半导体恒温箱设计

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摘要：
以TI公司MSP430F247单片机为核心，辅以多路电源供给、键盘控制、LCD显示、I2C总线的数字温度传感器TMP275、半导体制冷片等器件组成的各个功能模块构成的半导体温控系统，实现了一个由TMP275采集数据，通过MSP430F247自带的I2C总线将数据送入MSP430单片机进行处理，将输出信号通过GXM12864液晶屏显示，当温度溢出设定的温度范围时，单片机输出控制信号来控制半导体制冷片制冷或加热，并且LED闪光报警。依此来实现温度的智能控制。此系统具有很友好的人机交流界面。另外，通过改变程序或外围电路还能实现更多更好的功能，具有较强的开放性和实用性！

关键词：MSP430F247，TMP275，半导体制冷片，智能控制

一、作品简介
1简介
随着社会经济的进一步发展，能源、环境问题日益突出，节能、环保已成为当今社会的第一流行词汇。本作品即以此为基点设计、制作的半导体恒温系统。

本作品以MSP430F247单片机构成信号处理系统，温度传感器采集数据并以I2C总线方式传输给单片机，单片机数据处理后，用LCD进行实时显示当前的温度。当温度溢出设定范围时（最大的恒温范围5℃~50℃），LED闪光报警，同时启动半导体制冷片加热或降温，使得箱内温度恒定在设定范围内，依此来达到温度的智能控制。本作品拥有很好的人机交流界面，用户可以自由设定温度的范围.在最大范围内满足用户的需求。此外，在作品中还添加了时间显示功能，让用户有时间观念，对日常生活提供帮助。通过改变程序和扩展外围电路还能实现更多更好的功能，具有较好的开发性和实用性！

本作品的温控部件是以半导体制冷片为核心构成的，理论上由于它没有可滑动部件，因此它可以最大限度的达到静音效果：相对于传统采用压缩机工作的制冷系统，在没有任何化学添加剂等外部介质的参与，使本设计更具环保性。

实际应用中，本设计可以运用与轮船、舰艇、飞机等工业、运输、军事领域中，特别是应用在直接使用直流电、空间小的场合，可使我们的系统在环保、节能、静音等轻、便的优越性能在最大范围内发挥出来，在某些场合会超越一切传统的机械制冷系统等。它将为高性能、绿色环保的高科技温控研究奠定实用基础。

2设计指标要求
①温度测试范围：-40℃~120℃，
②温度测试精度；士0.5℃；
③温度控制范围：0℃~50℃；

二、总体方案设计
（一）系统分析
作品用12V/1.6A稳压源作供电系统，以保障制冷芯片的正常工作，用测温范围在一40℃~+125℃的温度传感器TMP275测温，因为此温度传感器在-20℃至+100℃之间最大误差仅为士0.5℃，测温精度比较高，符合设计要求，而且在单片机中还可以调用I2C模块直接读出温度。按键经单片机处理后，可以调时钟的大小、温度的上下限和液晶的清屏。液晶清屏可以防止液晶在显示过程出错而导致的乱码。单片机要不停的扫描温度，一旦温度超出设定范围，立即启动制冷芯片加热或制冷，同时用七彩管红光或蓝光光报警，以达到恒温和提醒用户的目的。当在正常的温度范围内，让七彩管常亮绿光。液晶的显示除了显示温度，温度的上下限，时间外，还可以显示一些汉字和图片，可以设置开机动画等。由于一块的制冷芯片的制冷作用有限，为保证恒温效果，所以选用的恒温箱的体积要小。和芯片接触要充分且散热效果要好，这样才能保障芯片的持续工作。

设计分析与计算：半导体恒温箱首先要精确显示箱内的温度，所以要求温度的测量误差要小，当温度溢出设定范围时，恒温器件要及时变换，使箱内的温度    保持在设定范围内。这对恒温器件要求较高。按键调温度的上下限时，要有较好的人机交流界面和可视化操作，因此液晶的刷新的速度要快，实时显示被调的值。用TMP275采集的温度值共二个字节，第一个字节为温度的整数部分，第二个字节中只有前四位是温度的小数部分。这在计算中整数可以直接读出，而小数要左移四位，然后再乘以设定的分辨率，例如0.0625.在按键中断的处理时，要延时
    大约10ms的时间，对msp430来说，for循环一次的时间要根据设定的时钟，这可以在Cpu Rigisrers寄存器里通过计算得出。

