智能冰箱开题报告文档

毕业设计（论文）开题汇报题目名称：基于半导体制冷的电子冰箱设计院系名称：中原工学院电子信息学院班级：电气103学号：00474327学生姓名：李庆指导教师：温盛军2月目录1课题研究的目的、意义及发展概述 21.1课题研究的目的 21.2课题研究的意义 21.3发展概况 22课题研究的内容及设计方案 32.1半导体制冷器工作原理 32.2系统总体方案 42.3方案选择 52.3.1控制系统方案选择 52.3.2微处理器 62.3.3显示部分 72.3.4键盘部分 82.3.5上位机通信 82.3.6珀尔贴驱动部分 92.3.7温度测量部分 92.3.8网络通信模块部分 102.3.9半导体制冷器珀尔贴选择 103软件模块设计 103.1编程语言的选择 103.2软件模块设计 114进度时间安排 135参照文献 131课题研究的目的、意义及发展概述1.1课题研究的目的冷冻储备为人们所熟知,给食品的保鲜带来一定的好处。但老式的冷冻储备有其缺陷,即冷藏后产品营养流失,形状、色泽、气味均有变化,且不能复原,并且老式的制冷装置制冷所需时间长。为了处理上述冰箱储备存在的缺陷,常采用加紧冷却速度的措施。此措施能延长食品的寄存期,提高食品的保鲜度和产品的储备质量。既有冰箱使用的氟制昂冷剂,存在着污染问题。伴随科学技术的发展,国内外学者都在寻求氟利昂的替代品,其中无氟冰箱早已出现,但它们仍有局限性之处,因而就要寻找另一种新的制冷源。经研究,运用帕尔贴效应的(热电)半导体制冷器件来克服污染问题。半导体制冷是一种运用帕尔帖效应的温度控制措施，它具有体积小、重量轻、寿命长、无噪音、无机械运动、加热制冷灵活迅速、温控精度高、不需制冷剂，对环境无污染等长处。基于半导体制冷的电子冰箱设计采用半导体帕尔帖作为温控执行器，并且通过控制通过珀尔贴元件的电流大小可以十分以便灵活迅速的控制冰箱内的温度。并且通过微控制器的作用控制可以到达精确温度控制的效果。对老式冰箱进行了改革,使其能满足现代生活需要,减少对环境污染。1.2课题研究的意义温度控制技术是一种非常重要的和常用工业技术。老式的温度控制技术中，制冷根据应用场所的不一样可以采用风冷、水冷和压缩式制冷。在某些特定的场所中，温控系统往往需要体积小，重量轻，加热制冷反应灵活迅速且易于控制，这时采用一般温控措施显得很不以便；而采用热电制冷器帕尔帖作为控温执行器的半导体冰箱可以通过变化流过制冷器的电流方向实现加热和制冷的转换，并且通过控制电流大小可以十分以便灵活迅速的控制温度。从而实现精确控制温度的目的。体积小、重量轻、寿命长、无噪音、无机械运动的长处可以极大的满足现代人对生活中食品保鲜的需要.再通过触摸屏、红外遥控、网络通信等丰富的人机人机交互方式，极大的丰富和以便人们的生活。1.3发展概况1834年法国科学家帕尔帖发现了热电制冷和制热现象——即金属温差电效应或帕尔帖效应。本世纪50年代末期，伴随半导体材料技术的大力发展，处理了初期系统制冷效率低的问题。尤其是美、英、日等国在这一领域做了大量研究，60年代末热电制冷即已到达实用化阶段。半导体制冷技术在国外已广泛地应用于低温生物学、超导技术、低温外科学、低温电子学、通讯技术、红外技术、激光技术以及空间技术等领域。伴随技术的不停进步，半导体制冷技术已开始广泛地应用于家庭用的电冰箱，空调及其他某些制冷设备。半导体制冷技术首先应用于高科技领域和军事领域，重要用于对红外探测器、激光器和光电倍增管等光电器件的制冷。在夜视机载跟踪系统、夜间跟踪器和夜间观测装置上所用的硫化铅、硒化铅光电导型和光伏型HgCdTe等单元都可用半导体制冷器冷却到190K~270K或更低的工作温度。在超导技术核潜艇上作为低温冷源，是核燃料系统最佳的小型电源。前苏联早在50年代，就开始研制约10L的冰箱。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对偶构成的制冷器，在一般的环境下，冷热面的温差不小于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，工作温度范围可以到达-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-20二十世纪七十年代，我国开始研究并研制半导体制冷器件，80年代末期进入应用产品的研制阶段，产品重要为小型冷藏箱，其外形与内部构造重要模仿国外同类产品。90年代开发出实用价值广泛的民用便携式冷藏箱，高下温测试设备、日化品专用冷藏箱以及半导体去湿系列产品。这些产品价格低廉，耗电量小，安全可靠”…[8]。我国的半导体制冷技术的研究虽然有了一定程度的发展，但大多应用在家用电器场所没有很好地将其与自动控制技术、计算机技术等先进科技相结合。因此。结合自动控制原理和微处理器的基于半导体制冷的电子冰箱设计就尤为必要。