将温度降到比环境温度还低。而它实现的原理,就是强行打破热平衡,实现温差效果。半导体制冷温控系统以STC89C52单片机为控制核心,采用数码管显示器作为显示屏幕,配合按键功能进行人机界面处理,使得操作更加方便。设计中也包含了温度模块,通过数码管屏幕显示温度,以便获取即时准确的信息。关键词：STC89C52；数码管；温度传感器AbstractThetraditionalair-cooledheatdissipationsystemisnotlikelytotakethetemperaturedroppedtoenvironmentaltemperaturebelow,becausewhenboththetemperatureisalmostequal,itwillsoonreachthermalequilibrium,thenitcan'tcontinuetocool,itcanonlyclosetoenvironmentaltemperature,.butSemiconductorrefrigerationcanbreaktheroutine,itcanforcedthetemperaturedroptolowtemperaturethanenvironment.Itimplementstheprincipleofthermalequilibriumtemperature,realizeforciblybreakeffect.SemiconductorrefrigerationtemperaturecontrolsystemusesSTC89C51microcontrollerascontrolcore,usingdigitaltubedisplayasthedisplayscreen,cooperatewithkeysfunctionfortheman-machineinterfaceprocessing,makingoperationmoreconvenient.Italsoincludestemperaturemodule,usingdigitaltubescreendisplaytemperature,sothatwecanobtainreal-timeaccurateinformation.Keyword:STC89C52；Digitaltube；Temperaturesensor.目录摘要ⅠAbstractⅡ1绪论11.1几种制冷方式介绍11.2半导体制冷的原理31.3半导体制冷的应用41.4国内外发展历程51.5半导体制冷的发展前景71.6半导体制冷优缺点71.7温度控制的研究现状及发展81.8温度控制系统完成的功能91.9本课题所要解决的主要问题92系统方案设计102.1总体方案比较102.1.1显示器方案102.1.2温度方案102.2最终选择方案11实现原理112.2.2系统总体框图113硬件电路设计123.1硬件结构123.2核心控制123.3电源电路123.4

显示电路143.4.1数码管介绍143.4.2限流电阻的确定163.4.3开关三极管及其基极电阻的确定163.5温度采集电路173.5.1温度测量简介173.5.2数字温度传感器DS18B20173.5.3DS18B20的测温流程173.5.4DS18B20的工作原理183.5.5DS18B20的工作时序183.5.6DS18B20的常用指令193.5.7DS18B20与单片机的接口203.5.8单片机读取DS18B20温度值的编程操作213.6按键输入模块设计223.7继电器控制部分243.7.1固态继电器的用途与功能243.7.2固态继电器的工作原理253.7.3固态继电器的驱动原理253.7.4固态继电器的选择264制冷系统设计274.1半导体制冷器概述274.2半导体制冷系统制作285总体硬件设计电路296系统软件设计306.1软件设计思想306.2程序模块306.2.1主函数306.2.2定时子程序316.2.3按键扫描子程序326.3温度采集电路326.3.1

温度系统程序流程图326.3.2

温度部分软件设计327系统调试347.1系统调试软件347.2软件调试347.2.1代码程序定义出错347.2.2温度检测部分测试34结论35参考文献37致谢38附录一STC89C52简介39附录二程序源代码41附录三元器件清单49附录四简单说明51附录五实物图52.第一章绪论1.1几种制冷方式介绍1.蒸汽压缩式制冷：在蒸汽压缩制冷循环系统中,压缩机从蒸发器吸入低温低压的制冷剂蒸汽,经压缩机绝热压缩成为高温高压的过热蒸汽,再压入冷凝器中定压冷却,并向冷却介质放出热量,然后冷却为过冷液态制冷剂,液态制冷剂经膨胀阀〔或毛细管绝热节流成为低压液态制冷剂,在蒸发器内蒸发吸收循环水〔空气中的热量,从而冷却循环水〔空气达到制冷的目的,流出低压的制冷剂被吸入压缩机,如此循环工作。这是生产生活中最常用的制冷方式,大多数冰箱的工作原理就是如此。它有着设备简单,制冷效果好等优点,具有最优秀的性价比。但它所使用的制冷剂,如氟里昂等,会破坏臭氧层,对环境存在着有害影响。2．吸收式制冷：吸收式制冷是利用某些具有特殊性质的工质对,通过一种物质对另一种物质的吸收和释放,产生物质的状态变化,伴随吸热和放热过程。吸收式制冷装置由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、循环泵、节流阀等部件组成,工作介质包括制取冷量的制冷剂和吸收、解吸制冷剂的吸收剂,两者组成工质对。稀混合溶液在发生器中被加热,分离出一定流量的制冷剂蒸汽进入冷凝器中,蒸汽在冷凝器中被冷却,并凝结成液态；液态制冷剂经过节流降压,进入蒸发器,在蒸发器内吸热蒸发,产生冷效应,制冷剂由液态变为气态,再进入吸收器中；另外,从发生器流出的浓溶液经换热器和节流降压后进入吸收器,吸收来自蒸发器的制冷剂蒸汽,吸收过程产生的稀溶液由循环泵加压,经换热器吸热升温后,重新进入发生器,如此循环制冷。吸收式制冷以自然存在的水或氨等为制冷剂,对环境和大气臭氧层无害；以热能为驱动能源,可以利用余热、废热、太阳能等,在同一机组中还可以实现制冷和制热〔采暖的双重目的。不过它同时也有着制冷量小且价格昂贵等缺点。3.热电制冷：热电制冷又称为温差电制冷,或半导体制冷,它是利用热电效应的一种制冷方法。其原理是两种不同材料组成的热电回路在有直流电通过时,两个接头处分别发生了吸热、放热现象。半导体比金属更容易产生热电效应。从冷空间吸收的热量通过N-型和P-型半导体热电偶元件传递到热源接受器,然后排放到周围环境中。如果电流方向改变,通过半导体材料的电流方向也随之改变。冷空间就变成了热空间,也就是说系统就处于制热状态。热电制冷器的制冷量一般很小,所以不宜大规模和大制冷量使用。但由于它的灵活性强、简单方便、冷热切换容易,非常适宜于微型制冷领域或有特殊要求的制冷场所。4.太阳能制冷：目前,实现太阳能制冷主要有两种形式：一种是光电转换制冷,实际上是太阳能发电的一种应用,先实现光电转换,再利用太阳能电池驱动压缩式制冷系统；另一种是太阳能光热转换制冷,其研究方向主要包括太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能喷射式制冷。而其原理同上述几种制冷方式原理相同,太阳能制冷的本质就是以太阳能作为制冷能源。太阳能制冷有着节约能源,对环境无害等优点,但其对天气有很强的依赖性,而且制冷效率较低。5.激光制冷：物体的原子总是不停地做无规则运动,实际上就是物体温度高低的热运动,即原子运动越激烈,物体温度越高；反之,温度就越低。所以,只要降低原子运动速度,就能降低物体温度。