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 月常州工学院毕业设计论文I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
2、冷温控系统以 STC89C52 单片机为控制核心，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 常州工学院毕业设计论文IIAbstractThe traditional air-cooled heat dissipation system is not likely to take the temperature dropped to environmental temperature below, because when both the
3、temperature is almost equal, it 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 princi
4、ple of thermal equilibrium temperature, 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
5、operation more convenient. It also 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 常州工学院毕业设计论文III目 录摘 要 Abstract .1 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
6、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 .81.8 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
7、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 DS18B20 .173.5.3 DS18B20 的测温流程 .173.5.4 DS18B20 的工作原理 .183.5.5 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 .20常州工学院毕业设计论文IV3.5.8 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 .
8、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 .3
9、8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常州工学院毕业设计论文1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
10、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
11、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
12、导体比金属更容易产生热电效常州工学院毕业设计论文2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：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
13、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
14、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
15、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，我们常州工学院毕业设计论文3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。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
16、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
17、。 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图 1-1 半导体制冷原理图常州工学院毕业设计论文4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
18、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
19、)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
20、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、地下常州工学院毕业设计论文5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值系数,另一方面拓宽其应用领域。
21、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,由于使用的金属材料的热电性能较差,能
22、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
23、阶段是 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，常州工学院毕业设计论文6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-1
24、0+60的生物化学试验用恒温槽等。由于光纤通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，
25、其每小时耗电：12V 时为5Wh；110V 时为 80Wh；220V 时为 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
26、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，常州工学院毕业设计论文7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
27、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
28、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
29、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 半导体制冷优缺点常州工学院毕业设计论文8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，
30、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
31、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
32、。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，当然这些处理机有常州工学院毕业设计论文9一个很大的特点，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
33、。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
34、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
35、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，以免对输出的信号常州工学院毕业设计论文10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
36、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。常州工学院毕业设计论文11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 1
37、00 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，
38、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。常州工学院毕业设计论文122.2 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
39、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。
40、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。2.2.2 系统总体框图图 2-1 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）比较器常州工学院毕业设计论文13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
41、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。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
42、 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，
43、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图 3-1 系统硬件结构图常州工学院毕业设计论文14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/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 I
44、C 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INV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
45、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。常州工学院毕业设计论文153.4 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构原理是 8 个 LED 灯的阳极是公
46、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
47、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
48、动是指每个数码管的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, “的同常州工学院毕业设计论文16名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 C
49、OM 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，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