2课题研究的内容及设计方案2.1半导体制冷器工作原理相比于老式蒸汽压缩式制冷，半导体制冷技术具有诸多长处，它是一种固半导体制冷（Thermoelectriccooler，简写TEC）也称温差电制冷，其原理重要是运用了帕尔帖元件的帕尔帖效应。帕尔帖效应：当电流I通过由两种不一样材料组合成的闭合回路时，在材料的接头处一端会吸取热量，另一端会放出热量。这种吸取或放出的热量叫做帕尔帖热，其大小由公式2-1决定[6]，吸热或放热由电流的方向决定。=π*I(2-1)其中π为帕尔帖系数，与温差电动势率有关，π=（）*T，为构成回路两种材料的温差电动势率，T为有关接头的温度。实际上，帕尔帖元件在工作时除了产生帕尔帖效应外，还会产生四种效应，即：赛贝克效应、焦耳效应、汤姆逊效应和傅立叶效应。因此，帕尔帖元件的制冷量应当是这五种效应混合作用的成果。在这五种效应中，汤姆逊效应和傅立叶效应的影响比较微弱，可以忽视不计。在这里我们只考虑尔帖效应、焦耳效应，此外尚有热传导的影响。使用半导体制冷器进行温度控制，只需控制流过半导体制冷器的电流。变化电流方向可以实现加热和制冷的转换；变化电流的大小可以调整吸取或放出热量的大小。半导体制冷器的制冷量受环境温度影响。在不一样环境温度条件下同一种半导体制冷器所能到达的温控下限不一样样.焦耳效应和热传导影响了半导体制冷器的制冷效果。当半导体制冷器处在制冷状态时，应当对其进行散热，减少焦耳效应和热传导对半导体制冷器制冷效果的影响[6]。2.2系统总体方案控制器的设计从功能、硬件、软件、工作过程等方面描述一种以微控制器作为控制关键的冷热温度控制系统。控制系统由单片机、温度传感器、半导体器件珀尔贴、触摸屏显示、红外遥控、网络通讯电路、电源电路等构成，其构成框图如图1-1，控制系统构成如图1-2.STM32微控制器网络通信STM32微控制器网络通信上位机通信红外遥控触摸屏驱动电路电源模块温度传感器2温度传感器1图1-1系统构成单片机系统AD转换单片机系统AD转换隔离驱动温度传感器执行器图1-2控制系统构成2.3方案选择2.3.1控制系统方案选择1方案一控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统两大类。开环控制系统中没有测量元件，不使用反馈信号，系统框图如图2-1所示。开环系统的长处是系统构造简朴，轻易调试。不过当工作环境和系统自身的元部件性能参数发生变化时，开环系统的被控量会受到较大影响，即抗干扰能力差。一般说，高精度的开环控制系统规定所有的元部件均有较高的精度和很稳定的性能。即开环控制对环境和元件的规定都比较严格。图2-1开环控制方案2方案二闭环控制系统输出信号不仅受到输入信号的控制，并且还受到与输出信号成比例的反馈信号的控制。系统框图如图2-2所示。闭环控制系统自身能检测出被控量的设定值与真实值之差，实际上是用偏差量去减小和消除偏差，因此抗干扰能力强。闭环控制系统可以明显减弱某些元件参数和控制象自身的参数变化对被控量的不利影响，因此对这些部件规定不是很严格。本文选用此构造。不过闭环控制系统构造复杂，设计和调试技术也比较复杂，有也许会产生不稳定。图2-2闭环控制方案系统以冰箱内温度为被控量，通过变化制冷片的输入电压，进而变化流入制冷片的电流，从而控制温度。而对于这样的被控对象，其模型具有非线性的特点，且轻易在控制量及被控量自身的影响下发生变化。这就规定系统采用的控制算法合用于非线性对象，能消除因被控对象模型变化带来的影响。半导体电子制冷冰箱的温度控制为了得到较高的控制精度采用闭环控制。系统输入r(t)与系统输出y(t)比较后形成偏差e(t)，e(t)经采样-保持器及模数转换器转换成数字量e(kT)，输入计算机，由计算机实现数字控制器的运算规律，得到离散的控制量u(kT)，再经数模转换及保持器转换为持续控制量u(t)，作用到持续的被控对象上，以控制被控对象的输出y(t)。系统设计中，通过对被控对象施加阶跃输入，测绘出对象输出量随时间变化的响应曲线。由响应曲线的成果分析，采用两点法，确定山被控对象的传递函数。为简化模型，建立线性模型，控制算法采用PID算法，PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差。将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量对被控对象进行控制。闭环温度控制系统一般由三部分构成：温度传感器、温度控制器和温度调整器。温度传感器采集受控对象的温度，温度控制器根据采集的温度和预期要到达的温度。2.3.2微处理器1方案一采用TI企业的MSP430F149单片机。MSP430单片机是TI企业推出的一种新型单片机系列，其重要特点是：超低功耗、16位指令、内置A/D转换器、串行通信接口、硬件乘法器、高抗干扰能力等。