激光制冷的原理就是利用大量的光子阻碍原子运动,使其减速,从而降低了物体温度。美籍华裔物理学家朱棣文先生采用三束相互垂直的激光,从各个方向对原子进行照射,使原子陷于光子海洋中,运动不断受到阻碍而减速。激光的这种作用被形象地称为"光学粘胶"。在试验中,被"粘"住的原子可以降到接近绝对零度的低温。这种制冷方式能使原子冷却到绝对温度零上百万分之一度,是实验室中所能达到的最低温度。6.磁制冷：磁制冷首先是给磁体加磁场,使磁矩按磁场方向整齐排列〔磁熵变小,然后再撤去磁场,使磁矩的方向变为紊乱〔磁熵变大,这时磁体从磁场周围吸收热量,通过热交换使周围环境的温度降低,从而达到制冷的目的。所谓磁制冷就是利用磁体的磁矩在无序态和有序态之间来回交换的过程中,磁体放出或吸收热量从而制冷的冷却方法。为了达到高效率,要求磁体产生的磁熵变化要大,晶格的热振动要小,热传导率要高以及具有高的电阻率。我国在磁制冷材料方面的研究起步较晚,与美国和日本相比还有差距。磁制冷是一种制冷效率高、能量消耗低、无污染的制冷方法。因此,我们应加快在磁制冷材料方面的研究步伐。上述几种制冷方式,有的已经广泛应用于生活,有的仅适合实验室使用。有的则正在实验阶段,有着广阔前景,而新型的制冷方式仍是需要我们不断探索研究。1.2半导体制冷的原理半导体制冷是一项古老的技术,早在上世纪50年代就掀起过一股热潮。因为它通电即能变冷,十分简易方便,大受家电厂家的青睐。可是由于当时元器件性能较差而未能实用化。近年来,随着科学技术的迅猛发展,半导体制冷器件的各技术难题被逐步攻破,半导体制冷的优势重新显露出来。逐渐应用于许多小型家电、设备。特别是近几年来,这一项高新技术更是有了突飞猛进的发展。半导体制冷原理是半导体材料的温差效应——如果把不同极性的两种半导体材料<P型、N型>联接成电偶对,通过低压直流电时就会发生能量的转移——电流由N型元件流向P型元件时便吸收热量,这个端面会逐渐变冷,称为冷面；同时电流由P型元件流向N型元件时便放出热量。这个端面会逐渐变热,称为热面；热量从器件的一面传向了另外一面。重要的是,这种现象是完全可逆的,只要改变直流电的正负极性,热量传递的方向就会改变,同一制冷器可以实现制冷和制热两种功能,因此,热电制冷器既可用于加热又可用于冷却,非常适合用于对温度要求精确的温度控制场合。图1-1半导体制冷原理图把一个N型和P型半导体的粒子用金属连接片焊接成一个电偶对。当直流电流从N极流向P极时,2、3端上产生吸热现象,此端称为冷端；而下面的1、4端上产生放热现象,此端称为热端。如果电流方向反过来,则冷热端相互转换。由于一个电偶产生热效应较小,所以实际上将几十甚至上百对电偶联成热电堆。所以半导体的制冷即一端吸热一端放热,是由载流子〔电子和空穴流过结点,由势能的变化而引起的能量传递,这是半导体制冷的本质。图1-1半导体制冷原理图1.3半导体制冷的应用半导体制冷器作为先进的无污染制冷器材,将在工农业、医疗、科研、国防等领域得到广泛的应用。目前国内外半导体制冷器已有数十个应用项目,新的应用项目仍在不断开发中。<1>在电子工业中,半导体制冷器作为低温温度稳定器,可用来提高电子元器件的性能。例如,在半导体制冷器产生的低温环境中,红外探测器性能明显提高,即响应时间缩短,灵敏度提高,响应波长变宽；光电倍增管暗电流和噪声降低；石英晶体振荡频率稳定等等。<2>半导体制冷器作为一种冷源,可以代替干冰,实现无冷媒的制冷,用于测量、控制和提高工艺性能。例如,在真空扩散泵中采用冷阱,真空度可提高一个数量级。在实验室中,半导体制冷器用于样品的凝固点、浊点分析和测定时,可对任意点可进行简易可靠的温度控制,减轻了通常用冰、二氧化碳干冰或机械制冷所带来的麻烦。<3>半导体制冷器可用于气象学中的露点温度测定、照片及x光底片定影显影、材料行业的低温物理性能实验、工业气体含水量的测定与控制等。<4>在医疗和临床上,病理半导体冷冻机已得到广泛的应用。因此,手术病理报告十几分钟就可做出<常规石蜡切片一般要23天>,大大提高了诊断周期,为外科医生及时确定手术方案提供了可靠的依据。在脑外颅脑降温帽、眼科白内障摘除器、半导体冷冻刀、皮肤冷冻治疗中也得到应用。用半导体制冷器可制作冷热一体箱,即将冷端做成冰箱,热端做成温箱,实现一机两用,节省能源。用半导体制冷器做成的药用半导体冷藏箱,可以很好的保存血浆、疫苗、血清、药品等。<5>计算机主板上的CPU正常工作时就会散发热量,多数采用小风扇降温,噪音较大。如果将小风扇改为半导体制冷器,降温效果会更好。<6>半导体制冷器也使用在车辆、核潜艇、驱逐舰、深潜器、减压舱、地下建筑等特殊环境下的空调、冷藏和降湿装置。随着制冷性能的不断提高,成本逐渐降低,半导体制冷器必将得到广泛的应用。1.4国内外发展历程我国半导体制冷技术起步于50年代末、60年代初。当时在国际上也是比较早的研究国家之一。60年代中期,半导体材料的性能已经达到了国际水平,60年代末至80年代初是我国半导体制冷器技术发展的一个新阶段。在此期间,一方面研究半导体制冷材料的高优值系数,另一方面拓宽其应用领域。中国科学院半导体研究所投入了大量的人力以及物力研究半导体制冷器。但与发达国家相比,我国还未把高效热电材料的研究列入任何正式的国家研究计划,目前国内仅有清华大学、XX大学、中科院物理研究所等机构从事热电材料开发方面的研究工作。随着我国国民经济的迅速发展,对环境的破坏也日益严重,热电材料由于其在环境保护方面的特殊功能,已经成为我国新材料研究领域的一个热点,许多领域有待于用半导体制冷技术去进一步开拓。国外对半导体制冷技术的研究经历了三个阶段——第一个阶段是自塞贝克和珀尔帖先后发现温差电流现象和温度反常现象,进行热电发电和热电制冷的研究,一直到20世纪50年代,由于使用的金属材料的热电性能较差,能量转换的效率很低,无实用价值,热电效应没有得到实质性的应用。第二阶段是20世纪50年代初到80年代,主要通过半导体材料的广泛应用,发现半导体材料具有良好的热电性能,使热电效应的效率大大提高,从而使热电发电和热电制冷进入工程实践。20世纪50年代,前苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究,于1954年发表了研究成果,表明碲化铋化合物固溶体有良好的制冷效果。这是最早的也是最重要的热电半导体材料,至今还是温差制冷中半导体材料的一种主要成份。约飞的理论得到实际应用后,有众多的学者进行研究,到60年代半导体制冷材料的优值系数已达到相当水平,并得到大规模的应用。第三阶段是80年代以后,主要立足于提高半导体的热电制冷的性能,进一步开发热电制冷的应用领域。目前,国内外市场上也出现一种冷暖两用箱的产品,它通过采用12T对偶组成的制冷器,在通常的环境下,冷热面的温差大于50℃,当有效容积为9～12L时,最低温度可达-5℃。环境试验用的半导体低温试验箱,可用于集成电路半导体器件,无线电元件和金属与非金属材料的低温试验。采用水冷的一级温度制冷器时工作温度范围是-10℃～+50℃,有效容积8L；采用二级制冷时,工作温度范围可以达到-20℃～+50℃,有效容积为6L。半导体光刻用恒温槽；水循环恒温器,最低温度可达-20℃的低温恒温槽；恒温范围在-10℃～+60℃的生物化学试验用恒温槽等。由于光纤通讯是最近十几年发展起来的,所以生产光纤通讯用半导体制冷器的厂家很少,生产厂家主要集中在日本、美国及西欧几个发达国家,日本在这方面作得最好。日本的系统技研公司研制的半导体制冷器,温度范围达到－20℃～＋85℃。日本的Ferrotec株式会社即大和热磁电子有限公司主要生产半导体制冷器和热电材料晶体,半导体制冷器型号主要有TC-48/T/H48和TC-1616,制冷器最大温差70℃。