基于TRIZ理论的反应釜温度控制系统的设计论文说明

1、 . . . 毕业设计报告（论文）题 目：基于TRIZ理论的反应釜温度控制 所 属 系：自动化技术系 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名： 日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校

2、要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名： 日 期：学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了

3、解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘要在近几年，微机技术的已经得到了迅速的发展，已经达到了比较成熟的阶段。现在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。而目前，对于温度的采集技术也获得的很大的发展，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。

4、而在本次项目中我们用的是PT100铂电阻温度变送器。因为此次的温度控制系统的温差比较小，所以用热电阻温度变送器测量精度会高一些。在本次的项目设计主题是对反应釜中的反应物进行加热和制冷操作，我们用到了新型的加热和制冷系统：半导体加热制冷片。这种方法代替了传统的用蒸汽加热和冷却水制冷系统。具有控制工艺简单，成本低的优点。本文设计的温控系统包括单片机系统，温度测量系统，温度的输入和显示，以与半导体制冷器的功率驱动等部分。温度测量系统指的是通过PT100温度传感器读取系统当前的温度并通过温度采集电路对PT100输出的信号进行放大整定后送入单片机。单片机是整个温控的中央处理器，温度控制算法是在单片机中进

5、行运算的。将测量到的当前温度值输入到单片机，再通过PID控制算法的运算，并进行脉宽调制以PWM输出控制量。单片机的PWM输出要通过半导体加热制冷片的功率驱动电路才能驱动半导体加热制冷片工作。关键词：单片机，加热制冷，温度变送器，放应釜，脉宽调制目录摘要II第一章：课题研究的背景和意义11.1背景11.2意义1第二章：用TRIZ分析系统22.1项目要求22.2控制要求22.3项目描述：22.3.1SMART原则：22.4问题描述：22.5矛盾分析32.5.1物理矛盾32.6三种方案的优缺点比较52.7物场分析62.8总结：9第三章：系统硬件设计103.1单片机的选型103.1.1STC12C5A

6、60S2/AD/PWM 系列单片机103.1.2主要性能113.2半导体加热制冷片123.2.1工作原理123.2.2赛贝克效应123.2.3珀尔帖效应133.2.4汤姆逊效应133.2.5TEC1-12712性能参数143.2.6DIY153.3温度变送器的选择：153.3.1PT100热电阻温度传感器。153.4多通道RS-232驱动器/接收器163.5LM324四运算放大器173.6稳压器173.6.1LM7805，LM7812183.7系统元器件清单18第四章：系统电路图204.1PT100信号调整电路204.2换向电路图（输出电路图）204.3串口通讯接线图214.4电源电路图224

7、.5LCD显示电路224.5.1液晶显示模块的原理224.5.2 1602LCD主要技术参数234.5.3引脚功能说明234.6键盘电路图254.6.1矩阵式键盘的结构与原理254.6.2键盘的工作方式254.7系统总电路图26第五章：系统软件设计275.1LCD显示程序：275.2键盘程序：285.3A/D转换程序：315.4主程序32第六章：总结36致37参考文献：3842 / 47第一章：课题研究的背景和意义1.1背景 在精细化工行业中,反应釜是常用的一种反应容器,而温度是其主要被控制量,是保证产品质量的一个重要因素。反应釜利用导热介质通过反应釜的夹套来提高釜物料的温度,通过搅拌机的搅拌

8、使物料均匀、提高导热速度,并使其温度均匀。在反应釜里的混合物，刚开始反应时需要一定的温度，所以要加热，但是温度不能太高。而很多物质的反应是放热反应，所以温度会不断升高，这就要求要进行制冷操作。所以本次课题就是设计一个自动控制系统，来控制反应釜里的物质的反应温度。这是目前用的场合比较多的控制系统，有很好的发展前景。1.2意义本次课题设计是基于单片机的反应釜的温度控制，这对电子应用技术要求相当的高，换句话说就是本系统是趋向于微型控制系统。如果此技术成熟，那么就可以代替传统的温度控制系统，这会大大简化工艺，缩小成本。有很多大的房展潜力。所以我们想通过这次的毕业设计，来对电子应用技术进行研究。第二章：

