半导体制冷温控系统的研究

保定职业技术学院毕业设计报告（论文）系机电工程系专业应用电子技术班级电子0805姓名荣桂婷学号20080549题目半导体制冷温控系统的研究指导教师安卫超完成时间2010年01月05保定职业技术学院毕业设计报告（论文）系机电工程系专业应用电子技术班级电子0805姓名荣桂婷学号20080549题目半导体制冷温控系统的研究指导教师安卫超完成时间2010年01月05日2010年01月05日内容摘要本文介绍了基于半导体制冷器件的小型温度控制系统的设计思想以及实现方法。重点研究了半导体制冷器件的基本原理、系统构成、以及PID控制方法的单片机(SCM)实现。采用此方法设计的小型温度控制系统摒弃了传统使用压缩机的制冷技术而采用半导体制冷器件，因而具有控制灵活，控制精度高的优点，并显著降低了成本。能够满足生物、医学以及一些工业领域对小型恒温箱的要求，具有一定的推广应用价值和市场前景。索引关键词内容摘要本文介绍了基于半导体制冷器件的小型温度控制系统的设计思想以及实现方法。重点研究了半导体制冷器件的基本原理、系统构成、以及PID控制方法的单片机(SCM)实现。采用此方法设计的小型温度控制系统摒弃了传统使用压缩机的制冷技术而采用半导体制冷器件，因而具有控制灵活，控制精度高的优点，并显著降低了成本。能够满足生物、医学以及一些工业领域对小型恒温箱的要求，具有一定的推广应用价值和市场前景。索引关键词：半导体制冷器件、温度控制、PID控制目录第一章绪论..........................................................................................................................11.1引言..................................................................................................................................11.2半导体制冷温控系统的的研究现状及发展趋势..........................................................11.3研究的意义......................................................................................................................1第二章半导体制冷技术原理简介......................................................................................22.1帕尔帖效应原理介绍......................................................................................................22.2半导体致冷器件原理概述..............................................................................................2第三章半导体制冷温控系统的硬件设计..........................................................................33.1半导体制冷的温控系统的硬件组成..............................................................................33.2硬件电路的具体设计......................................................................................................33.3对MSP430单片机温控制核心电路的研究目录第一章绪论..........................................................................................................................11.1引言..................................................................................................................................11.2半导体制冷温控系统的的研究现状及发展趋势..........................................................11.3研究的意义......................................................................................................................1第二章半导体制冷技术原理简介......................................................................................22.1帕尔帖效应原理介绍......................................................................................................22.2半导体致冷器件原理概述..............................