因此，MSP430单片机尤其适合应用在智能仪表、防盗系统、智能家电、电池供电便携式设备等产品之中。其性能特点如下：低工作电压（1.8~3.6V）；超低功耗（工作模式4下耗电仅为0.1μA）；16位精简指令构造（RISC）；150ns指令周期；片内有JTAG调试接口和FLASH型存储器，可在线串行编程；开发环境十分以便高效，支持C语言和汇编语言。低电压、超低功耗。正常工作模式280μA@1MHz，2.2V，待机模式1.6μA，RAM数据保留的掉电模式下0.1μA。五级节电模式。迅速清醒，从待机模式下恢复工作，只需要不到6μS时间。12位ADC，具有内部参照电压源，并且具有采样、保持、自动扫描等功能。具有12位的模数转换器可以得到很高的精度，并且省去了使用专门的模数转换器给设计电路板带来的麻烦。2个16位计数器。具有捕捉、门限功能。具有片内比较器。支持ISP（在系统编程），以便开发和项目升级。支持序列号，熔丝位烧写。以便简朴。双串口支持[1]。2方案二STM32F系列中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）企业出品，其内核是Cortex-M3。该系列芯片按片内Flash的大小可分为三大类：小容量（16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K、384K和512K）。芯片集成有USB，CAN，最多8个定期器，2个ADC，SPI，I2C，USB，UART等多种功能。STM32F103x8和STM32F103xB增强型系列使用高性能的ARM®

Cortex™-M3

32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包括2个12位的ADC、3个通用16位定期器和1个PWM定期器，还包括原则和先进的通信接口：多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一种USB接口和一种CAN接口。

STM32F103xx中等容量增强型系列产品供电电压为2.0V至3.6V，包括-40°C至+85°C温度范围和-40°C至+3微处理器方案选择综合MSP430和STM32的资源和性能比较，STM32的比较丰富内设资源和迅速的运行速度是本系统的最佳选择。2.3.3显示部分 该系统设置触摸屏进行显示和有关的状态值设定，可显示时间、温度值、设定值。一般液晶所用的触摸屏，最多的就是电阻式触摸屏。TFTLCD触摸屏不仅可以显示高质量彩色图像，也可以作为微处理器输入设备。电阻式触摸屏运用压力感应进行控制。电阻触摸屏的重要部分是一块与显示屏表面非常配合的电阻薄膜屏，本系统选择触摸屏进行显示。2.3.4键盘部分 本系统使用红外遥控器、触摸屏以及上位机进行设置。红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传播可靠，功耗低，成本低，易实现等明显长处，被诸多电子设备尤其是家用电器广泛采用，并越来越多的应用到计算机系统中。TFTLCD电阻触摸屏是一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属（透明的导电电阻）导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层、它的内表面也涂有一层涂层、在他们之间有许多细小的（不不小于1/1000英寸）的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在X和Y两个方上产生信号，然后送触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出（X，Y）的位置，再根据获得的位置模拟鼠标的方式运作。遥控器和触摸屏可以设置对应的功能键。启动/停止键：系统无端障时操作该键有效，容许机器运行；运行时按此停止机器运行。设置键：启动状态下操作该键，进入时间、温度设置状态。按该键，可进行温度设定,设置值自动保留。“+”键设置：按该键可将设置值递增，按住可自动递增。“-”键设置时：按键可将设置值递减，按住可自动递减。2.3.5上位机通信UART是最常用的一种串口通信方式，单片机和计算机PC通信，就是通过UART串口通信的。UART串口通信只需要2根线TXD发送数据、RXD接受数据，成本低传播速度快。STM32F103RBT6，有3个串口，有分数波特率发生器、支持同步单线通信和半双工单线通讯。本系统选用UART使用RS-232通信方式和上位机进行通信。在上位机上查看实时温度值和进行温度设定。2.3.6珀尔贴驱动部分计算机通过并行接口电路输出的开关量信号，往往是低压直流信号。