9、用TRIZ分析系统2.1项目要求在此项目中，反应釜的容积定为100L反应物的容量为60L，基于单片机来控制温度。要求成本不能超过10000元人民币，工艺尽可能简单，对环境没有污染，加热时间不能超过30分钟。在本项目中要遵循以下的解决问题的标准：标准1、目的是否达到标准2、成本是否允许2.2控制要求： 反应釜里温度控制在6070，低于60 要进行加热操作，温度大于70开始制冷操作。2.3项目描述：2.3.1SMART原则：S：在30分钟以把反应釜里的反应物质的温度控制在60-70；M：温度在是可测量的；A:温度控制在一个围是可以现实的，这样有反应的余地。如果控制在某一个固定的值上是不太可能实现的

10、。R：实现这个目标与什么有关？控制器的精度？加热和制冷的方式？温度的传热效率？T：设计时间在1-2个月以。2.4问题描述：本系统是控制反应釜里反应物的温度的，如果温度不够会反应不完全或是无法反应，若是温度过高，则会产生其它物质，甚至会破坏反应物，因此反应釜里的温度不能过高也不能太低，要在要求的围。问题是如何把温度控制在需要的围呢？2.5矛盾分析物理矛盾 PC(Physical contradictions)规定之子系统 (组件/操作) 必须拥有A-特性以完成必要的功能，以与 non-A 或 Anti-A 特性要满足问题的条件。2.5.1物理矛盾在本项目中，温度不能太低又不能太高，因此这就要求既

11、要加热又要制冷，加热和制冷是一组物理矛盾，下面就讨论一下该怎么解决该矛盾。Setp1:定义物理矛盾反应釜要加热，但又要制冷。（参数：17温度）Setp2：参数在时间/空间上是否交叉否，尝试用时间或空间分离方法是，尝试系统级别分离方法Step 3 ：参数分别向三个方向（系统层级）转化的可能性？（A） 加热和制冷向超系统转化；（B） 加热和制冷向子系统转化；（C） 加热和制冷向反系统转化；下面就进一步分析系统的转化所产生的加热方式：（A） 加热和制冷向超系统转化用加热蒸汽加热、冷却水制冷先从加热说起：如果用蒸汽加热，那首先我们到解决的问题就是加热蒸汽的来源。也就是说还得用一个锅炉来产生蒸汽。如果这

12、样那就需要锅炉的成本和燃料。 首先锅炉锅炉的问题：目前市场上的价格是3000元左右。而且，在锅炉加热运行中，还要对许多参数进行监控，如气泡的液位压力，炉膛温度，出口蒸汽流量、压力；给水流量等等。这就意味着要要用到很多测量和控制仪表，这无疑使增加了工艺成本和工艺流程的复杂程度。 燃料问题：现在工业中锅炉加热最常用的燃料是煤和燃料油。这两种燃料都是不可再生资源，而且还要考虑价格问题。再者，燃烧这些燃料还会产生有害气体，如：二氧化硫和一氧化碳气体等，这些都对环境会造成一定的污染。接下来就是系统的制冷问题：经过调查，目前最常用的制冷方式是用“冷却水”制冷。在这里，我们可以选用普通的水作为冷却液，这样可

13、以节省工艺和成本。最后还要考虑一个问题：如何输送加热蒸汽和冷却水和如何进行加热和制冷之间的切换？如何输送蒸汽和冷却水的问题：就用管道输送，不过要有自动控制装置，以便保证蒸汽和冷却水的流量稳定。如何进行加热和制冷之间的切换：其实只要在控制器设置好参数就可以了，比如：如果温度小于60 ，此时控制器发出打开蒸汽阀关闭冷却水阀的命令；如果温度大于60 70 ，此时控制器则发出关闭两个阀门的命令；如果温度大于70 ，此时控制器只发出打开冷却水阀门的命令。这样就可以达到加热和制冷之间的切换的目的了。评价：根据标准1，此方法可行；但根据标准2，此方法不可行，因为此方法成本过高，工艺太复杂。（B）加热和制冷向