................................................................2第三章半导体制冷温控系统的硬件设计..........................................................................33.1半导体制冷的温控系统的硬件组成..............................................................................33.2硬件电路的具体设计......................................................................................................33.3对MSP430单片机温控制核心电路的研究....................................................................43.4MSP430的作用.................................................................................................................53.5对AD转换器的原理认识................................................................................................53.6PWM实现原理...................................................................................................................6第四章半导体制冷系统的软件设计..................................................................................74.1软件设计流程..................................................................................................................74.2温度采集系统..................................................................................................................74.3PID算法的介绍...............................................................................................................8第五章半导体制冷温控系统的工作过程..........................................................................8第六章半导体制冷器件使用注意事项..............................................................................9后记....................................................................................................................................10参考文献..........................................................................................................................111半导体制冷温控系统的设计第一章绪论1.1引言半导体制冷又称电子制冷，它利用特种半导体材料构成的P—N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定的。制冷片内部是由上百对电偶联成的热电堆，以达到增强制冷(制热)的效果。半导体制冷器件不需要任何制冷剂，可连续工作，无污染，即能制冷又能制热。并且半导体制冷片是电流转换型器件，通过对输入电流的控制即可实现高精度的温度控制。可广泛应用于生物、医学等诸多领域，如实验室冷箱、恒温显影槽、细菌培养基等。1.2半导体制冷温控系统的的研究现状及发展趋势温度是工业生产中相当重要的参数之一,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,对温度要求严格。较高精度的恒温系统是一个仪表仪器的有力保证。而且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。针对这一情况，中国早在50年代末60年代初，就开始了半导体制冷技术的研究工作。60年代中期，半导体材料的性能达到了国际水平，60年代末至80年代初是我国半导体制冷片技术发展的一个台阶。在此期间，一方面半导体制冷材料的优值系数提高，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致冷器，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。1.3研究的意义研究意义：在“帕尔贴效应”的原理基础上，对半导体制冷温控系统的研究，实现高1半导体制冷温控系统的设计第一章绪论1.1引言半导体制冷又称电子制冷，它利用特种半导体材料构成的P—N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定的。