半导体恒温箱设计

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单晶硅锭

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查看: 31回复: 0 发表于 2020-3-23 13:40:09   只看该作者
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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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以下是I2C总线的数据读写时序图:

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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。

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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

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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:

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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℃。


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