自動溫度控制系統(tǒng)摘要本系統(tǒng)采取MSP430F149單片機作為溫度控制關(guān)鍵,利用DS18B20溫度傳感器、1602液晶顯示器、、TEC1-12704半導(dǎo)體制冷芯片等器件,實現(xiàn)對盒子實時監(jiān)視與控制。本系統(tǒng)采取PID模糊算法控制PWM脈沖信號輸出,進而實現(xiàn)制冷芯片自動控制,從而達成對盒內(nèi)空氣正確升溫和降溫。整個系統(tǒng)設(shè)計功效明確,操作簡單牢靠,液晶顯示簡練實用。整個系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)相對簡單,可靠性能較高。系統(tǒng)大多采取實際應(yīng)用廣泛元器件,成本較低,通用性和可移植性很好。本設(shè)計創(chuàng)新點在于引入了PID模糊控制,充足發(fā)揮MSP430系列單片機低功耗優(yōu)點,并結(jié)合其強大外圍模塊實現(xiàn)預(yù)期效果。該系統(tǒng)關(guān)鍵功效明確,簡捷實用,總體運行穩(wěn)定。經(jīng)試驗測試,該自動控制系統(tǒng)總體上滿足賽題基礎(chǔ)要求,發(fā)揮部分溫度穩(wěn)定性控制有一定實現(xiàn)。引言

半導(dǎo)體熱電致冷器(Thermo-E1ectricCooler,簡稱TEC)含有體積小、無噪音、無污染等特點。TEC依靠熱交換,用一面吸熱另一面放熱實現(xiàn)加熱制冷。因TEC電功率幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能,僅在TEC吸熱面熱交換量大于發(fā)燒量二分之一(假定電功率產(chǎn)生熱量在兩面平均分配)時,且當(dāng)放熱面有效散熱時,TEC吸熱面才能制冷(吸熱面吸熱量QIN=QJ一QF／2,放熱面散熱量QOUT=QJ+QF／2)。TEC吸熱面或放熱面由TEC電流決定,電流反向時,吸熱面與放熱面相互轉(zhuǎn)換,這么經(jīng)過控制TEC兩端電壓,即可達成加熱與制冷雙重功效。一.方案選擇與論證1．單片機選擇采取MSP430F149是TI企業(yè)推出MSP430系列超低功耗微控制器中一個,其內(nèi)集成了12位精度A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC12,含有高速（最大采樣速率可達200ksps）、通用優(yōu)點,它能夠?qū)?個外部模擬信號之一或4個內(nèi)部電壓之一進行轉(zhuǎn)換。在本系統(tǒng)中,能夠?qū)?shù)字溫度傳感器進行采樣。2．顯示模塊選擇液晶顯示器含有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧很多優(yōu)點,這里采取字符型液晶模塊是一個用5x7點陣圖形來顯示字符液晶顯示器1602。其模塊內(nèi)部字符發(fā)生存放器（CGROM）存放了160個不一樣點陣字符圖形,以供顯示。1602采取標準14腳接口,其中D0~D7為8位雙向數(shù)據(jù)線用于傳送數(shù)據(jù)。制冷芯片正確控制模塊3.溫度控制模塊選擇方案一:采取繼電器形成開關(guān)電路,實現(xiàn)對芯片外加電壓正反向控制。此方案優(yōu)點是能夠很好達成利用PWM脈沖波實現(xiàn)開關(guān)功效。不足之處于于:電磁繼電器反應(yīng)時間為ms級,相比于脈沖波而言反應(yīng)時間太長,無法達成正確控制,而且,固態(tài)繼電器反應(yīng)時間能達成要求,但所需數(shù)量較多,且價格昂貴,成本升高。方案二:采取專用芯片UC3638PWM雙極性電流控制器實現(xiàn)對制冷芯片電流控制。此方案控制精度高,但其調(diào)制電路電流過大,高達20A,遠大于所選制冷芯片額定電流,極輕易燒壞芯片,且電路連接較為復(fù)雜,調(diào)整困難。方案三:采取NPN管9013對PWM輸出控制信號進行放大和電平移位,采取光耦TLP521-2實現(xiàn)控制信號和工作信號隔離,采取N溝道管IRF540作為上下管組成H橋電路能夠簡單地實現(xiàn)電壓反向控制,電子開關(guān)速度很快,穩(wěn)定性也很強,是一個廣泛采取電壓轉(zhuǎn)向電路,且PWM調(diào)整方案能夠很方便地在程序中實現(xiàn),降低了硬件電路?；谏鲜龇治?擬選擇實用可靠方案三。二.理論分析與計算1.系統(tǒng)總體設(shè)計方案采取MSP430F149單片機作為控制關(guān)鍵對傳感器送來信號進行分析處理,以LED數(shù)據(jù)顯示和I/O端口輸出PWM脈沖信號控制制冷芯片工作。系統(tǒng)總體框圖如圖1所表示:圖12．