14、子系统转化用电加热、冷却水制冷一般用到电加热的都会想到用电阻丝来加热，需要解决电能问题。经过调查发现，目前用在电阻丝系统的电压一般都为220V。所以还是比较好获取的。而制冷操作和(A)方向的一样，所以在这里就不作解释了。在这个方案中，由于是使用电加热的，所以比方案一来的要简单一点，成本也会有所降低。但是加热速度没有蒸汽加热快。评价：根据标准1，此方法可行；根据标准2、此方法不可行。因为由于制冷的工艺在里面，成本还是会超出规定的围。（C）加热和制冷向反系统转化用电加热和电制冷用电加热这在方案二中已经分析过了，是可以实现的。但是如何用电来制冷呢？提到电制冷我们应该立刻想到冰箱和空调的原理。冰箱就是

15、用电能来制冷的。其工作原理是：从低于环境温度的物体中吸取热量，并将其转移给环境介质的过程，称为制冷。我们可以利用冰箱的制冷方式来这冷反应釜。可是，这样加热和制冷虽然都是使用电能，但是还是属于两个独立的电路。那能不能一路电路就可以实现加热和制冷呢？要想解决这个问题先得解决一个疑惑：一路电路怎么会产生两种工作状态呢？我们都知道，电源是有正负极之分的，电源输出的电压也是有方向的，所以只要我们改变电源电压的方向就有可能会有不同的状态。接下来就是要找到什么物质在加上不同方向电压时会有不同工作状态的物质。当然最好是加上不同方向的电压会有加热和制冷的效果。到底有没有这种物质呢？或是某个特定的电路呢？利用所学

16、的知识，发现半导体对电压的反响有很高的要求，而且半导体有赛贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应。而这些效应正是半导体的加热和制冷原理。也就是在给定不同的方向的电压时半导体会有加热和制冷的效果，所以起初提出的问题是可以实现的。但是半导体加热制冷技术还处于成长期，技术还不是太纯熟，而且功率比较低。那如何解决加热功率低这个问题呢？经过查询，现在有一种半导体加热制冷片，就是根据半导体加热和制冷原理制成的，加上不同方向的电压，它的加热制冷面会换过来。每个个体的尺寸并不是很大，而功率一定，所以我们可以用聚少成多的原理来提高加热功率。也就说用竟可能多的加热片。但是具体要用多少，还是要根据工艺要求来定。但是根据能

17、量守恒的原理，又出现了新的问题：半导体加热制冷片在制冷的时候，它的另一面的热量该如何散去？如果不与时散热的话会烧坏半导体加热片的，所以这个问题必须解决。在这里我们选择一种散热器来为为之散热，散热片的价格也不是很贵，所以总的成本还在工艺要求的围。现在还需解决一个问题：本项目需要多少片半导体加热制冷片？问题解决：现在我们假设反应釜里的物质为水，根据工艺要求，进行以下的计算：经过查找：水的密度=1.0Kg/m3，比热容C=4.2KJ（kg*k）。加热水的初始温度为室温（20）,水的体积V=60L=0.06M3在这里忽略热水升高1需要吸收的热量：Q=CMT=CVT=4.2×1.0×

18、103×0.06=252KJ=252000 J一片加热片使水升高1需要的时间：t=2191S=37min水升高40所需的时间：t=37×40=1460 min由于工艺要在30 min以完成加热，所以一共需要：1460÷30=49片我们用的115W的加热制冷片单价是108元，散热片是20元。所以总成本为：49×（108+20）=6272元评价方案三：根据标准1，此方法可行。根据标准2，此方法可行，因为此方法的总成本比较低。2.6三种方案的优缺点比较方案一方案二方案三优点加热和制冷效果最好加热和制冷效果也很好成本低，工艺简单，能源易获得缺点成本高，工艺复杂成

19、本高加热和制冷功率比较低。所以最佳解决方案：用半导体加热制冷片进行加热和制冷2.7物场分析在技术系统的“参数属性”不明显的情况下，矛盾矩阵表便无法有效地发挥作用。这时，矛盾虽不可见，但问题依然存在，并且可以解决。此时，技术系统问题的“结构属性”比较明显，适于使用物质场分析法。物场分析法通过建立系统结构化的问题模型来正确地描述系统的问题，用符号语言清楚表达技术系统（子系统）的功能，正确地描述系统的构成要素与构成要素之间的相互联系。在本项目中，有两个物质：反应釜（S1）和半导体加热制冷片(S2)；一个物质场：热学场(F)。根据这三者的关系建立如下的物场模型：FS1S2现在我们还得解决两个问题，第一