日本的三菱公司、日立电器和NEC公司的半导体制冷技术也比较先进。比利时卢森堡电器公司生产的半导体制冷器,可用直流11～26V,或用交流100～130V、200～250V供电,其每小时耗电：12V时为5Wh；110V时为80Wh；220V时为75Wh,工作环境温度为-20°C～+38°C。美国也有数十家电子公司生产半导体制冷器,其中Interface公司可以达到日本NEC公司的技术水平,温度控制范围最大可以达到-20℃～+85℃。从国内外对半导体制冷研究的现状来看,半导体制冷技术还没有成熟,目前还有一些因素制约它的发展：<1>制冷方面,制冷系数以及半导体热电偶优值系数还有需要进一步提高,新材料还有待于去发现或发明,1998年秋季在美国波士顿召开的材料研究学会学术会议上,热电材料再一次成为讨论的主题,美国科学家Tritt比较乐观地认为在未来几年内热电材料的研究将会有惊人的突破。<2>热电材料的制取、焊接工艺还要努力提高,采用无限级联温差电偶对结构、场致电发射结构、柔性功能梯度材料做绝缘层、热电偶冷端点阵接触结构、悬臂热接触结构等结构模式,可以优化电臂结构热传递,减少接触层电阻和热阻的不利影响,消除热应力损伤,从而提高热电制冷器性能,但是,这些结构模型都有工艺上的困难,要达到工程应用阶段还需时日。<3>热电制冷要求使用平稳的直流电,要把半导体制冷技术用在家用空调上,必须有一个大电流整流设备,目的是将交流电转为直流电。<4>半导体制冷在大功率方面的突破,采用串联并联的复合模式将成为一个发展方向,但是,会面临更加复杂的半导体散热性能以及效率问题,已经成为该行业应用的一个主要问题。<5>提高半导体温度控制精度,确定热电堆的最佳工作状态是最困难的,与常规的制冷方式相比,半导体制冷的一个重要的不同之处在于制冷元件的工作不稳定性。半导体的特性随着温度的变化而变化,因此,半导体制冷元件的热电堆的最佳工作状态不是一成不变的。如何确定一定条件下半导体热电堆的最佳工作参数一直困扰着人们,也是制约半导体制冷得以大范围推广的一个重要因素,这个问题将在后续阶段不断研究。1.5半导体制冷的发展前景温度是工业生产中相当重要的参数,温度检测和控制的准确性直接影响产品的稳定性和准确性。因此,在很多工业仪器仪表中,对温度要求较为严格。较高精度的恒温系统是一个仪表仪器的有力保证。现在的仪器都是趋于小型化、便携化的方向发展,所以研究小型化温控系统意义明显。中国科学院半导体研究所投入了大量的人力和物力,获得了半导体制冷片,因而才有了现在的半导体制冷片在温控系统方面的应用。控制器件采用半导体制冷器,使得小型温控系统达到了较高的要求,为解决温度控制提供了良好的基础。半导体制冷技术有其广阔的应用前景,特别是在电子、军工、医疗卫生等行业,半导体制冷往往是唯一的选择。随着人们的生活水平提高,人们越来越注重生活品质,国际、国内市场上的应用半导体制冷技术的产品日渐丰富起来。如饮水机<冷热两用型>,小型冷藏箱,便携式汽车／旅游冰箱,冷热两用杯,高档名贵酒类藏柜,女性用的化妆盒等等。在冰箱上的应用国内仍处于起步阶段,这主要是受到半导体材料本身的性能指标的限制,也就是材料优值系数的限制,以至于半导体冰箱只能应用于制冷量较小、只需要冷藏温度的场合,在现阶段的应用中,主要是半导体片的热面散热问题未能得到很好的解决,随着基础科学的研究,材料性能得以提高,实际的散热问题一定能解决,应该说,半导体制冷器在不久的将来将有较大的市场。1.6半导体制冷优缺点机械压缩式制冷系统包括压缩机、蒸发器、冷凝器、节流阀、制冷剂等,而热电制冷系统仅包括冷端、热端、电源、电路等,即它不需要制冷剂。其次其工质是在固体中传导的电子,无工质泄漏,且无机械运动,无噪声,体积小,可靠性强。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。第三,其制冷量调节范围宽,冷热转换快。因此,在某些地方,有着压缩式制冷机无法替代的作用。第四,半导体制冷片是电流换能型元件,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。第五,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,制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范畴。但是,由于半导体材料,电源和热端散热等方面的影响,热电制冷与常规的压缩制冷相比,仍然存在着制冷效率低等问题。1.7温度控制的研究现状及发展温度是科学技术中最基本的物理量之一,物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中,像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内,温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。比如,发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中,原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境,许多电子设备就不能正常工作,粮仓的储粮就会变质霉烂,酒类的品质就没有保障。因此,各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见,温度的测量和控制是非常重要的。温度控制在工业自动化控制中占有非常重要的地位。单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命,自动化、智能化均离不开单片机的应用。将单片机控制方法运用到温度控制系统中,可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象,同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。现代自动控制越来越朝着智能化发展,在很多自动控制系统中都用到了工控机,小型机、甚至是巨型机处理机等,当然这些处理机有一个很大的特点,那就是很高的运行速度,很大的内存,大量的数据存储器。但随之而来的是巨额的成本。在很多的小型系统中,处理机的成本占系统成本的比例高达20%,而对于这些小型的系统来说,配置一个如此高速的处理机没有任何必要,因为这些小系统追求经济效益,而不是最在乎系统的快速性,所以用成本低廉的单片机控制小型的,而又不是很复杂,不需要大量复杂运算的系统中是非常适合的。随着社会的发展,科技的进步,以及测温仪器在各个领域的广泛应用,智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。特别是近年来,温度控制系统已应用到人们生活的各个方面,但温度控制一直是一个未开发的领域,却又是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况,设计一个温度控制系统,具有广泛的应用前景与实际意义。单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛,在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样,各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。1.8温度控制系统完成的功能本设计的内容是温度控制系统,控制对象是温度。