半导体制冷温控系统的设计 本科毕业论文

1、changzhou institute of technology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

2、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 abstractthe traditional air-cooled heat dissipation system is not likely to take the temperature dropped to environmental temperature below, because when both the temperature is almost equal, it

3、will soon reach thermal equilibrium, then it cant continue to cool, it can only close to environmental temperature,. but semiconductor refrigeration can break the routine, it can forced the temperature drop to low temperature than environment. it implements the principle of thermal equilibrium tempe

4、rature, realize forcibly break effect.semiconductor refrigeration temperature control system uses stc89c51 microcontroller as control core, using digital tube display as the display screen, cooperate with keys function for the man-machine interface processing, making operation more convenient. it al

5、so includes temperature module, using digital tube screen display temperature, so that we can obtain real-time accurate information.key word: stc89c52；digital tube；temperature sensor 目 录摘 要abstract1 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.

6、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112.2.1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ds18b20173.5.3 ds18b20的测温流程173.5.4 ds18b20的工作原理183

7、.5.5 ds18b20的工作时序183.5.6 ds18b20的常用指令193.5.7 ds18b20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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、：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

13、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

14、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。

15、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

16、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。1.3 半导体制冷的应用半导体制冷器作

17、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

18、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

19、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

20、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、浙江大学、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

21、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

22、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912l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

23、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2085。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1126v，或用交流100130v、200250v供电，其每小时耗电：12v时为5wh；110v时为80wh；220v时

24、为75wh，工作环境温度为-20c+38c。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

25、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

26、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

27、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

28、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

29、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

30、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

31、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

32、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

33、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

34、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2.1.1 显示器方案方案一：使用lcd液晶显示器。优点：控制

35、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

36、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

37、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0100摄氏

38、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。2.2.1 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。

39、2.2.2 系统总体框图给定量（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

40、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

41、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/lm

42、79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

43、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3.4.1 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

44、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09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

45、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 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

46、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5840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。 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

47、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12ms，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

48、，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

49、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3-3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00010100028h1011111107eh210100010a2h30110001062h4011101007

50、4h50110000161h60010000121h7011110107ah80010000020h90110000060h3.4.2 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=2.8k=(5-0.4-1.8) 5=0.56k从以上的计算可得，限流电阻的阻值可以0.563.8k间选取，这里我们选取了820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：=58=40ma这时便可以确定基极限

51、流电阻： =40 50=0.8ma=(5-0.7) 0.8=5.38 k只要不大于5.38 k就可以，因此我们选择了2.2 k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

52、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3-4ds18b20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），为了使系统更加的稳定,有足够的能量，一般要在ds18b20的io口外接一个10k的上拉电阻。温度传感器的io接的是单片机的p2.1引脚。3.5.3 ds18b20的测温流程初

53、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3-5 ds18b20测温流程3.5.4 ds18b20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

54、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3-6 ds18b20测温原理框图3.5.5 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

55、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1560微秒左右后发出60240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

56、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。3.5.6 ds18b20的常用指令一般常用的指令有：0xcc、0x44、0x