20、个是如何很好的利用这个热场，也就是说如何提高温度的传递效率。第二个问题就是，当半导体制冷时，它的另外一面是发热的，如果背面温度过高会严重影响制冷效率甚至会影响整个系统的工作，这样就要求我们要与时的散掉这些热量，可该如何散热呢？下面就让分别对以上提出的两个问题进行分析与解决：问题1：如何提高温度传递效率？解决问题的最终目的：可以充分利用热源最终理想解：热源利用率达到最大实现最终理想解的障碍：反应釜的传热效率和系统的温度损失。解决途径：找出所有可用的材料和能源方案一：是否可以提高反应釜的材料热导率？方案二：是否可以增大传热面积？方案三：是否能增大冷热物质的温度差？方案四：是否可以在反应釜周围加隔热

21、层，减少加热器的温度损失？方案五：是否可以加上搅拌？下面就来分析问题，并找出最好的解决方案：解决方案一：我们都知道，热导率是物质的一个属性，某一个特定的物质的热导率是一定的，是无法改变的。所以在这里，我们可以选择用热导率大的材料制成的反应釜。首先，我们先找到现在用热导率最大的材料制成的反应釜。我们都知道，金属的热导率在所有物质中最大，所以我们可以直接可以从金属反应釜开始找起。首先我们找到了几种常用的金属的热导率，如下表：材料铝紫铜黄铜铜铅钢不锈钢铸铁银镍热导率w/(m*k)2046593383354517459041188显然，在这些金属中，银的热导率最大，可是考虑的成本，显然用银材料制成的反

22、应釜是相当昂贵的，所以不适用。铜和铝的热导率都很大，而且相差不是很大，所以我们可以从这两种金属中选择。可是，现在没有用铜和铝材料制成的反应釜。这就意味着这两种材料不可用，只能另选。经过黄铜、紫铜、铅、铸铁镍这些都没有相对应的反应釜。现在只剩不锈钢材料了。 经过查询，目前不锈钢反应釜的价格在3600元人民币。相对来讲，还可以接受。最终选择了不锈钢反应釜。评价方案一：根据“实现目的”评价标准，此解决方案可行：成本不是很高，传热效率也是目前比较好的。解决方案二：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釜，但是一旦传热面积增大了，这就意味着成本会增加，而且工艺也会变得复杂，所以这种

23、方法不是最理想的方法。评价方案二：根据“实现目的”此方法可行；根据成本要求，此方案还有待改进。解决方案三：我们都知道，温度差是热传导的推动力，温差变大，推动力也会变大。但是这种方法适合在大型工业场合，因为每一中热流体的饱和热都是一定的，要想改变那就必须改变一些参数，比如压强。这样会大大增加工艺难度，所以这种方法也不适用。评价方案三：根据“实现目的”此方案可行，但是根据成本与工艺因素，此方案不可行。解决方案四：在这里我们有两种保温方式可以选择，一种是用普通的保温材料，另一种是用玻璃真空套来保温。从成本和实现目的的角度考虑这两种方法都可以用，但是从外观和结构角度来考虑，那么用玻璃真空套相对来讲要好

24、一些。所以最终确定用玻璃真空套来保温。评价方案四：根据“实现目的”此方案可行；但是根据成本要求，此方案也可行。解决方案五：通过对反应釜部的反应物进行不断的搅拌，来保证温度均匀的传递，这样也能达到提高目的。但是，此方案需要额外加一个搅拌器，而搅拌器又需要额外提供电能，这样会增加成本。评价方案五：根据“实现目的”此方案可行；但是根据成本要求，此方案还有待改进。比如，是否可以用现有的电源来为搅拌机供电，在本方案中，用到的电压分别为+12V和+5V的。这就需要寻找一个小功率的搅拌机。最终理想解的确定：通过在上面的分析，不难看出，没一个方案都是相对独立的，方案之间没有太大的制约性。所以，我们完全可以把这

