摘 要

作为一种新型的制冷技术，半导体制冷有别于其他的制冷方式。它不用化学制冷剂、体积较小且无机械运动，通常应用在微型且制冷量较小的场合，比如说血液和疫苗的冷藏环境。目前市场上的半导体制冷片都是直接应用的，无法满足温度控制的要求。本次设计把它和改进PID算法结合起来，在一个密闭容器中实现温度控制。单片机作为主要控制模块，用来产生可变占空比的PWM信号，再控制功率驱动电路驱动半导体制冷片制冷。制冷片的功率随着占空比的大小变化而变化，给容器内部制冷。最终将容器内的温度稳定在设定值。实现了微型化设备或器件的温度控制。

关键词：单片机；半导体制冷；温度控制;改进PID；PWM

Abstract

As a new refrigeration technology, semiconductor refrigeration is different from other refrigeration methods. It does not use chemical refrigerant, is small in volume and has no mechanical movement, and is usually used in micro and small refrigeration capacity occasions, such as the refrigeration environment of blood and vaccine. At present, the semiconductor refrigeration chips in the market are all directly applied, which can not meet the requirements of temperature control. This design combines it with PID algorithm to realize temperature control in a closed container. As the main control module, single-chip microcomputer is used to generate PWM signal with variable duty cycle, and then control the power drive circuit to drive the semiconductor refrigeration chip to cool. The power of the cooling sheet changes with the duty cycle, which refrigerates the inside of the container. Finally, the temperature in the container is stabilized at the set value. The temperature control of miniaturized equipment or devices is realized.

Key words: Single-chip Microcomputer；Semiconductor refrigeration；Temperature control；Improved PID algorithm；PWM

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1课题的研究背景及意义 1

1.2半导体制冷技术的国内外研究现状 1

1.3半导体制冷的原理 2

1.3.1半导体的分类 2

1.3.2半导体制冷原理 2

1.4温度测控技术国内外发展现状 3

第二章 影响半导体制冷效率的因素 4

2.1优值系数 4

2.2传热方式 4

2.3加工工艺对制冷效率的影响 5

2.4半导体制冷当前存在的主要问题 5

2.5半导体制冷研究预测 6

第三章 温度控制算法的研究 7

3.1温度的控制 7

3.2比例积分微分控制 7

3.3数字式PID控制算法 8

3.4改进后的PID算法 8

3.5改进后的PID算法参数的整定 9

第四章 半导体制冷温控系统总体方案设计 10

4.1半导体制冷温度控制系统的组成框图 10

4.2半导体制冷片的选择 10

4.3温度传感器DS18B20 11

4.4液晶LCD1602 12

4.5实时时钟模块设计 13

4.6半导体制冷片驱动电路设计 14

4.7系统硬件框图 14

第五章 温控系统的软件设计 16

5.1系统主程序设计 16

5.2温控算法程序设计 17

5.3时钟模块程序设计 17

5.4温度设定程序设计 18

5.5软件开发环境 19

5.6调试结果 19

第六章 结论 20

参考文献 21

致 谢 22

第一章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

半导体制冷技术已经发展了数十年，在制冷的应用领域有许多独一无二的优点。应用这种技术可以制成体积很小但是可以根据实际情况改变自身的外在形状的制冷器。适用于一些本身容积很小，但却要求温度可以调节的容器。由于机械压缩制冷需要安装上压缩机，在微小型的容器上是无法实现的。并且由于成本的问题也无法做到大规模的推广应用。因此就有了我们半导体制冷片的用武之地了。用它来实现制冷，不仅不会污染环境。而且调节电流大小就可以改变它的制冷功率。因为它的内部没有机械运动部分，所以工作时不会产生噪声，也是它的一大优势。要让一些微小型的电子元器件正常工作，通常需要恒温或者低温的工作环境。而半导体制冷片具有体积小，可以根据实际的情况改变外在形状，只要改变它两端的电压或者通过它的电流并可以实现制冷功率的调节。因为它的这些特点，所以把它和单片机、改进的PID算法综合起来设计，就能对一些小型的设备做到温度自动控制。

1.2半导体制冷技术的国内外研究现状

从上世纪50年代开始，随着材料技术的进步，人们发现了很多新材料。在理论这一块，人们做了相当多的研究，也正因为如此， 奠定了半导体制冷技术广泛应用的基础。对于内部容积有限的微小型恒温容器，并且要把制造成本控制在尽量低的情况下，用机械制冷的方式根本就实现不了，也非常不划算。因此这项设计就选择了体积小价格便宜的半导体制冷片。由于它具有机械压缩制冷不可替代的独特的优势，尤其适用于为微小型的器件制冷，在众多的行业有广泛的应用。在医疗方面，它可以用来实现医疗器械所需要的低温环境，还可以用来保存血液和疫苗等。除此之外，该项技术还应用于一些精密的仪表仪器上，用于创造恒温的环境，可以做到避免温度扰动带来的影响。这项技术首次的应用是在军事方面，应用于潜艇内的制冷。因为它具有连续并快速制冷的特点，极其适合于激光器等光电器件的制冷应用方面。在通讯方面，广泛应用于那些高热流密度，但能提供的制冷空间狭小的元件。近年来，半导体材料技术飞速发展，已经可以生产出价格低廉且性价比高的半导体制冷片了，给我们提供了一种新的制冷方式。日本松下电器用这项技术制作了可以给三十多瓶葡萄酒提供冷藏环境的制冷式酒柜，而法国等国家更是在飞机的空调上安装了半导体制冷片。英国则把该项技术应用在CPU的冷却系统上。

半导体制冷技术在我国发展地突飞猛进，十分迅速。我国生产的半导体制冷器件的数量居世界首位，在国际上占据着重要的地位。现在我国在半导体制冷器件的生产上的技术已经很成熟了，生产出了许多类型成本低的半导体制冷片。不过我国生产出来的产品大多数都销往国外，而且大多数是直接应用的场合，未能很好地与计算机和自动控制技术等先进技术相结合起来应用。

1.3半导体制冷的原理

1.3.1半导体的分类

p型半导体。它的原理是给硅晶体掺入杂质，这种杂志通常是硼元素，最外层有三个电子。这样形成的复合体中，空穴远远多于电子。其导电能力随掺杂浓度的增加而提高。