温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛,比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视,其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。针对此问题,本系统设计的目的是实现一种可连续调温的温度控制系统,它是对温度进行实时检测与控制,系统实现了基本的温度控制功能：当温度高于设定温度时,系统自动启动半导体制冷器降温,使温度下降,当温度下降到设定温度以下时,停止降温。数码管即时显示温度,精确到小数点一位。1.9本课题所要解决的主要问题1硬件设计：在元器件的布局方面,应该把相互有关的元件尽量放得靠近一些,在电路板上要焊接到位,消除虚焊等不良因素。在整个电路设计上如何消除电路中的信号干扰,这也是非常重要的一步。2供电电源设计：220V交流电经变压、整流、滤波后,稳压于5V做为电路的电源。必须对系统的模拟电源和数字电源严格分开,以免对输出的信号有干扰,尤其在高频部分的电源是要去耦处理的[4],避免电源引线产生电路谐振。3软件设计:系统硬件电路确定后,整个系统的功能都由系统软件来实现,系统软件是整个仪器的血液和灵魂,软件编写的好坏直接影响系统功能和性能的好坏。因此,软件的研制是本课题的一项主要任务。.第二章系统方案设计2.1总体方案比较显示器方案方案一：使用LCD液晶显示器。优点：控制简单,界面友好,显示的数据量大。但是LCD在制造过程中由于良品率很低,导致成本无法降低；可视角度小,对于个人使用来说是足够了,但是如果几个人同时观看,失真的问题就显现出来了；由于液晶分子不能自己发光,所以,液晶显示器需要靠外界光源辅助发光,其亮度和对比度不是很好。方案二：采用LED数码管。优点：价格低、体积小、重量轻；寿命长,使用寿命在10万小时以上,甚至可达100万小时；抗冲击性能好；能在低电压、小电流条件下驱动发光,发光响应时间极短,高频特性好；单色性好,亮度高,显示数据清晰明了。2.1.2温度方案方案一：通过温度传感器LM35进行数据采集。通过数据总线产生的模拟电信号经过AD采集电路转化为数字信号,经单片机再处理后显示。.LM35是3脚的温度模拟传感器,输出的是电压信号,它是根据电压大小来测量温度的,缺点是很容易坏。方案二：利用热敏电阻做为传感器。当温度发生变化时,热敏电阻的阻值也将发生变化,再通过A/D采集电路把当前的电压值转化为数字信号,通过单片机STC89C51计算再显示。但是电阻价格高,需要复杂的恒流源伺服电路,数据处理复杂,电阻较大损耗大,响应时间和恢复速度较长,它的阻值与温度的关系非线性严重,而且元件的一致性差,互换性差、易老化,稳定性较差。方案三：利用温度传感器DS18B20进行温度采集。通过数据总线传送数据给单片机,经过计算后显示。DS18B20是一个数字温度采集IC,只需三根导线和一个电阻,因为它输出的信号就是8位的数字信号,所以不需要其他任何外围电路即可直接可以测得温度值,电路非常简单。2.2最终选择方案1显示部分采用数码管显示器实现显示功能。在降温过程中,我们利用数码管将从传感器所测量出来的温度显示出来。这样就能直观地观察到即时的温度情况,以便更好的验证系统的性能。2温度测量部分,采用温度芯片DS18B20测量温度。因为比较以上三种方案,很容易看出,方案一、方案二测出的一般都是电压,再转换成对应的温度,需要比较多的外部硬件支持,硬件电路复杂,软件调试复杂,制作成本高；而方案三采用温度芯片作为测温元件,此元件线形较好。在0—100摄氏度时,最大线形偏差小于1摄氏度。该芯片直接向单片机传输数字信号,电路比较简单,便于单片机处理及控制,软件设计容易实现。直接采用温度芯片对温度进行测量是本制作的最大特点之一,因为它使数据传输和处理简单化,体现了作品芯片化这个趋势。部分功能电路的集成,使总体电路更简洁,搭建电路和焊接电路时更快。而且,集成块的使用,有效地避免外界的干扰,提高测量电路的精确度。所以芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。本方案应用这一温度芯片,也是顺应这一趋势。所以实际设计中采用方案三。实现原理系统采用89C52单片机作为中心处理器,采用DS18B20测量温度后由数码管进行显示。同时以按键作为人机界面调整。系统总体框图给定量给定量〔设定的温度控制器〔单片机执行器〔制冷系统被控对象〔密闭空间被控量〔空间实际温度检测装置〔温度传感器控制量〔制冷量比较器图2-1系统总体框图.第三章硬件电路设计3.1硬件结构系统主要分为电源电路部分、单片机最小系统部分、按键电路部分、数码管显示部分、温度采集部分、继电器控制部分。图图3-1系统硬件结构图3.2核心控制由于系统对速度、功耗等没有特殊要求,从性能及设计成本考虑,通用廉价的STC89C52完全能够胜任,而且控制比较方便,用其他的比如AVR就显得大材小用,所以选择了STC89C52作为系统控制核心。STC89C52的广泛使用,使单片机的价格大大下降。目前,89C52的市场零售价已经低于8255、8279、8253、8250等专用接口芯片中的任何一种,而89C52的功能实际上远远超过以上芯片。因此,如果把89C52作为接口芯片使用,在经济上是合算的。系统采用的是上电复位,时钟晶振采用的是6MHz时钟晶振。系统在接通电源的时候,由于电容的充放电作用,给单片机的9引脚复位引脚一个长时间的高电平,使系统复位,回到初始状态。晶振两边各接有一个22PF的瓷片电容,是为了帮助晶振起振。单片机的P0口没有内置的上拉电阻,因此当P0口作为输入或者输出口时需要在P0口接上上拉电阻。单片机的31引脚是程序存储器的选择端口,系统采用的是内部的程序存储器,因此31引脚要接高电平,保证系统能够正常的工作。3.3电源电路在本设计中,由于系统主控芯片单片机的工作电压必须是+5V的电压,为了简化电路设计,系统电源电路采用了三端稳压器件7805作为稳压芯片。电子产品中,三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路,以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点,成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。常见的三端稳压集成电路有正电压输出的LM78××系列和负电压输出的LM79××系列。顾名思义,三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出,分别是输入端、接地端和输出端。它的样子像是普通的三极管,用LM78/LM79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的LM78或LM79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压,如LM7806表示输出电压为正6V,LM909表示输出电压为负9V为了获得稳定的系统工作电源,我们设计的电源电路如图3-2。图3-2系统电源电路原理图如图所示电路为输出电压+5V、输出电流1.5A的稳压电源。12V直流电源在三端稳压器LM7805的和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压<该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化>。