25、些方案综合起来再考虑分析一下。在上面的分析中我们已经确定了选择用不锈钢材料制成的反应釜，这是根据热导率来选择的。但是，方案二、四、五的确也都可以达到提高传热效率，所以我们不防把方案一、方案二、方案四和方案五综合考虑一下，但是前提是，在允许的围。看看能不能得到更好的结果。经过把方案一、二、四、五结合后，最后得到的结果是：采用带有玻璃真空保温套和搅拌机的不锈钢反应釜，并且要尽可能增大换热面积。这是目前最好的结果。问题2：该如何散热？经过上面的物场模型分析我们知道，此项目有两个物质（S1,S2）但是在S2对S1进行制冷操作时会S1产生有害作用，那就是热能。所以在这里需要外加一个物质来分担这个热能，这

26、个物质就是散热器（S3）。经过改进后的物场模型如下：FS3S2S12.8总结：问题解决完毕，现在进行总结。根据以上的分析，选择了最佳的方案，总成本在10000元以。所需要的设备：1单片机2反应釜3半导体加热制冷片4温度传感器5电源合计10000元。第三章：系统硬件设计3.1单片机的选型单片机的种类繁多，所以选择一款合适的单片机真的不太容易，要考虑的方面。在选择单片机的时，并不是功能越强、速度越快的单片机就越好，还要考虑成本、开发手段、有无现货等因素，一般遵循以下原则：（1） 考虑单片机的速度；（2） 存储容量；（3） 考虑I/O引脚数量（4） CAN接口；（5） A/D转换器；（6） PWM定

27、时器；（7） 价格；（8） 封装；（9） 工作温度围；（10） 功耗；（11） 工作电压围；（12） 供货渠道畅通；（13） 单片机编程环境；（14） 抗干扰性能好。 在本项目中，由于有模拟量的输入（1路）和PWM输出（1路），而且对工作温度要求比较高，综合以上的选型原则和工艺的要求，我们选用了STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机。3.1.1STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，当速度快8-

28、12倍。部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（25K/S），针对电机控制，强干扰场合。3.1.2主要性能(1)高速:1 个时钟 / 机器周期,增强型 8051 核,速度比普通 8051 快 812 倍 (2)宽电压:5.53.3V,2.23.6V(STC12LE5A60S2 系列) (3)增加第二复位功能脚(高可靠复位,可调整复位门槛电压,频率<12MHz 时,无需此功能) (4)增加外部掉电检测电路,可在掉电时,与时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEPROM (5)低功耗设计:空闲模式, (可由任意一

29、个中断唤醒) (6)低 功耗设计:掉电模式(可由外部中断唤醒) ,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:外部晶体或部 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 字节片 Flash 程序存储器,擦写次数 10 万次以上(10) 1280 字节片 RAM 数据存储器 (11)芯片 EEPROM 功能,擦写次数 10 万次以上 (12) PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列，2路） -也可用来

30、当2路D/A使用 -也可用来再实现2个定时器 -也可用来再实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持(13) A/D转换，共8 路,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 的定时器 T0/T1,2 路 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(W D T ) (17)高速 SPI 串行通信端口(18)全双工异步串行口(UART),兼容普通 8051 的串口&#

31、160;(19)先进的指令集结构,兼容普通 8051 指令集,有硬件乘法 / 除法指令 (20)通用 I/O 口(36/40/44 个) ,复位后为: 准双向口 / 弱上拉(普通 8051 传统 I/O 口) 可设置成四种模式:准双向口 / 弱上拉,推挽 / 强上拉,仅为输入 / 高阻,开漏 每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA,但整个芯片最大不得超过 100Ma.3.2半导体加热制冷片3.2.1工作原理半导体制冷又称为温差电致冷或热电制冷。具有热电能量转换特性的材料，在通过直流电时有制冷功能，因此而得名热电制冷。总的热电效应由同时发生的五种不同的效应组成，它们是：赛贝克效应、