制冷片内部是由上百对电偶联成的热电堆，以达到增强制冷(制热)的效果。半导体制冷器件不需要任何制冷剂，可连续工作，无污染，即能制冷又能制热。并且半导体制冷片是电流转换型器件，通过对输入电流的控制即可实现高精度的温度控制。可广泛应用于生物、医学等诸多领域，如实验室冷箱、恒温显影槽、细菌培养基等。1.2半导体制冷温控系统的的研究现状及发展趋势温度是工业生产中相当重要的参数之一,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,对温度要求严格。较高精度的恒温系统是一个仪表仪器的有力保证。而且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。针对这一情况，中国早在50年代末60年代初，就开始了半导体制冷技术的研究工作。60年代中期，半导体材料的性能达到了国际水平，60年代末至80年代初是我国半导体制冷片技术发展的一个台阶。在此期间，一方面半导体制冷材料的优值系数提高，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致冷器，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。1.3研究的意义研究意义：在“帕尔贴效应”的原理基础上，对半导体制冷温控系统的研究，实现高效率，高精度制冷。半导体致冷系统普遍应用于军事，医疗，实验室装置，各种高低温实验仪器，专用装置等诸多领域。2第二章半导体制冷技术原理简介2.1帕尔帖效应原理介绍半导体致冷亦称电子致冷也叫温差致冷，是由半导体所组成的一种冷却装置如图2-1：图2-1这是由X及Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路，通上电源之后，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高，这就是著名的帕尔帖效应。以帕尔帖效应为理论依据，经过多年的摸索实践，研制的半导体制冷器件被广泛应用于半导体制冷技术。2.2半导体致冷器件原理概述半导体致冷器件原理：把一个N型和P型半导体的粒子用金属连接片焊接而成一个电偶对。当直流电流从N极流向P极时，2.3端上产生吸热现象，此端称冷端而下面1.4端产生放热现象，此端称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（一般约1Kcal／h）所以实际上将几十。上百对电偶联成的热电堆。所以半导体的致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，这是半导体致冷的本质。如图2-2所示：图2-2半导体致冷的过程：电子由负极出发经过金属片流向P点4，到P型，再流向2第二章半导体制冷技术原理简介2.1帕尔帖效应原理介绍半导体致冷亦称电子致冷也叫温差致冷，是由半导体所组成的一种冷却装置如图2-1：图2-1这是由X及Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路，通上电源之后，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高，这就是著名的帕尔帖效应。以帕尔帖效应为理论依据，经过多年的摸索实践，研制的半导体制冷器件被广泛应用于半导体制冷技术。2.2半导体致冷器件原理概述半导体致冷器件原理：把一个N型和P型半导体的粒子用金属连接片焊接而成一个电偶对。当直流电流从N极流向P极时，2.3端上产生吸热现象，此端称冷端而下面1.4端产生放热现象，此端称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（一般约1Kcal／h）所以实际上将几十。上百对电偶联成的热电堆。所以半导体的致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，这是半导体致冷的本质。如图2-2所示：图2-2半导体致冷的过程：电子由负极出发经过金属片流向P点4，到P型，再流向P点3，结点金属片从结点2，到达N型，再返过结点1，到达金属片回到电源正极。由于左半部是P型，3导电方式是空穴，空穴流动方向与电子流动方向相反，所以空穴是结点3金属片，到P型，再到结点4金属片，最后到电源负极。结点4金属中的空穴具有的能量低于P型中空穴能量，当空穴在电场作用下要从3到达P型，必须要增加能量，并把这部分势能转变为空穴的电能。因而在结点3处的1金属被冷却下来，当空穴流向4时，金属片曲于P型中空穴能量太子金属中空穴的能量，因而要释放多余的势能，要将热放出来这4处的金属片是被加热。右半部是N型，与金属片联接是靠自由电子导电的，而在结点2金属中势能低于N型电子势能，当自由电子在电场作用1电子通过结点2到达N型时必然要增加电能，这部分势能只能从金属片势能取得，同时必然使结点2金属片冷下来。当电子由N型流向结点1金属片时，由于电子从势能较高的地方流向势能低处，故要释放多余的电能。并变成热能，在结点1处使金属片加热，是热端。第三章半导体制冷温控系统的硬件设计3.1半导体制冷的温控系统的硬件组成本系统即是基于半导体制冷片TEC1—12706，加之温度检测装置和MSP430单片机PID控制手段实现一个高精度温度控制系统。整个控制系统由MSP430F149单片机控制单元、带驱动电路的制冷单元、温度检测模块以及键盘输入和液晶显示四大部分组成。半导体温控系统工作原理框图如图3-1：图3-13.2硬件电路的具体设计一、键盘部分设计要求采用八个键，实现用户对温度的设定和PID参数的设定。