（二）方案论证
1、测温模块方案选择
方案一：使用热敏电阻、运放、以及A/D转化电路组成电子测温模块，如图1所示。该方案实现比较困难，因为热敏电阻本身的测温精度不高，信号小，滤波困难，而且运用的元器件较多，不利于整体简洁设计。



方案二：运用TI公司生产的数字温度传感器TMP275，使用该器件有以下的优点：输出数字信号，可以直接传输给单片机作数字信号处理，而不再需要模数信号转换；传感器输出温度的分辨率可以达到0.0625，在-20℃至100℃范围内温度可以精确到士0.5℃，而且和单片机连接比较简单。但在使用该器件要保证相应的引脚不能直接相连。不能直接放在导电的液体和固体上。且器件价格比较昂贵。综合系统以及相关的要求我们选择方案二。

2、信号处理模块
方案一：使用目前市场上性价比较高的51系列单片机，该单片机是8位机，相对应用技术比较成熟，但是它的I/0口比较少，外部中断功能接口少，且外部功能模块较少，例如我们使用它与TMP275级联，因为没有I2C模块，我们对TMP275的操作就需用用软件模拟I2C时序，这样不仅程序编写难度大，而且出错的几率高。

方案二：使用TI公司生产的性价比也不错MSP430F247单片机，该型号单片机是16位机，处理数据速度快，而且拥有丰富的外围模块，方便了我们程序的编写，看门狗电路，大大降低了程序的出错率。更多的I/0口可以级联更多的器件，可扩展更多的功能，而不需要使用地址数据锁存器件，这样既方便了程序的编写，也简化了硬件电路的设计。丰富的中断接口可以提高系统智能化。

3、输出控制模块
输出控制模块其实就是一个加热、降温模块。具体方案如下：

方案一：该模块运用加热丝和风扇以及一些外围的控制器件来组成，因为加热和制冷是相互独立的单元电路，直接从MCU输出控制信号对其单独控制，即可实现相应的功能，框图如图2所示。因此该方案的实现就相对容易。但是温度可控范围小，缺少新意，组合安装时比较麻烦。框图如图3所示。



方案二：在这个方案中我们使用半导体制冷片来代替加热丝和风扇。即只使用一片器件可以同时实现加热和降温。如图3所示，MCU通过电压开关控制半导体制冷片的工作，通过电流方向控制实现半导体制冷片切换于制冷与加热状态。由于半导体制冷片没有任何滑动部件，所以它的静音效果特别的好。降温时不使用任何化学添加剂，也不产生氟利昂。此方案还有环保、温控范围大的优点。



根据以上各方案的比较与选择，得到如下系统框图，它的硬件结构由温度测量、信号测试及处理、键盘输入、显示、控制输出电路和电源电路等六部分组成。



三、系统实现
（一）单元电路设计
1、信号测试及处理电路
本作品的核心控制部分采用TI公司生产的高性价比的16为微控器MSP430F247，用它来完成对温度数据和时间显示数值的处理，实现对温度的测算和制冷芯片控制功能。同时控制液晶显示速度，当温度超出设定温度时，让七彩管发出不同光报警。通过对按键的处理，使用户能方便调动时间、温度的上下限。

MSP430系列单片机是一种16位单片机。它具有集成度高、外围设备丰富，以及超低功耗等优点。它的内核CPU结构是按照精简指令集和高特明的宗旨来设计的。MSP430采用的是“冯·诺依曼”结构，ROM和RAM在同一地址空间，使用同一组数据总线。

2、温度测量电路该恒温箱的核心测温部件采用TI公司生产的温度传感器TMP275，用它来完成对恒温箱内部温度的测量，并以数字量的形式使用I2C总线向CPU传输数据，以此作为CPU进行温控的依据。

TMP275是一个I2C总线的温度传感器，测温范围一40℃至+125℃，在-20℃至+100℃之间最大误差仅为士0.5℃。

TMP275内部有指针寄存器、配置寄存器、温度值寄存器、高温和低温限制寄存器等五个寄存器。

指针寄存器是通过P1、PO来识别哪个寄存器来响应读写命令。格式字如表1所示，各寄存器的指针地址如表2所示。



配置寄存器是一个八位可读写的寄存器，用来存储TMP275的工作模式控制字。其格式字如表3所示。其中D5、D6位是用来管理内部A/D的分辨率，用户可以通过设置这两位来控制最佳分辨率和转换时间之间的选择，对应的转换字设置如表4所示。