32、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和富里叶效应。3.2.2赛贝克效应在两种不同导体构成的回路中，如果两个接头出的温度不同，回路中有电动势存在，这种电动势就称为赛贝克电动势或温差电动势（图一）。 图一 赛贝克效应示意图图中U是温差电动势，它的大小与两结点间的温差成正比，比例常数为赛贝克系数（也称为温差电动势率），其值为ab = U/T式中T为两结点间的温差每种材料都有固定的赛贝克系数，若用a和b表示这两种材料的赛贝克系数，那么由这两种材料所制成的热电偶的赛贝克系数为：ab =|ab|3.2.3珀尔帖效应当直流电流通过由不同导体连接形成的回路时，在结点会产生吸热或放热的现象，这种现象被称为珀尔帖效应

33、。因为半导体的珀尔帖效应比金属更为强烈，所以用半导体制作的组件可以达到较好的致冷效果（图二）。图二 半导体致冷示意图N型元件的载流子是电子，P型元件的载流子是空穴。当温差电偶的N型元件接入直流电正极，P型元件接入负极时，N型元件中的电子在电场作用下向下移动，在下端与电源的正电荷聚合，聚合时放热， 同样P型元件中的空穴在电场作用下向下移动，在下端与电源的负电荷聚合，聚合时放热；同时，电子与空穴在上端分离，分离时吸收热量。当改变电流的方向时，吸热端会变为放热端，放热端会变为吸热端。3.2.4汤姆逊效应当电流通过有温度梯度的导体时，则在导体和周围环境之间进行能量交换（图三）。这种效应只涉与一种材料。

34、 图三 汤姆逊效应示意图在本系统中要求加热和制冷的功率尽可能大一些、工作温度围（0-80）、性价比要高等。所以我们根据工艺的要求选用了TEC1-12712型号的半导体加热片。3.2.5TEC1-12712性能参数（1）外形尺寸：50*50*4mm 元件对数 127（2）导线规格：引线长100±5mm RV标准导线 单头5mm镀锡（3）部阻值：1.01.3（环境温度23±1,1kHZ Ac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）致冷功率：Qcmax 115W（

35、8）装配压力：85N/cm2（9）工作环境：温度围 -5583（过高的环境温度降直接影响制冷效率）（10）封装工艺：四周标准704硅橡胶密封（11）包装标准：泡沫盒包装,存放条件 环境温度-1040（12）存放条件：-40603.2.6DIY散热器：散热系统主要是传导冷量和热量,散热风扇的功率0.16A电压是12V.散热系统一套包括(导冷模块、导热模块、散热风扇、风扇外罩和用的螺丝)。3.3温度变送器的选择：在工业中，比较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。在本项目中，要求温度是从20-80，显然温度差很小，而且温度需要远传。而双金属

36、温度计和玻璃管温度计都是适合用在现场显示的温度计，因此不适合在本项目中使用。热电阻温变送器和热电偶变送器都适合远传，但是热电偶的测温围比在此项目中温度围要大的多，由此会影响温度信号的测量精度。所以，在本项目中选用热电阻温度变送器是最合适不过了。从测量的精度、测温围、性能和使用广泛程度等因素的考虑，我们选用的是PT100铂电阻温度计。3.3.1PT100热电阻温度传感器。1、热电阻工作原理热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效

37、应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即Rt=Rt01+（t-t0）式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0）时对应电阻值；为温度系数。半导体热敏电阻的阻值和温度关系为Rt=AeB/t式中Rt为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温围只有-50300左右，大量用于家电和汽车用温度检测和

38、控制。金属热电阻一般适用于-200500围的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。2、热电阻的信号连接方式热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。目前热电阻的引线主要有三种方式二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合三线制：在热电阻的根

39、部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。 在本项目中热电阻采用三线制接法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且

40、随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂与与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。在本项目中，选用的PT100的型号是WZP型铂电阻，测量围是：-200650，采用三线制接法。3.4多通道RS-232驱动器/接收器收发器MAX3222，MAX3232，MAX3237和MAX3241配备专有的低漏失电压发射器输出状态，通过双电荷泵，在3.0V至5.5V供压下，表现出真正的RS-232协议器件性能。这些器件只需4个0.1F的外部小电容，用于电荷泵。在保持RS-232协议输出电平的前提下，MAX3222, MAX3232和