直流电压经过LM7805的稳压和电容的滤波后便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压,该电源作为单片机电路的工作电源。由于在稳压之前和稳压之后电压中会存在一定的高频杂波干扰,因此在这里选用104的瓷片电容滤除高频的杂波干扰,使原本含有杂波脉动的直流变的更加的平稳。如果系统对电源电压要求比较高的话,还可以加一个100UF的电解电容,以滤除低频杂波的干扰。采用LED作为电源指示灯,由于LED是电流电量的器件,点亮的电流大约在5到30mA之间,因此在电源指示电路中加入了限流电阻。3.4显示电路数码管介绍系统的显示部分采用的是用PNP三极管9012驱动三个共阳极的单位数码管组成。由于共阳极数码管的结构原理是8个LED灯的阳极是公共的,由不同的LED亮来显示不同的数字。当有多个LED亮时,驱动电流就在多个LED上面分流,亮度就会达不到要求,因此在这里加入了三极管放大驱动,以保证数码管的亮度。同样的在数码管的电路当中也加入了限流电阻。数码管是一种半导体发光器件,其基本单元是发光二极管。实际上是由7个发光管组成8字形构成的,加上小数点就是8个。我们分别命名为a、b、c、d、e、f、g、h。要使数码管显示0—9这10个数字,只要控制其相应的管脚所接发光二极管点亮便可完成。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管,八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元〔多一个小数点显示；按能显示多少个"8"可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极<COM>的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V,当某一字段的阴极为低电平时,相应字段就点亮；当某一字段的阴极为高电平时,相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极<COM>的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上,当某一字段发光二极管的阳极为高电平时,相应字段就点亮；当某一字段的阳极为低电平时,相应字段就不亮。数码管的驱动方式①静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动,或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单、显示亮度高,缺点是占用I/O端口多,如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动,一个89C52单片机可用的I/O端口才32个,实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动,增加了硬件电路的复杂性。②动态显示驱动：数码管动态显示是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一,动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp,"的同名端连在一起,另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路,位选通由各自独立的I/O线控制,当单片机输出字形码时,所有数码管都接收到相同的字形码,但究竟是那个数码管会显示出字形,取决于单片机对位选通COM端电路的控制,所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开,该位就显示出字形,没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的COM端,就使各个数码管轮流受控显示,这就是动态驱动。在轮流显示过程中,每位数码管的点亮时间为1～2ms,由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应,尽管实际上各位数码管并非同时点亮,但只要扫描的速度足够快,给人的印象就是一组稳定的显示数据,不会有闪烁感,动态显示的效果和静态显示是一样的,能够节省大量的I/O端口,而且功耗更低。在编程时,需要输出段选和位选信号,位选信号选中其中一个数码管,然后输出段码,使该数码管显示所需要的内容,延时一段时间后,再选中另一个数码管,再输出对应的段码,高速交替。例如需要显示数字"12"时,先输出位选信号,选中第一个数码管,输出1的段码,延时一段时间后选中第二个数码管,输出2的段码。把上面的流程以一定的速度循环执行就可以显示出"12",由于交替的速度非常快,人眼看到的就是连续的"12"。在动态显示程序中,各个位的延时时间长短是非常重要的,如果延时时间长,则会出现闪烁现象；如果延时时间太短,则会出现显示暗且有重影。一般在动态扫描送入数据后延时3到5毫秒左右,以保证给数码管一个点亮的时间。另外在软件中,数码管不能直接识别十进制的数字,因此在软件编程进行显示时要把数值转化成对应的模值送到数码管进行显示。显示数字2则是c,f,h〔小数点不亮,同时由于接法是共阳接法,那么为0〔低电平是亮,为1〔高电平是灭。从高到低排列,〔p0.7_p0.1写成二进制为10100010,把它转化为16进制则为A2H。我们可以根据硬件的接线把数码管显示数字编制成一个表格3-1,以后直接调用就行了。图3-图3-3数码管外形图表3-1数码管显示表显示p0.7cp0.6ep0.5dpp0.4dp0.3gp0.2ap0.1fp0.0bHEX代码00010100028H1011111107EH210100010A2H30110001062H40111010074H50110000161H60010000121H7011110107AH80010000020H90110000060H3.4.2限流电阻的确定每只数码管的管压降为1.8V左右,而开关三极管9012的饱和导通电压为0.4V,因此,可得到限流电阻阻值为：=<5-0.4-1.8>÷1=2.8KΩ=<5-0.4-1.8>÷5=0.56KΩ从以上的计算可得,限流电阻的阻值可以0.56～3.8KΩ间选取,这里我们选取了820Ω的电阻。3.4.3开关三极管及其基极电阻的确定选用了直流放大倍数为50的PNP型三极管,以数码管的每段电流为5mA计算,每只数码管最大工作电流为：=5×8=40mA这时便可以确定基极限流电阻：=40÷50=0.8mA=<5-0.7>÷0.8=5.38KΩ只要不大于5.38KΩ就可以,因此我们选择了2.2KΩ的电阻。3.5温度采集电路3.5.1温度测量简介温度的测量是从金属<物质>的热胀冷缩开始。水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准,可是它的缺点是只能近距离观测,而且水银有毒,玻璃管易碎。代替水银的有酒精温度计和金属弹簧片温度计,它们虽然没有毒性,但测量精度很低,只能作为一个概略指示,不过在居民住宅中使用已可满足要求。在工业生产和实验研究中为了配合远传仪表指示,出现了许多不同的温度检测方法,常用的有电阻式、热电偶式、PN结型、辐射型、光纤式及石英谐振型等。它们都是基于温度变化引起其物理参数<如电阻值,热电势等>的变化的原理。随着大规模集成电路工艺的提高,出现了多种集成的数字化温度传感器。3.5.2数字温度传感器DS18B20图3-4