二、显示部分采用液晶显示，能够显示温度的变化并以曲线的形式直观的给出。三、制冷驱动电路的设计系统采用两片制冷片串联叠加的方式来提高制冷能力，故电路采用两片IR公司芯片IR2103作为核心驱动芯片，输人与单片机输出的PWM相连，通过改变占空比调节输出驱动电压。由于同时接入两片半导体制冷器件功率较大，必须保证电提供MSP430单片机控制系统温度曲线显示电压采样ADS1878DS18B20制冷器件驱动电路半导体制冷器件键盘3导电方式是空穴，空穴流动方向与电子流动方向相反，所以空穴是结点3金属片，到P型，再到结点4金属片，最后到电源负极。结点4金属中的空穴具有的能量低于P型中空穴能量，当空穴在电场作用下要从3到达P型，必须要增加能量，并把这部分势能转变为空穴的电能。因而在结点3处的1金属被冷却下来，当空穴流向4时，金属片曲于P型中空穴能量太子金属中空穴的能量，因而要释放多余的势能，要将热放出来这4处的金属片是被加热。右半部是N型，与金属片联接是靠自由电子导电的，而在结点2金属中势能低于N型电子势能，当自由电子在电场作用1电子通过结点2到达N型时必然要增加电能，这部分势能只能从金属片势能取得，同时必然使结点2金属片冷下来。当电子由N型流向结点1金属片时，由于电子从势能较高的地方流向势能低处，故要释放多余的电能。并变成热能，在结点1处使金属片加热，是热端。第三章半导体制冷温控系统的硬件设计3.1半导体制冷的温控系统的硬件组成本系统即是基于半导体制冷片TEC1—12706，加之温度检测装置和MSP430单片机PID控制手段实现一个高精度温度控制系统。整个控制系统由MSP430F149单片机控制单元、带驱动电路的制冷单元、温度检测模块以及键盘输入和液晶显示四大部分组成。半导体温控系统工作原理框图如图3-1：图3-13.2硬件电路的具体设计一、键盘部分设计要求采用八个键，实现用户对温度的设定和PID参数的设定。二、显示部分采用液晶显示，能够显示温度的变化并以曲线的形式直观的给出。三、制冷驱动电路的设计系统采用两片制冷片串联叠加的方式来提高制冷能力，故电路采用两片IR公司芯片IR2103作为核心驱动芯片，输人与单片机输出的PWM相连，通过改变占空比调节输出驱动电压。由于同时接入两片半导体制冷器件功率较大，必须保证电提供MSP430单片机控制系统温度曲线显示电压采样ADS1878DS18B20制冷器件驱动电路半导体制冷器件键盘输入PWM温度检测闭环稳压4足够的电流，可采用开关电源。斩波部分选用具有较低的通态压降和较高的开关频率等优点的全控性功率器件，此处采用电流容量为23A，耐压值为100V的MOSFET(IRF540)，完全能够满足系统所用制冷器件TEC1—12706所需6A的驱动电流和12V的额定电压。为同时满足制冷制热的驱动要求，需要改变制冷器件驱动电源极性，电路采用继电器进行极性的切换，单片机10口通过三极管驱动继电器线圈，可以实现制冷与加热的自动切换。驱动电路图如下：图3-2四、控制电路的设计：控制电路以MSP430单片机为温控核心，主要负责对温度进行监测根据PID算法输入相应占空比的PWM给驱动电路，实现一个闭环控制系统。温度检测选用两片数字温度传感器DS18B20同时对内温度和外温度进行监测。同时为了输出电压的稳定和过电压的保护对输出电压AD进行采样。AD芯片采用TI公司的12位ADS7818高速串行AD转换器实现。参考电压选5V，驱动电路电压经过采样电阻分压送AD转换。按最大输出18V计算，选用100K和200K的采样电阻。3.3对4足够的电流，可采用开关电源。斩波部分选用具有较低的通态压降和较高的开关频率等优点的全控性功率器件，此处采用电流容量为23A，耐压值为100V的MOSFET(IRF540)，完全能够满足系统所用制冷器件TEC1—12706所需6A的驱动电流和12V的额定电压。为同时满足制冷制热的驱动要求，需要改变制冷器件驱动电源极性，电路采用继电器进行极性的切换，单片机10口通过三极管驱动继电器线圈，可以实现制冷与加热的自动切换。驱动电路图如下：图3-2四、控制电路的设计：控制电路以MSP430单片机为温控核心，主要负责对温度进行监测根据PID算法输入相应占空比的PWM给驱动电路，实现一个闭环控制系统。温度检测选用两片数字温度传感器DS18B20同时对内温度和外温度进行监测。同时为了输出电压的稳定和过电压的保护对输出电压AD进行采样。AD芯片采用TI公司的12位ADS7818高速串行AD转换器实现。参考电压选5V，驱动电路电压经过采样电阻分压送AD转换。按最大输出18V计算，选用100K和200K的采样电阻。3.3对MSP430单片机温控制核心电路的研究一、MSP430单片机简介功耗低,功能强大,它是以微处理器为核心的电子仪器,具有数据存储、运算、逻辑判断能力,能根据被测参数的变化自选量程,可自动校正、自动补偿、自寻故障等。二、MSP430单片机的特点1.采用flash存储器作为程序代码及信息存储,因此可实现多次的写入和擦除,也可实现在线写入,且存储空间大,其中ROM为60K,RAM为2K。52.在单片机内集成了一个12位精度、高效通用的AD转换模块,即数据采集子系统。3.片内有1个硬件乘法器,这个硬件乘法器是1个16位的外围模块,它并不集成于CPU中,因此它的运算独立于CPU,也不需要特殊的指令。4.片内有2个串行通讯接口,支持通用异步协议(UART协议)和同步协议(SPI协议)。5.片内有2个16位的定时器,且带有多个捕获比较寄存器,这样寄存器的使用将更加灵活。数据采集子系统不仅是单片机的主要组成部分也是整个智能仪器的核心部分。三、MSP430单片机数据采集子系统的介绍MSP430单片机的组成:数据采集子系统在MSP430中有1个12位精度的A/D转换模块ADC12,主要由5大功能模块组成：带有采样保持功能的ADC内核,可控制的转换存储,可控制的参考电平发生器,可控制和选择的时钟源,可控采样及转换时序电路。