41、MAX3241可确保120kbps的数据传输速率；而MAX3237在普通操作模式下可确保250kbps的数据传输速率，在MegaBaud模式下可确保1Mbps的数据传输速率。MAX3222,MAX3232带有2个接收器和2个驱动器。MAX3222的1A关断模式特性，可有效降低功耗，并延长便携式系统中电池的寿命。在关断模式中，其接收器保持活动状态，同时允许仅用1A的工作电流监测外部设备，诸如：调制解调器。MAX3222,MAX3232在引脚，封装和功能上各自兼容符合行业标准的MAX242,MAX232。在本项目中，选用的是MAX32323.5LM324四运算放大器 LM324部包括有两个独立的、

42、高增益、部频率补偿 的运算放大器，适合于电源电压围很宽的单电源使用, 也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 LM324的封装形式为塑封14引线双列直插式。特点 部频率补偿 直流电压增益高(约100dB) 单位增益频带宽(约1MHz) 电源电压围宽：单电源(332V)； 双电源(±1.5±16V) 低功耗电流，适合于电池供电 低输入偏流 低输入失调电压和失调电流 共模输入电压围宽，包括接地 差模输入电压围宽，等于电源电压围 输出电压摆幅大(0至VCC-1.5V

43、) 温度漂移指标：0.15ppm3.6稳压器稳压器由调压电路、控制电路、等组成，当输入电压或负载变化时，控制电路进行取样、比较、放大，通过自动调整线圈匝数比，从而保持输出电压的稳定。容量较大的稳压器，还采用电压补偿的原理工作。3.6.1LM7805，LM7812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，电路部还有过流、过热与调整管的保护电路，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，lm7909表示输出电压为负9V。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便

44、，电子制作中经常采用。 最大输出电流1.5A，LM78XX系列输出电压分别为: 5V;6V;8V;9V;10V;12V;15V;18V;24V3.7系统元器件清单名 称型 号封装形式数量单片机STC12C5A60S2PDIP-401个通信接口RS2321个多通道RS-232驱动器/接收器MAX3232DIP-161个显示器LCD1602DIP-201个晶 振12M、1MMAXIAL0.42个移位寄存器DM74164NDIP-141个运算放大器LM324塑封14引线双列直插式1个反相器74LS04DIP-141个与门74LS08DIP-142个三极管9012TO92B4个IGBTTO-3P4个电

45、阻排4.7K X8DIP-162个电阻18个滑动变阻器10K1个瓷片电容30pF、0.1、0.7F7个电解电容10、100F4个4*4矩阵键盘1个按键ANJIAN1个温度传感器Pt1001片电源1个半导体加热片TEC1-12712若干片稳压器LM7812，LM78052个二极管1N40074散热器DIY若干第四章：系统电路图4.1PT100信号调整电路所谓信号调整，是指将传感器输出的非标准信号处理成标准信号。PT100随温度变化输出的是电阻变化信号，该信号无法用单片机识别，因此要外加电路时电阻信号变为标准信号。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。

46、本项目中使用的标准信号为0-5V的电压信号，这样就就可以跟STC12C5A60S2单片机的A/D转换输入口（P1.0口）连接进行转换了。 由PT100构成信号的获取电路常用的方法有两种，一种是构成常见的电桥电路，另一种就是运用恒流源电路，将恒流源通过温度传感器，温度传感器两端的电压即反映温度的变化。在项目中，考虑到成本的问题，采用电桥电路，原理图如图4-1所示：图4-1PT100信号调整原理图4.2换向电路图（输出电路图）由于在本项目中用的是半导体加热制冷片对反应釜进行加热和制冷的，而通过上面的分析，我们已经知道半导体加热制冷片的工作特性是：正电压时加热、负电压时制冷。这就要求我们设计一个换向

47、电路，来根据温度的变化而改变半导体加热制冷片上的电压方向。现有两种换向电路可供选择，一种是H桥换向电路，另一种是半桥换向电路。其中，H桥换向电路是利用4个功率管IGBT所组成。其工作特点是：4个功率管IGBT的栅极驱动电压分为两组。VT1和VT3同时导通和关断；VT2和VT4同时导通和关断。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了。而半桥换向电路时利用2个功率管IGBT所组成。其工作特点是：在VT1加上正电压和在VT2负电压，当VT1导通时，加热制冷片上的电压相对于接地来讲是正向的，当VT1截止VT2导通时，加热制冷片上的电压相对于接地来讲是反向的。这种换向电路虽然只用到两个IGB