DS18B20引脚图温度采集电路采用的是DS18B20数字温度传感器采集被控对象的实时温度,DS18B20采用单总线式的方式,连线简单。如图3-4,其中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图3-4

DS18B20引脚图3.5.3DS18B20的测温流程初始化初始化DS18B20跳过ROM匹配温度变换延时1S跳过ROM匹配读暂存器转换成显示码数码管显示图3-5DS18B20测温流程3.5.4DS18B20的工作原理DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同,只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同,且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。DS18B20测温原理如图3-6所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1；高温度系数晶振的振荡频率随温度变化明显改变,所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3-6中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正计数器1的预置值。图3-6DS18B20测温原理框图DS18B20工作时序根据DS18B20的通讯协议,主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：1.每一次读写之前都必须要对DS18B20进行复位；2.复位成功后发送一条ROM指令；3.最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒,然后释放,DS18B20收到信号后等待15～60微秒左右后发出60～240微秒的存在低脉冲,主CPU收到此信号表示复位成功。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序,具体工作方法是:1.DS18B20的初始化先将数据线置高电平"1",然后延时〔该时间要求的不是很严格,但是尽可能的短一点,将数据线拉到低电平"0"并延时750微秒〔该时间的时间范围可以从480到960微秒,之后数据线拉到高电平"1"然后延时等待〔如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平"0",据该状态可以来确定它的存在,但是应注意不能无限的进行等待,不然会使程序进入死循环,所以要进行超时控制。若CPU读到了数据线上的低电平"0"后,还要做延时,其延时的时间从发出的高电平算起,最少要480微秒,最后将数据线再次拉高到高电平"1"后结束。2.DS18B20的写操作先将数据线置低电平"0",延时确定的时间为15微秒。按从低位到高位的顺序发送字节〔一次只发送一位,延时时间为45微秒。然后将数据线拉到高电平。重复上述操作直到所有的字节全部发送完为止。最后将数据线拉高。3.DS18B20的读操作先将数据线拉高"1",延时2微秒,将数据线拉低"0",延时15微秒后将数据线拉高"1",再延时15微秒后读数据线的状态得到1个状态位,并进行数据处理,最后延时30微秒。DS18B20的常用指令一般常用的指令有：0xcc、0x44、0xbe,通过单线总线端口访问DS1820的协议如下：•初始化•ROM操作命令•存储器操作命令•执行/数据0xcc：skipROM命令,即跳过ROM操作命令这一步,用于只有一个测温芯片〔也称从机时以节省时间；多个从机时用会造成总线上的数据冲突。在只有一个测温芯片时,在每次输入指令前均可使用该命令以节省时间。0x44：ConvertT命令,即启动温度转换,可理解为测量温度命令。执行完该命令后,18b20测量一次温度并将结果存到便签式寄存器〔SCRATCHPAD的TEMPERATUREMSB和TEMPERATURELSB单元中。0xbe：ReadScratchpad命令,即读取便签式寄存器里的数据内容。读取方式为从字节0〔TEMPERATURELSB开始,直到第9个字节〔字节8,CRC读完为止。如果不想读完所有字节,单片机可以在任何时间发出复位命令来中止读取。单片机采集DS18B20中温度值的操作顺序：初始化DS18B20跳过ROM[CCh]温度转换[44h]等待温度转换的完成初始化DS18B20跳过ROM[CCh]读暂存存储器[Beh]程序段如下：Init18B20〔；//初始化18B20Write_18B20<0xCC>;//执行skip命令,直接进入功能命令Write_18B20<0x44>;//温度转换While〔P2_1=0；//等待18B20转换完成Init18B20〔；//复位Write_18B20<0xCC>;//执行skip命令,直接进入功能命令Write_18B20<0xBE>;//读取温度寄存器Lowbyte=read_18B20<>;//读取温度值低字节Highbyte=read_18B20<>;//读取温度高字节在使用读取温度值命令[BEh]读入温度存储器[Beh]TH、TL前,应使用温度转换命令启动DS18B20的温度转换[44h],才能保证读入的是当前的温度值,在转换完成后用skipROM[CCh]命令直接进入readTemperature[BEh]命令读取温度值,然后将读取的温度值存入设置好的lowbyte和highbyte中。3.5.7DS18B20与单片机的接口在AT89C52单片机和DS18B20的连接过程中,单片机的任一I/O接口都可与DS18B20连接,设计中是将DS18B20的数据引线DQ与单片机的P2.1相连,DS18B20使用外接电源,R1为上拉电阻。只占用单片机的一个I/O接口,每个DS18B20都可以设置成数据总线和外部供电两种供电方式,采用总线供电可以减少一根导线,但测量时间较长,而外部供电测量速度较快。本设计DS18B20的初始化是由单片机控制的,主机发出一个复位脉冲接着释放总线并进入接收状态,DS18B20会在检测到的上升沿后等待15-60us,然后发送一个低电平的脉冲响应主机,接下来初始化完成。接下来再对DS18B20进行写时序和读时序操作即完成对DS18B20的设置。单片机读取DS18B20温度值的编程操作DS18B20使用外部供电方式,在进行转换时DS18B20会占用总线,完成后再释放,因此可直接检测总线的状态即可,在读数时只需读出存储器的前两个字节。单片机对DS18B20写入的第一个字节的程序为write_18B20<unsignedchardat>.待写入的字节定义为dat.单片机向DS18B20写入命令字节从最低为开始,逐位写入。先令P2.1口为高电平,即保证总线处于高电平状态,延迟一段时间后开始进行写数据的操作,令P2.1为低电平开始向DS18B20写入数据。Dat的最低位是否为1,若为1则让P2.1口为高电平及传送1；否则保持低电平状态送0,然后将dat的字节右移一位,为下次传送做好准备,重复8次就可将命令写入了。在对DS18B20的程序读取时的第一个字节为unsignedcharread_18B20<void>,返回一个字节数据,DS18B20的输出也是从最低位开始的,逐位输出,先定义一个无符号变量dat存储来自DS18B20的数据,然后开始读取,令P2.1口为高电压,延迟一段时间后开始进行读操作,将dat清0,判断总线状态,如为1则最高位存放1,否则不对dat操作,当下一次dat右移时存放0,同样重复8次即可完成一个字节的读取。