系統(tǒng)硬件電路設(shè)計與關(guān)鍵參數(shù)計算硬件部分關(guān)鍵有四個模塊組成:①電源部分;②傳感器部分;③顯示和鍵盤部分;④單片機控制模塊（1）電源硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)采取7805和7812實現(xiàn)220交流市電到直流電5V和12V穩(wěn)定輸出;采取LM317實現(xiàn)220交流市電到直流電20穩(wěn)定輸出;采取開關(guān)電源為制冷芯片提供功率。設(shè)計框圖如圖2所表示圖2（2）溫度傳感器18B20硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)。DS18B20采取外接電源工作方法,VCC端用3V～5.5V電源供電,DS18B20中溫度傳感器可完成對溫度測量。并用16位符號擴展二進制補碼形式輸出溫度值,以0.0625℃/LSB形式表示,DS18B20采取單總線工作方法,因為全部信號（控制和數(shù)據(jù)）都經(jīng)過單總線傳輸,所以總線時序邏輯必需非常嚴格。設(shè)計框圖如圖3所表示:圖2（3）顯示和鍵盤電路設(shè)計和實現(xiàn)顯示溫度傳感器測得值及設(shè)定所要達成降溫或升溫值原理如圖4,單片機與液晶顯示器經(jīng)過LED驅(qū)動電路相連接,實時顯示溫度值。設(shè)計框圖如圖3所表示:圖3（4）制冷芯片外部硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)本電路采取是基于PWMH型電路,單片機輸出信號經(jīng)光電耦合后抵達由N溝道MOS管IRF540組成H型高效電橋,控制制冷芯片電壓正反向,而且確保芯片工作時4A大電流。當(dāng)輸入1為高電平,輸入2為低電平時,MOS管Q2,Q3導(dǎo)通,Q1,Q4截止,制冷芯片正向?qū)ㄖ评?當(dāng)輸入1為低電平,輸入2為高電平時,MOS管Q1,Q4導(dǎo)通,Q2,Q3導(dǎo)通制冷芯片正向?qū)訜帷τ谳斎?,輸入2這對控制電壓經(jīng)過對輸出信號占空比調(diào)整達成對芯片正確控制。電路原理圖如圖4所表示:圖四三、系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件完成對傳感器采集數(shù)據(jù)進行處理,實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示,溫度設(shè)置,制冷芯片正確加熱或制冷控制。主程序先調(diào)用初始化命令,開啟風(fēng)扇（用于加緊系統(tǒng)內(nèi)空氣循環(huán)）,查詢是否設(shè)定溫度（經(jīng)過調(diào)用中止實現(xiàn)）,并同時測量系統(tǒng)內(nèi)適時溫度。假如進行了溫度設(shè)定,則將設(shè)定溫度與測量溫度相比較,當(dāng)設(shè)定溫度高于測量溫度時,單片機給制冷芯片輸入正向電流,進行降溫處理;當(dāng)設(shè)定溫度低于測量溫度時,單片機給制冷芯片輸入反向電流,進行升溫處理。假如沒有進行溫度設(shè)定,則等候。當(dāng)系統(tǒng)完成制冷或加熱處理后,再次將設(shè)定溫度與測量溫度相比較,反復(fù)上述操作,直到二者相等后發(fā)出聲信號。四．測試方案與測試結(jié)果第一次第二次第三次第四次第五次溫度可調(diào)、顯示范圍（最小分度）高溫:40.10低溫:6.06高溫:41.30低溫:5.60高溫:42.10低溫:5.80高溫:39.60低溫:6.12高溫:40.60低溫:6.32溫度顯示與設(shè)定矩陣鍵盤有效范圍,精度1℃設(shè)定溫度測試可調(diào)范圍內(nèi)有效值基礎(chǔ)都能實現(xiàn)溫差15℃時調(diào)整時間（s）30~1525215~3025030~1523015~3024330~1526015~3025430~1526215~3023830~1524215~30246溫度穩(wěn)定后波動范圍-1.10℃~2.0℃其她該系統(tǒng)操作簡練方便,使用有效,波動和異常情況較少五．結(jié)果分析由測試結(jié)果可知,該溫度自動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)實現(xiàn)了“智能”自動化控制,基礎(chǔ)能夠?qū)崿F(xiàn)賽題基礎(chǔ)要求部分指標要求,發(fā)揮部分除去第三項外也有所實現(xiàn)。系統(tǒng)特點在于可操作性強,成本較低,整體性價比較高。不足之處于于:設(shè)定溫度較低時降溫較慢,