温度寄存器是一个12位只读寄存器，用来存储最近变换得到的数据。该寄存器通过两个字节来读写数据格式如表5，表6所示，且先传输高8位再传输低8位，其中第一个字节八位都有效，第二个字节只有高四位是温度值且是温度的小数点。



以下是I2C总线的数据读写时序图：



3、显示电路
显示部分是以南京国显电子公司生产的GXM12864液晶屏为核心以及其他外围电子元器件构成的显示电路，由于微控器的输出高电平最高只能达到3.3V，为    让液晶能够更好的识别，我们采用电平转换芯片74LVC4245将3.3V的高电平拉高到5V。以降低因电平模糊而产生的显示错误。

4、控制输出电路
图7是调整温度的输出控制电路。P3.4经VQ2驱动12V/5A继电器RL2控制半导体制冷片的工作电压。P3.3经VQ1驱动12V带常开常闭双触点的继电器RL1，控制并切换加在半导体制冷片上的工作电压极性，实现加热和制冷。



半导体制冷片是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。半导体制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理。

半导体制冷片的工作原理是：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。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。塞贝克效应（SEEBECK EFFECT）、珀尔帖效应（PELTIER EFFECT）、汤姆逊效应（THOMSONEFFECT）都是热电制冷的温差电效应。

5、电源电路
该恒温箱的加热制冷部分采用半导体制冷片来实现。为实现快速加热和制冷，要求电源能提供输出电流不小于3A的12V直流电压。12V直流电经VD6隔离，一路经7805稳压为系统中5V用电器供电，在经TPS76033稳压后为单片机系统使用；另一路为继电器供电以及半导体制冷片供电。

（二）软件设计
系统用C430语言编程，程序主要由下列几部分组成





四、系统调试
1调试环境
硬件：MSP430仿真器、万用表、pe机、12V/l.6A稳压电源、温度计、示波器
软件：IAR Systems\Embedded Workbench Evaluation 5.0

2软件设计与调试
刚看到msp430时，给我们的第一感觉就是它和51单片机的差别太大了，其明显区别就是寄存器特别多，对I/0口的操作不像51单片机那样简单，它必须设置相应的寄存器，还要规定方向，看门狗技术是做什么用的，它的系统时钟是多少？BIT是干什么，可不可以直接赋值等等。等到用熟悉以后，就觉得430单片机其实挺简单的，只要把寄存器里相应的内容写上就行，而不必去计算具体的值。Pl和P2都可以作中断接口用，很大程度上提高了人机交流，多定时器、比较器、液晶模块、I2C模块、DCO模块等外围模块，又提高了系统的智能化。可以说msp430单片机的用途非常广而且实用，在加上低功耗，既省能源又方便使用，因此430单片机应具有更广阔的应用前景，和应用价值。在软件设置的时候，一定要注意对系统时钟的设定，晶振报错是很有必要的，如果晶振出错，系统的时间也会出现偏差，甚至不能忽略的差错。因此不要把它跳过。设置系统时钟的另外一个好处就是，可以精确延时，在很多情况下都需要用到精确延时，而且单片机内部本身就自带延时程序，但要有相应的时钟才行。

在对I2C模块的设置时，一定要把P3.1、P3.2为外部管脚、选择I2C模块模式、确定从机地址，清除相应中断标志。还有就是发开始和停止条件。对液晶操作需要特别注意的是时序问题。如果时序不对，液晶将不显示。读忙也是需要注意的    问题之一，如果没有读忙程序，只要在各部分延时时间足够长，也是可以不写读忙程序。但是，如果延时不够，又没有读忙程序，那么液晶就会处于不稳定状态，可能会出现乱码等不可预知的情况。总之，对430单片机处理，最主要的就是对寄存器的设置，只要设置的恰当，就可以达到事半功倍的效果。

五、性能测试与分析
1温度测试
测试环境：一杯95的开水，在室温为29℃室内自然冷却，用分辨率为1℃温度计和被测得温度器同时测量得水得温度，每隔10分钟读一次温度值，数据如下表所示：



经过三个小时的测试，由上表数据可知，温度下降幅度基本符合温度曲线，与温度计所测值比较，我们的作品能够完成精确测温。

2恒温箱测试
恒温箱测试过程中由于散热、导热的问题，制冷片的只能连续工作两分钟，在两分钟时间里，测试箱体内的温度下降2℃~3℃。