3.6按键输入模块设计系统按键输入模块电路图如图3-7所示图3-7按键电路加减按键：通常可以进行温度的设置,1号键进行加设置,2号键进行减设置。菜单选择键：通过3号键进行当前菜单的切换。按键电路采用的是三个独立的按键,一端接单片机的P1.0、P1.1、P1.2口,一端接到地。单片机P口在没有使用的情况下默认的是高电平,当有按键按下时,单片机的引脚链接到地就有一个从高电平到低电平的跳变,系统检测到这个跳变就做出对应的反应。也可在按键的接口接入10K的上拉电阻,这样就更加的稳定可靠。图3-8键抖动作为一个按键,从没有按下到按下以及释放是一个完整的过程,当按下一个按键时,总希望某个命令只执行一次,即在按键按下的过程中,不要有干扰。因为在按下的过程中一旦有干扰过来,可能造成误触发过程,因此在按键按下的时候,要把干扰信号以及按键的机械接触等干扰信号滤除,一般情况下,可以采用电容来滤除掉这些干扰信号,但实际上,会增加硬件成本及硬件电路的体积,这是我们不希望的,总得有个办法解决这个问题,因此可以采用软件滤波的方法去除这些干扰信号,一般情况下,一个按键按下的时候,总是在按下的时刻存在着一定的干扰信号,按下之后就基本上进入了稳定的状态。具体的一个按键从按下到释放的全过程的信号图如图3-8图3-8键抖动从图中可以看出,在程序设计时,从按键被识别按下之后,延时5ms以上,从而避开了干扰信号区域,再来检测一次,看按键是否真得已经按下,若真得已经按下,这时输出肯定为低电平。若这时检测到的是高电平,证明刚才是由于干扰信号引起的误触发,CPU就认为是误触发信号而舍弃这次的按键识别过程。从而提高了系统的可靠性。由于要求每按下一次,命令被执行一次,直到下一次再按下的时候,再执行一次命令,因此从按键被识别出来之后,我们就可以执行这次的命令,所以要有一个等待按键释放的过程,显然释放的过程,就是使其恢复成高电平状态。〔1>对于按键识别的指令,选择如下指令JBBIT,REL指令是用来检测BIT是否为高电平,若BIT＝1,则程序转向REL处执行程序,否则就继续向下执行程序。或者是JNBBIT,REL指令是用来检测BIT是否为低电平,若BIT＝0,则程序转向REL处执行程序,否则就继续向下执行程序。〔2>对程序设计过程中按键识别过程的框图如图3-9所示：图3-图3-9按键识别框图3.7继电器控制部分3.7.1固态继电器用途与功能单片机是一个弱电器件,一般情况下工作电压在5V甚至更低,驱动电流在mA级以下。而要用于一些大功率场合,比如控制电动机,显然是不行的。所以要有一个环节来衔接,这个环节就是所谓的"功率驱动"。继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节。继电器驱动含有两层意思:一是对继电器进行驱动,因为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件;二是继电器去驱动其他负载,比如继电器可以驱动中间继电器,可以直接驱动接触器,所以继电器驱动是单片机与其它大功率负载接口。继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点、弹簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点〔常开触点吸合。当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点〔常闭触点释放。这样吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。继电器是一种电子控制器件,它具有控制系统〔又称输入回路和被控制系统〔又称输出回路,通常应用于自动控制电路中,它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种"自动开关"。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。固态继电器〔SolidStateRelay,缩写SSR,是由微电子电路、分立电子器件、电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号,达到直接驱动大电流负载我们采用松乐SONGLESRD-05VDC-SL-C继电器,其简要电路如下图所示图3-10a继电器外形图图3-10b继电器外形图图3-11继电器电路3.7.2固态继电器的工作原理115342图3-12继电器原理图如图3-12所示,1、2端电压是线圈电压,当线圈电压未达到5V时,3与5接通,5也即是长闭合点,当1、2端电压超过5V时,3、4接通。因而可以通过改变线圈电压的大小改变接通的路径。3.7.3固态继电器的驱动原理继电器一般为强电弱电共存,和单片机共用一块板,关键是注意一下问题：1,驱动电路和单片机电源地的隔离2,强电不能和弱电有任何电器接触3,最好是用光耦4,布板时强电不能靠近单片机驱动方法总结：1.用9013〔24v以下下继电器2.用光藕〔低速光藕,1元/个3.用驱动芯片,效果好,但是价格比较高4.用运放构成比较器来驱动,例如LM324,电流一般在50mA以下,不是很实用本设计中采用9013,便宜、实惠。本设计继电器采用的是PNP型三极管驱动方式,单片机I/O口端串一电阻<1K>至三极管<9013,三极管发射极接地,集电极接5V继电器线圈的一端,线圈另一端接5V电源.一个二极管〔1N414,负极接5V,正极接三极管集电极.5V继电器开关接其它相关电路。当系统温度在一定的范围内变化时,继电器能接通和断开,系统的负载采用LED来模拟,同样在电路当中加入了上拉电阻。继电器接的是单片机的P3.7引脚,当单片机的P3.7引脚输出低电平时,三极管饱和导通,+5V电压加到继电器线圈两端,继电器吸合接通,继电器的常开触点闭合,相当于开关闭合。当单片机的P3.7引脚输出高电平时,三极管截止,继电器线圈两端没有电位差,继电器衔铁释放,继电器的常开触点释放,相当于开关断开。在三极管截止的瞬间,由于线圈中的电流不能突变为零,继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动势,线圈产生的感应电动势则可以通过二极管释放,从而保护了三极管免被击穿,也消除了感应电动势对于其他电路的干扰,这就是二极管的保护作用。3.7.4固态继电器的选择1、继电器额定工作电压的选择继电器额定工作电压是继电器最主要的一项技术参数。在使用继电器时,应该首先考虑所在电路<即继电器线圈所在的电路>的工作电压,继电器的额定工作电压应等于所在电路的工作电压。一般所在电路的工作电压是继电器额定工作电压的0.86。注意所在电路的工件电压千万不能超过继电器额定工作电压,否则继电器线圈容易烧毁。另外,有些集成电路,例如NE555电路是可以直接驱动继电器工作的,而有些集成电路,例如COMS电路输出电流小,需要加一级晶体管放大电路方可驱动继电器,这就应考虑晶体管输出电流应大于继电器的额定工作电流。2、触点负载的选择触点负载是指触点的承受能力。继电器的触点在转换时可承受一定的电压和电流。所以在使用继电器时,应考虑加在触点上的电压和通过触点的电流不能超过该继电器的触点负载能力。例如,有一继电器的触点负载为28V<DC>×10A,表明该继电器触点只能工作在直流电压为28V的电路上,触点电流为10A,超过28V或10A,会影响继电器正常使用,甚至烧毁触点。3、继电器线圈电源的选择这是指继电器线圈使用的是直流电<DC>还是交流电<AC>。通常,在进行电子制作活动中,都是采用电子线路,而电子线路往往采用直流电源供电,所以必须是采用线圈是直流电压的继电器。