48、T功率管，但是用到了正向和负向电压，这就增加了设备的成本和实现的难度。所以在本项目中所选用的是H桥换向电路。电路原理图如图4-2所示：图4-2换向电路原理图4.3串口通讯接线图每一个单片机都要与PC机之间进行通讯，这就需要通讯接口和驱动器，在本项目中所用到的通讯接口型号是：RS-232，驱动器是MAX3232.原理图如图4-3所示：图4-3串口通讯图4.4电源电路图为了保持采集信号的精度，本系统中只用到了+12V和+5V的电压，所以我们搭建了一个电源电路，如图4-4所示，以提供+12V和+5V的电压。图4-4电源电路图电路中选用了一个带中间插头的变压器将220V的电压变为20V左右，然后经四个

49、二极管整流，这里的二极管型号是1N4007。整流后用一个1000uf的电容进行滤波，再经过LM7812和LM7805稳压后即提供了+12V和+5V的电压。为了保证电源波纹较小，在电源与地之间又加了两个0.1uf的电容。4.5LCD显示电路4.5.1液晶显示模块的原理液晶屏上显示的字码是通过在方格（每个方格成为一个像素）中依次连接所得，拼凑成一个个字符，通过控制不同像素的通断就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，11个方格的高度，即11行8列，但是，并不是显示一个字符一定要用11行8列，也可以是7行8列等。当然，数字液晶显屏不能够显示汉字，因为字符与汉字所占据的位数不同。在本项

50、目中，对显示的要求不是太大，只要显示数字就可以了，所以选用的LCD显示器型号为LCD1602。4.5.2 1602LCD主要技术参数显示容量：16×2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：2.95×4.35（W×H）mm4.5.3引脚功能说明1602LCD采用标准的14引脚（无背光）或16引脚（带背光）接口，各引脚说明如下表：编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据

51、6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第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。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电

52、平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第7-14脚：D0-D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。通过以上的介绍，所画的LCD原理图如图4-5所示：图4-51602LCD显示接线图4.6键盘电路图4.6.1矩阵式键盘的结构与原理该方式在按键连接较多的情况下会占用大量I/O口，在系统较庞大时无法接受的，因此在按键较多时可以考虑矩阵式键盘接法或采用专用的键盘接口芯片。矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行线与列线分别连接到按键的两端。4.6.2键盘的工作方式与独立式键盘相类似，矩阵式键盘的扫描也有程序查询方式和中断处理方式两种，在实际应用中根据具体情况进行

53、选择。一般CPU比较繁忙的场合应采用中断处理方式。程序查询方式是利用CPU在完成其他工作的空闲，调用键盘扫描子程序，来处理按键输入。键盘扫描程序一般应具备下述4点功能。1、 判别键盘上有无键按下。其方法为列线输出全为“0”，然后读取行线的状态，若行线为全“1”，则表明键盘无按下，若不全为“1”，则表明有键按下。2、 去除键的抖动。方法与独立式键盘中采用的方法一样。3、 求按键位置。根据前面介绍的键盘扫描方法，逐行逐列进行扫描，最后确定被按下键的键号。4、 调用功能处理程序，对该键号的按键进行处理。中断处理方式中，CPU响应中断请求后，转去执行中断服务程序，在中断服务程序中判别键盘上闭合键的键号，并做相应的处理，方法与程序查询方式一样。键盘接线图如图4-6所示：图4-6键盘与单片机接线图图为4行4列键盘接法，共16个键。行线通过上拉电阻接+5V，平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，则对应的行线和列线短接，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。4.7系统总电路图通过以上对系统各个部分进行分析与解释，绘制出了以下的系统总的电路图。总电路时以单片机为中心，加上显示电路、键盘电路、输入电路、输出电路、串口通讯电路、电源电路所组成。还包括若干小的元器件，如：电阻、