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        基于單片機的半導(dǎo)體制冷片溫度控制系統(tǒng)研究

        2016-10-22 01:39:20陳曉雯
        數(shù)碼世界 2016年10期
        關(guān)鍵詞:單片機系統(tǒng)設(shè)計

        陳曉雯

        渤海大學(xué)工學(xué)院

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        基于單片機的半導(dǎo)體制冷片溫度控制系統(tǒng)研究

        陳曉雯

        渤海大學(xué)工學(xué)院

        本文的半導(dǎo)體制冷片溫度控制系統(tǒng)采用的溫度控制算法是PID算法,選擇的核心控制器件是單片機型號選擇的是AT89S52,制冷的元件選擇的是半導(dǎo)體的制冷片。本系統(tǒng)主要介紹了相關(guān)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計,并且給出了半導(dǎo)體制冷的原理介紹。

        AT89S52單片機 半導(dǎo)體制冷片 PID

        1 半導(dǎo)體制冷的概述

        所謂的半導(dǎo)體制冷的另外一個稱呼是溫差電制冷或者也可以稱為熱電制冷。這個熱電制冷稱呼的來源是歸于當(dāng)有直流的電流經(jīng)過某種材料的時候會出現(xiàn)制冷的功能,并且這種材料是含有某種特性的,就是能夠進行轉(zhuǎn)換熱電能量??紤]到具有這種熱能量轉(zhuǎn)換特性的有半導(dǎo)體,而且半導(dǎo)體的使用可以實現(xiàn)制冷效果的實用化,所以半導(dǎo)體制冷的稱呼是這樣來的。

        相比于傳統(tǒng)的機械制冷而言,半導(dǎo)體制冷的不同點在于:1)運動的部件沒有,而且當(dāng)在震動的時候,來自噪聲方面的聲音比較低2)不需要任何相關(guān)的制冷劑,而且不會造成環(huán)境方面的影響,進行的從冷到熱的這個過程,操作起來比較容易實現(xiàn)3)當(dāng)制冷的時候選擇的是功率比較小的器件的時候,產(chǎn)生的制冷系數(shù)也是比較高的4)制冷的時候在速度方面是比較快的,同時做出反應(yīng)的速度也是相當(dāng)快速的,產(chǎn)生的溫度差是很大的5)適用于多種場合,可以做成系統(tǒng)所需要的形狀。所以從這里可以看出來,半導(dǎo)體制冷技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進步,并且在很多的領(lǐng)域中已經(jīng)得到了很大的廣泛應(yīng)用,半導(dǎo)體制冷在制冷方面所占的位置是重中之重。

        圖1 半導(dǎo)體制冷的原理圖

        半導(dǎo)體制冷的實現(xiàn)過程用到了珀爾帖效應(yīng),這種效應(yīng)是屬于熱電效應(yīng)的范疇之中。所謂的珀爾帖效應(yīng)指的是在一個回路中電源用到的是直流的電壓,另外再加上不同的兩種材料。然后在電路的相交的地方會產(chǎn)生放熱的現(xiàn)象也有可能出現(xiàn)吸熱的現(xiàn)象。所以回路中的兩種不同的半導(dǎo)體材質(zhì)就形成了P-N端,然后附帶電壓,這就形成了制冷的現(xiàn)象或者制熱的現(xiàn)象。半導(dǎo)體制冷的原理圖如圖1所示。

        從圖1中可以看出來自電源負(fù)極產(chǎn)生的電子經(jīng)過圖中所有的金片和結(jié)點以及P,N級后回到了正極,由于P型處的那端空穴比較多,所以此處的電流的方向是和電子相反的。

        2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

        基于單片機的半導(dǎo)體制冷片溫度控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

        圖2 該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

        這個系統(tǒng)中包括的部件主要有液晶的顯示電路,鍵盤的輸入,溫度傳感器,單片機單元以及驅(qū)動的電路設(shè)計等等。在這個系統(tǒng)中液晶屏的作用主要是顯示溫度的改變,而單片機的作用主要是整體上控制這個制冷片的溫度控制系統(tǒng)。

        2.1控制電路

        在控制電路的設(shè)計中的核心是單片機,控制電路的主要目的是檢測恒溫箱里面的溫度的改變,按照PID的控制電路的算將對應(yīng)的PWM傳送到驅(qū)動的電路中,從而形成閉環(huán)的控制系統(tǒng)。其中最進行溫度檢測的這部分選擇的元件是NIC電阻。系統(tǒng)中采用了AD采樣,采樣的對象是驅(qū)動電路中產(chǎn)生的電壓。

        2.2鍵盤電路

        在鍵盤電路的設(shè)計過程中設(shè)計了4個按鍵,這幾個按鍵的功能主要是設(shè)置溫度,而且通過晶體顯示屏將溫度顯示出來。鍵盤電路中的這4個按鍵是與單片機進行連接的,這4個按鍵的意思是設(shè)定溫度,將溫度以1℃進行遞增,將溫度以1℃進行遞減,溫度設(shè)定終止。