第四章制冷系统设计4.1半导体制冷器概述半导体制冷器的用途很多,可用于制作便携冷藏/保温箱、冷热饮水机等,也用于电子器件的散热。目前制冷器所采用的半导体材料最主要为碲化铋,加入不纯物经过特殊处理而成N型或P型半导体温差元件。以市面常见的TEC1-12605为例,其额定电压为：12v,额定电流为5A,最大温差可达60摄氏度,外型尺寸为4X4X0.４Cm,重约25克。如图4-1,它的工作特点是一面制冷而一面发热。接通直流电源后,电子由负极<->出发,首先经过P型半导体,在此吸收热量,到了N型半导体,又将热量放出,每经过一个NP模组,就有热量由一边被送到另外一边,造成温差,从而形成冷热端。图4-1半导体制冷原理图图4-1半导体制冷原理图3、一个制冷器由许多N型和P型半极体颗粒互相排列而成,而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路,通常是铜、铝或其他金属导体,最后用两片陶瓷片像汉堡包一样夹起来。4.2半导体制冷系统制作散热系统主要是传导冷量和热量,散热风扇的功率0.3A电压是12V。散热系统包括导冷模块、导热模块、散热风扇、风扇外罩和链接用的螺丝。安装方法：第一步：如果不知道冷、热面可以用一节电池试试。第二步：把制冷片表面涂上硅脂。第三步：把制冷片贴在散热器上。第四步：将隔热垫片撕开贴在制冷片四周。第五步：连接冷热模块。第六步：安装散热风扇。半导体元件可以用各种不同的连接方法来满足使用者的要求。把一个P型半导体元件和一个N型半导体元件联结成一对热电偶,接上直流电源后,在接头处就会产生温差和热量的转移。在上面的接头处,电流方向是从N至P,温度下降并且吸热,这就是冷端；而在下面的一个接头处,电流方向是从P至N,温度上升并且放热,因此是热端。因此是半导体制冷片由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成,而N／P之间以一般的导体相连接而成一完整线路,通常是铜、铝或其他金属导体,最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来,陶瓷片必须绝缘且导热良好,外观如图4-3所示〔左图为正视图,右图为俯视图。图4-3b图4-3b半导体制冷片俯视图图4-3a半导体制冷片正视图要达到理想的制冷加热效果,除选用合适的电压电流外,热端还要有良好的散热条件,冷端还要有良好的导冷条件,以防冷面结露而导致冷气散不出去。冷热面冷热中和达到最小。这就要求两面之间完全隔离,两接触面热阻小。为此．两面产生的热量要及时传递。控制的空间要有良好的绝热封闭性。第五章总体硬件设计电路系统总体硬件电路原理如下图所示,各模块与单片机接口采用标号标出。图5-1总体硬件设计电路系统开始接通电源后,数码管就显示当前的温度,并对当前温度进行判断,如果当前温度大于设定的温度,就给单片机接继电器的接口一个低电平,从而使继电器接通制冷片开始制冷。同时系统对按键进行扫描,当扫描到模式键按下时就切换显示,扫描到数值加减键按下时,数据做出对应的处理。系统就这样在显示温度的同时对按键和温度值和设定值的对比同时进行着,使系统能一直检测温度,一旦温度降低或者升高能做出相应的变化。.第六章系统软件设计6.1软件设计思想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,采用与单片机相对应的汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。程序设计语言有三种：机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言是机器唯一能"懂"的语言,用汇编语言或高级语言编写的程序〔称为源程序最终都必须翻译成机器语言的程序〔成为目标程序,计算机才能"看懂",然后逐一执行。高级语言是面向问题和计算过程的语言,它可通过于各种不同的计算机,用户编程时不必仔细了解所用的计算机的具体性能与指令系统,而且语句的功能强,常常一个语句已相当于很多条计算机指令,于是用高级语言编制程序的速度比较快,也便于学习和交流,MCS—52指令系统的指令长度较短,它在存储空间和执行时间方面具有较高的效率,编成的程序占用内存单元少,执行也非常的快捷,与本系统的应用要求很适合。而且MCS—52指令系统有丰富的位操作〔位处理指令,可以形成一个相当完整的位操作指令子集,这是MCS—52指令系统主要的优点之一。对于要求反应灵敏与控制及时的工控、检测等实时控制系统以及要求体积小、系统小的许多"电脑化"产品,可以充分体现出汇编语言简明、整齐、执行时间短和易于使用的特点。本装置的软件包括主程序、读出温度子程序、复位应答子程序、写入子程序、以及有关DS18B20的程序〔初始化子程序、写程序和读程序根据半导体制冷的设计功能要求,系统程序必需实现以下任务：18B20初始化；按键扫描处理；时钟信号产生。51系列单片机实现多任务运行的方法就是分时复用,在程序设计的时候要相应地分配好各任务的CPU占用时间[13]。对于以上几个任务稍加分析可以看出,动态显示、按键扫描对而言有实时要求,而时钟任务则可用单片机的定时器实现。6.2程序模块6.2.1主函数系统在上电复位后,先对定时器0和定时器1进行设置和赋值,再进行系统各参数初始化设置,开启用于显示模块的定时器0,再进行按键扫描,通过键处理函数对各模块进行控制。在硬件没有任何触发信号时,主程序进行反复循环执行,并时刻检测触发端口是否有触发信号。系统初始化完成后,启动时钟系统随后进入正常工作状态。6.2.2定时子程序子函数部分主要用于产生时钟信号,实现对等待计时部分电路的等待计时。该部分主要采用单片机定时器0来实现,编程时需要对定时器进行各项设置并对计数器输入初始值,每次对单片机进行复位时都要重复以上步骤。在该程序中定时器0,工作于方式1,16位定时方式。89S52单片机内部含有两个定时器可以分别进行定时和计数的功能[14]。在该设计中对定时器0进行设置来实现系统的动态扫描,对定时器1进行设置以实现秒计时,设置秒计数初始值,待计数完成后就可以对变量加一,既对系统进行秒计时,从而实现等待计时的设计要求。开始重设定时器初值RETI开始重设定时器初值RETI送显示数据位选开始设置定时器0和1键值处理各模块参数设置按键扫描图6-1系统主函数程序框图图6-2定时器子程序框图6.2.3按键扫描子程序在本设计中采用了按键来切换各种不同状态,而系统需要时刻查询按键信息,因此需要采用按键扫描来实时查询按键情况,在该程序中单独编写了按键扫描子程序,在有按键信息时进行程序调用和跳转,该按键扫描子程序中还嵌套了按键扫描程序以处理在各种情况下的状态切换。6.3温度采集电路温度系统程序流程图温度系统程序流程图如图6-3所示。开始开始初始化启动DS18B20读温度数码管显示图6-3温度系统程序流程图

温度部分软件设计

DS18B20的一线工作协议流程是：初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。故主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位,复位成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒,然后释放,DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右,后发出60～240微秒的低脉冲,主CPU收到此信号表示复位成功。数码管主要功能是负责温度的实时显示、读出