一般来说，这种信号无论是电压等级、还是输出功率，均无法满足执行机构的规定，因此应当进行电平转换和功率放大，再送往执行机构。常用的驱动方式有小功率低压开关量输出、继电器输出、晶闸管输出、功率场效应管输出、集成功率电子开关输出。对于低压小功率开关量输出，可采用晶体管、OC门或运放等方式输出。一般仅能提供几十毫安级的输出驱动电流。继电器常常用于计算机控制系统中的开关量输出功率放大，即运用继电器作为计算机输出的执行机构，通过继电器的触点控制较大功率设备或控制接触器的通断以驱动更大功率的负载，从而完毕从直流低压到交流(或直流)高压、从小功率到大功率的转换。但继电器的工作频率较低。作为一种大功率半导体无触点开关器件，晶闸管具有以较小的功率来控制大功率的特点。晶闸管用于交流电系统中。功率场效应管(MOSFET)是压控电子开关，只要在其栅极G和源极S之间加上足够的控制电压，漏极D和源极S之间即可导通。MOSFET的栅极控制电流为微安级，而导通后漏极D和源极S之间容许通过较大的电流，如IRF3250导通时，D、S间容许通过的最大电流可达110A。工作频率也很高。本系统选择2.3.7温度测量部分目前市场上常见的温度传感器重要有模拟集成温度传感器、热敏电阻、铂电阻以及热电偶。模拟集成温度传感器是将温度传感器集成在一种芯片上，可完毕温度测量模拟信号输出功能的专用集成电路，如AD590、LM335等。它的特点是功能单一、测温误差小、价格低、响应速度快、传播距离远、线性好。其缺陷是测温范围比较窄。热敏电阻具有高稳定性、精密、小尺寸、敏捷和价格低廉等长处，每摄氏度可以变化儿百欧姆，适合稳定性超过0．01℃的系统。但热敏电阻是非线性电阻，它的非线性表目前：其电阻值与温度之间早指数关系和电流随电压的变化不服从欧姆定律。这一特性以及窄的温度敏感范围(一般为50铂电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠。不过在还原介质中，尤其是在高温下很轻易被氧化中还原出来的蒸气所沾污，轻易使铂丝变脆，并变化它的电阻与温度间的关系。热电偶的测量电路，必须对所测温度进行冷端赔偿。LM35是由NationalSemiconductor所生产的温度传感器，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，0时输出为0V，每升高1℃，输出电压增长10mV。LM35在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可到达±1/4℃的精确率。其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；在静止温度中自热效应低(0.08℃)，单电源模式在25℃下静止电流约50μ2.3.8网络通信模块部分单片机加ENC28J60模块的网络通信,ENC28J60是带有行业原则串行外设接口（SerialPeripheralInterface，SPI）的独立以太网控制器。它可作为任何配置有SPI的控制器的以太网接口。ENC28J60符合IEEE802.3的所有规范，采用了一系列包过滤机制以对传入数据包进行限制。它还提供了一种内部DMA模块，以实现迅速数据吞吐和硬件支持的IP校验和计算。与主控制器的通信通过两个中断引脚和SPI实现，数据传播速率高达10Mb/s。两个专用的引脚用于连接LED，进行网络活动状态指示。使用ENC28J60模块可以远程实现对温控系统进行远程控制。2.3.9半导体制冷器珀尔贴选择箱体的温度降到设计温度的过程中需要一定的冷量,设计冰箱外形尺寸长、宽、高分别是15cm、10cm、25cm。冷冻室约为4L。但由于冰箱的热互换比较复杂，3软件模块设计3.1编程语言的选择编程语言可用汇编语言和C语言，汇编语言执行效率较高，不过编程复杂，合用于系统资源受限和对执行速度规定较高的场所。C语言编程简朴，易学易用，代码反复运用率高，但编译效率比较差。适合于资源充足，对时间规定不高，或程序复杂的场所中。综和本设计的特点，选择C语言进行设计，可以减少设计周期，也可利于对软件的升级。3.2软件模块设计软件模块有温度采集模块，PID算法模块，触摸屏显示，上位机通信模块，网络通信模块，红外遥控器模块，珀尔贴PWM控制模块。流程图如图4-11温度采集模块采用单片机自带的12位AD转换器进行温度采集转换。2PID算法模块编写PID算法程序对温度控制进行计算3触摸屏显示模块编写触摸屏显示与触摸温度设置程序4上位机通信模块编写上位机通信程序5网络通信模块 编写网络通信模块程序6红外遥控器模块 编写红外遥控通信模块程序7珀尔贴驱动控制模块编写pwm输出程序 图4-1流程图在本设计中，整个系统协调工作在单片机系统控制下进行。同步，为了便于温控系统与其他系统的统一操作与控制，设置人机交互界面，单片