对五大模块的详细说明：1.ADC12可以对8个外部模拟信号之一或4个内部电压之一作转换,由ADC内核把模拟信号转换成12位数据并存入转换存储寄存器。内核用到2个参考电平,即VR+和VR-作为转换范围的上下限和读数的量程值和“0”值。转换数值在输入信号大于等于VR+时为满量程,小于等于VR-时为“0”。2.对于ADC12的转换时钟,用户有各种选择来形成采样的时序。ADC12可以选择所有有效的MSP430片内时钟,也可以选择一个外围模块所含的时钟,对于选择时钟源可以引入一个1～8的分频因子。3.ADC12有452.在单片机内集成了一个12位精度、高效通用的AD转换模块,即数据采集子系统。3.片内有1个硬件乘法器,这个硬件乘法器是1个16位的外围模块,它并不集成于CPU中,因此它的运算独立于CPU,也不需要特殊的指令。4.片内有2个串行通讯接口,支持通用异步协议(UART协议)和同步协议(SPI协议)。5.片内有2个16位的定时器,且带有多个捕获比较寄存器,这样寄存器的使用将更加灵活。数据采集子系统不仅是单片机的主要组成部分也是整个智能仪器的核心部分。三、MSP430单片机数据采集子系统的介绍MSP430单片机的组成:数据采集子系统在MSP430中有1个12位精度的A/D转换模块ADC12,主要由5大功能模块组成：带有采样保持功能的ADC内核,可控制的转换存储,可控制的参考电平发生器,可控制和选择的时钟源,可控采样及转换时序电路。对五大模块的详细说明：1.ADC12可以对8个外部模拟信号之一或4个内部电压之一作转换,由ADC内核把模拟信号转换成12位数据并存入转换存储寄存器。内核用到2个参考电平,即VR+和VR-作为转换范围的上下限和读数的量程值和“0”值。转换数值在输入信号大于等于VR+时为满量程,小于等于VR-时为“0”。2.对于ADC12的转换时钟,用户有各种选择来形成采样的时序。ADC12可以选择所有有效的MSP430片内时钟,也可以选择一个外围模块所含的时钟,对于选择时钟源可以引入一个1～8的分频因子。3.ADC12有4种工作模式。可以在单通道上实现单次转换或多次转换,也可以在序列通道上实现单次转换或重复转换。对于序列通道转换,采样顺序完全由用户定义。转换的结果保存在16个转换寄存器中,这样ADC12可以进行多次转换而不需要软件干预,这一点提高了系统性能,也减少了软件开销。4.ADC12用5个控制寄存器,16个转换存储器和16个转换存储控制寄存器来配置。其中控制寄存器:ADC12CTL0,ADC12CTL1;存储寄存器:ADC12MEM0-ADC12MEM15;存储控制寄存器:ADCS12MCTL0-ADC12MCTL15;中断标志寄存器:ADC12IFG;中断允许寄存器:ADC12IE;中断向量寄存器:ADC12IV。3.4MSP430的作用温度信号经电压采样系统由模拟电信号转换成数字信号输入MSP430单片机处理后,一方面送到显示控制部分，显示温度值,另一方面送到存储部分保存。3.5对AD转换器的原理认识一、模数转换的概念模数转换(AD转换)亦称模拟一数字转换，与数/模(D/A)转换相反，是将连续的模拟信号通过取样转换成离散的数字信号。使得单片机能够对该信号进行识别处理.6二、模数转换的过程图3-3模数转换流程说明：在某些特定的时刻对这种模拟信号进行测量叫做采样由于外界因素的影响，通常都采用宽度很短的采样脉冲，所以采样输出是断续的窄脉冲。然后要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的，则量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程中同时实现的，且所用时间又是保持时间的一部分。3.6PWM实现原理PWM控制方式的突出优点是控制简单、灵活、动态响应好，能提高控制精度，从而较好地解决了控制精度与控制时间之间的矛盾．因此，PWM控制方式被广泛地应用于自动控制系统中．PWM既可由硬件实现(高性能的微处理器或PWM专用芯片或其他硬件电路)，也可以通过软件实现，但其原理是一样的，即对被控参数先设定一个值，再与此参数的实测值经比较器进行比较，根据比较结果来决定是输出高电平还是低电平，这样就得到一系列脉冲，其脉冲宽度与偏差成线性关系．用此脉冲去控制半导体开关器件的导通和关断，半导体开关器件又触发执行元件，执行元件按脉冲宽度的时间动作．被控参数偏差大，脉冲宽度就宽，执行元件的动作时间就长，使参数的实测值与设定值的偏差迅速减小：当偏差小时，脉冲宽度变窄，执行元件动作时间短，直到设定值与实测值相等，达到自动控制参数的目的。采样6二、模数转换的过程图3-3模数转换流程说明：在某些特定的时刻对这种模拟信号进行测量叫做采样由于外界因素的影响，通常都采用宽度很短的采样脉冲，所以采样输出是断续的窄脉冲。然后要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的，则量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程中同时实现的，且所用时间又是保持时间的一部分。3.6PWM实现原理PWM控制方式的突出优点是控制简单、灵活、动态响应好，能提高控制精度，从而较好地解决了控制精度与控制时间之间的矛盾．因此，PWM控制方式被广泛地应用于自动控制系统中．PWM既可由硬件实现(高性能的微处理器或PWM专用芯片或其他硬件电路)，也可以通过软件实现，但其原理是一样的，即对被控参数先设定一个值，再与此参数的实测值经比较器进行比较，根据比较结果来决定是输出高电平还是低电平，这样就得到一系列脉冲，其脉冲宽度与偏差成线性关系．用此脉冲去控制半导体开关器件的导通和关断，半导体开关器件又触发执行元件，执行元件按脉冲宽度的时间动作．