        2.3半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動電路設(shè)計

        溫度控制設(shè)備中對功率進行控制的電路中溫度的控制系統(tǒng)中有著很重要的作用,現(xiàn)今控制方式采取的比較多的一般是PWM和電流的控制。

        PWM在對輸出的電壓進行控制的時候是將脈沖的寬度進行改變來實現(xiàn)的。PWM是脈寬調(diào)制的縮寫。所謂的控制方式是控制逆變電路中所包括的開關(guān)的關(guān)閉和打開的情況,從而實現(xiàn)產(chǎn)生幅值一樣的脈沖,然后把輸出端產(chǎn)生的這些脈沖去替換系統(tǒng)要求的波。也可以認(rèn)為是在輸出端產(chǎn)生的信號的半個周期以內(nèi)形成的脈沖的數(shù)目是多個的,讓形成的脈沖和正弦波形成的電壓值是一樣的,這樣得到的諧波是平滑的而且是低次的。根據(jù)特定的規(guī)律調(diào)整脈寬,就能夠?qū)⒃撾娐分械碾妷狠敵鲋蹈淖?,同時可以對產(chǎn)生的頻率進行調(diào)整。

        當(dāng)窄脈沖的沖量是相同而形狀是不同的時候,產(chǎn)生的結(jié)果可以是一樣的,這里提到的沖量就是窄脈沖所包含的面積,而產(chǎn)生的結(jié)果一樣指的是波形的輸出響應(yīng)是一樣的。如果采用傅里葉變換對所有輸出的波形進行分析的話,那么就會發(fā)現(xiàn)這些波形中低頻段處產(chǎn)生的特性是十分類似的,而且特性之間所具有的區(qū)別僅僅是在高頻段地方。

        PWM控制方式相比于其他的控制方式而言,當(dāng)溫度處于臨界區(qū)域的時候,穩(wěn)定性是最強的。這是PWM的一個重大的優(yōu)勢。電流控制方式相比于PWM而言控制起來比較容易,而且驅(qū)動力允許變化很大的頻率。系統(tǒng)測試驅(qū)動電路測量數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 驅(qū)動電路測量數(shù)據(jù)表

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        3.1溫度的控制算法

        PID控制也可以稱為是微分控制,主要的溫度控制的原理就是把采集到的溫度值和已經(jīng)設(shè)置好的目標(biāo)值做個對比,然后把這對比結(jié)果的差值當(dāng)作是PID的控制模塊中的輸入值,根據(jù)一定的系數(shù),比例運用PID算法將控制量計算出來,PID控制的特點是成本比較低,簡單易操作,所以在許多的領(lǐng)域中都會應(yīng)用到PID的控制方式。

        溫度控制電路中用到的重要的程序是PID程序。在PID的算法中通常會用到的公式如下:

        公式中的e1代表的是采集到的溫度和目標(biāo)的溫度之間的差值,而kp在這里表示的是對應(yīng)的比例的系數(shù),ie指的是所有采樣之后將溫度差進行相加后的結(jié)果。de表示的是第一次采樣的溫度與第二次采樣的溫度之間的差值。將kp和ki以及kd這幾個值確定下來之后就可以代入進去求出V值。

        3.2溫度的采集程序

        溫度的采集過程中包括了通過溫度傳感器進行溫度數(shù)據(jù)的讀取,首先是通過溫度傳感器把數(shù)據(jù)讀取出來,本文的溫度傳感器選擇的是DS18B20,在進行溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)讀取的過程中,需要先調(diào)用相關(guān)的初始化程序,這個初始化程序主要是用來進行傳感器是否存在的驗證,當(dāng)檢測的結(jié)果是存在傳感器的時候,就可以進行溫度啟動,接著就讀取數(shù)據(jù),并將結(jié)果進一步的轉(zhuǎn)換,溫度傳感器讀取數(shù)據(jù)的流程圖如圖3所示。

        圖3 度傳感器讀取數(shù)據(jù)的流程圖

        4 結(jié)語

        隨著社會的發(fā)展,電子信息技術(shù)的不斷進步 ,半導(dǎo)體的制冷技術(shù)已經(jīng)取得了很大的突破,半導(dǎo)體制冷技術(shù)的實用性很高,而且應(yīng)用范圍也很廣泛,在保護環(huán)境以及經(jīng)濟建設(shè)這些方面,半導(dǎo)體制冷技術(shù)起到了很大的作用。本論文中基于單片機的半導(dǎo)體制冷片溫度控制系統(tǒng)選取的重要控制元件是單片機,而制冷元件選擇的是半導(dǎo)體制冷片,實現(xiàn)了對設(shè)備溫度的控制以及測量。本論文設(shè)計的系統(tǒng)操作性強,應(yīng)用價值高,可以適應(yīng)很多領(lǐng)域使用,發(fā)展的空間很廣闊。

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