被控参数偏差大，脉冲宽度就宽，执行元件的动作时间就长，使参数的实测值与设定值的偏差迅速减小：当偏差小时，脉冲宽度变窄，执行元件动作时间短，直到设定值与实测值相等，达到自动控制参数的目的。采样保持量化编码7第四章半导体制冷系统的软件设计4.1软件设计流程图4-14.2温度采集系统DS18B20和温度检测共同组成了温度采集系统而DS18B20又是温度采集系统的核心芯片，温度控制算单线数字温度传感器DS18B20为新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽。数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。DS18B20数字化温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度范围为-50℃~+125℃,在-10℃~+85℃范围内，精度为±0.5℃。DS1822的精度较差为±2℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，支持3v~5.5v的电压范围，使系统设计更灵活、方便。DS18B207第四章半导体制冷系统的软件设计4.1软件设计流程图4-14.2温度采集系统DS18B20和温度检测共同组成了温度采集系统而DS18B20又是温度采集系统的核心芯片，温度控制算单线数字温度传感器DS18B20为新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽。数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。DS18B20数字化温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度范围为-50℃~+125℃,在-10℃~+85℃范围内，精度为±0.5℃。DS1822的精度较差为±2℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，支持3v~5.5v的电压范围，使系统设计更灵活、方便。DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5℃。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20主要由四个部分组成64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。内部结构如图4-2所示：8图4-2DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器.暂存存储器包含了8个连续字节,前两个字节是测得的温度信息,第一个字节的内容是温度的低八位,第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝,第五个字节是结构寄存的易失性拷贝,这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。4.3PID算法的介绍温度控制算法十本温度控制系统的核心。本系统采用PID控制算法，单片机作为控制器。在实际温度中设定差值较大时无需采用PID算法，全功率制冷或制热。当温度差超过3摄氏度则引入PID调节。具体采用增量计算法。就是相对于标准算法的相邻两次之差，得到的结果是增量，也就是说在上一次的控制量基础上需要增加的控制量。计算公式如下：Pout=(t-1)=KP(e(t)-e(t-1))+Kie(t)+Kd(e(t)-2e(t-1)+e(t-2))式中e(t)表示当前测量值与设定目标之差，设定目标是被减数，结果可以是正或负，正数表示还没有达到，负数表示已经超过了设定值。8图4-2DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器.暂存存储器包含了8个连续字节,前两个字节是测得的温度信息,第一个字节的内容是温度的低八位,第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝,第五个字节是结构寄存的易失性拷贝,这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。4.3PID算法的介绍温度控制算法十本温度控制系统的核心。本系统采用PID控制算法，单片机作为控制器。在实际温度中设定差值较大时无需采用PID算法，全功率制冷或制热。当温度差超过3摄氏度则引入PID调节。具体采用增量计算法。就是相对于标准算法的相邻两次之差，得到的结果是增量，也就是说在上一次的控制量基础上需要增加的控制量。计算公式如下：Pout=(t-1)=KP(e(t)-e(t-1))+Kie(t)+Kd(e(t)-2e(t-1)+e(t-2))式中e(t)表示当前测量值与设定目标之差，设定目标是被减数，结果可以是正或负，正数表示还没有达到，负数表示已经超过了设定值。这是面向比例项用的变动数据。累计偏差：etet1et2e1这是我们每一次测量到的偏差值的总和，这是代数和，考虑到正负符号的运算，这是面向积分项用的变动数据。基本偏差的相对偏差：e(t)-e(t-1)，用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差，用于考察当前控制的对象的趋势，快速反应的确定PID参数的重要依据。第五章半导体制冷温控系统的工作过程控制电路以MSP430单片机温控制核心，主要负责对温度进行监测根据PID算法输入相应占空比的PWM给驱动电路，实现一个闭环控制系统。再通过驱动电路驱动制冷器件制冷，通过温度检测得到想要的温度，温度信号经电压采样和温度系统由模拟电信号转换成数