电
子
系
统
设
计
方
案
参赛题目：温室自动控制系统队长：朱继田
队员：杨建成
陶文波
报告完成日期：2011-5-29
温室自动控制系统
摘要:（300字以内）
温度是一种环境参数，温度自动控制在工农业生产中具有非常重要的作用。半导体制冷器(TEC)是一种比较先进的制冷装置，因为其小型化、无噪声、无污染的特点，在各种温度控制领域得到了广泛的应用，因此研究半导体制冷器温度的测量方法和设计灵活精确的温度自动控制系统具有重要的意义。
文章介绍了一种温度自动控制系统，该系统采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，AT89C52低电压、高性能CMOS8位单片机和单线总线数字温度传感器DS18B20以及TEC1-12706T125型半导体制冷器等元件。单片机通过温度传感器获取当前温度，进而控制半导体制冷器工作。
一、方案设计和论证
本系统由四大部分组成：1、温度检测装置；2、控制系统；3、执行机构；4、显示同步。在其中2部分控制系统中，由于ATMEL公司的AT89C52单片机具有高密度、非易失性、低电压、高性能等优点，且满足本系统和电子设计大赛的两方面要求，因此采用AT89C52作为微控制器，该部分方案设计将在文章第三、四部分详细介绍。以下主要针对温度检测系统及执行机构两方面的内容进行方案设计和论证。
模块1 温度检测装置方案设计
对于温度的自动控制系统而言，温度检测是整个系统设计的第一步。如何选择温度传感器是这块电路的关键，它是直接影响整个系统的性能与效果的关键因素之一。
方案：选用数字式温度传感器DS18B20
论证：
数字温度传感器DS18B20最大特点之一是采用了单总线的数据传输，直接输出数字信号。与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。因此便于单片机处理及控制，节省硬件电路。该系统可以由数字温度计DS18B20和AT89C52
单片机直接构成的温度测量装置。不仅如此，DS18B20最小分辨率为0.0625℃，满足该题温度分辨率为0.1℃的要求，因此温度传感器选用DS18B20。
模块2 执行机构
对于温度的自动控制系统而言，温度执行机构是整个系统设计最核心的一步。温度执行机构的构建直接影响整个控制模块的工作方式和效率。
方案一：可控硅调功器电路
方案二：采用半导体制冷片TEC1-12706T125
论证
可控硅调控器电路是利用双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50Hz回路。在给定周期T内，AT89C52只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。显然可控硅在给定周期T的100%时间内接通时间的功率最大。显然，对功率的调节从而调节温度达不到制冷效果，即使是通过外加风扇来带走外部热量也达不到，故不用此方案。
温度执行机构采用半导体制冷片TEC1-12706T125。该制冷片是由半导体按照特殊的结构组成的一种制冷装置，其基本原理是珀耳贴效应。为了满足系统设计要求，缩短温度调节时间，需要对制冷器的安装进行论证。一般情况下，该制冷片的制热效果较好，这里不做讨论，主要论证制冷片的制冷效果。
方案1：两片级联方式制冷
为了获得更大的制冷功率，该方案采取两片级联的方式进行制冷，即将一片制冷片的冷端与另一片制冷片的热端粘贴在一起，组成一个功率更大的制冷片。安装时，将级联方式的冷端放置在密封盒内，将热端安装在密封盒外。
方案2：单片水冷方式制冷
为了使制冷器工作在最高效率的状态下，需要对其热端进行高效率散热。该方案采用水冷方式对单片制冷片的热端进行冷却，从而达到降低制冷片冷热端温差的目的。查阅大量资料表明，降低制冷片冷热端的温差能够明显提高制冷片的工作效率，从而获得较高的制冷功率，缩短温度调节时间。
方案3：单片风冷方式制冷
为了加快制冷片的散热，外加风扇，通过风的流动带走制冷片中的热量，提高效率。安装时，风扇贴近安装在密封盒外的热端。
论证：
选用方案一将两片级联方式的制冷效果不明显，其原因可能有以下几方面：
1、系统热端散热较慢导致热量累计，影响制冷片正常工作，散热装置需要进一步优化。
2、级联方式功率不匹配，即两片制冷片的功率不能设计成完全一致，其中一片的制冷量不能完全吸收另一片的导出热量，导致热量累计，影响制冷片工作，改进方式：做大量试验，给制冷片提供不同工作电压，使其工作在正常工作状态。
3、系统冷端散热慢导致热量累计，影响制冷片正常工作，散热装置需要进一步优化。
方案二提到的水冷的确可以提高制冷的效率，但是水冷的外围循环系统将大大限制了使用环境，加大了系统的成本，而且结构复杂，不易操作。由于实验的条件限制，比较而言，方案三，外围设备简单，操作容易，可用范围广。因此，选择方案三。
二、系统总体设计
该温度自动控制系统由三大部分组成： 1、温度检测装置；2、控制系统；3、执行机构。其系统框图如下：
其中，温度检测装置采用单总线DS18B20数字温度传感器；控制系统是AT89C52单片机；温度控制的执行机构是TEC1-12706T125型半导体制冷器。
系统工作时，单片机首先读取默认设置温度，该温度可以通过键盘进行修改；单片机读取DS18B20的数据检测木盒内温度，并将检测的温度与设置温度进行对比，通过模糊控制PID 算法，从而控制制冷器的工作状态；在执行部分的驱动电路中需要采用 MOSFET 管IRFP460A 进行PWM 驱动控制模块。为了能使半导体制冷器工作在制热和制冷两种状态，还需要在驱动电路采用继电器进行电流换向，并通过它进行电气隔离，继电器再接通制冷片进行温度调节。继电器用NPN 三极管SKT9013驱动。如果温度超出上下限值，系统将会报警，同时系统自动停机。系统的所有工作状态都通过1602液晶屏（LCD ）显示。 三、主要单元电路原理及理论分析与计算
该系统硬件电路主要由四部分组成：1、传感器电路；2、单片机最小系统电路；3、驱动电路：4、报警电路。其中第一部分传感器电路只包含单总线DS18B20数字温度传感器，因此连接非常简单。第二部分单片机最小系统电路由单片机和电源、键盘、LCD 显示等组成，这里不做详细介绍，下面的软件设计里面会有介绍。下面对驱动电路和报警电路进行分析，其原理图如下所示：
驱动电路由两个单片机管脚控制，分别是P3.5脚和P3.6脚。其中，P3.5经过NPN 型三极管9013反向驱动后，控制MOSFET 管IRFP460A 的截止和导通；
AT89C52 单片机
DS18B20 温度传感器 TEC112705 半导体制冷器 驱动电路
密封泡沫盒
LCD 显示温度和时间
键盘
图1 温度自动控制系统框图
报警系统
P3.5上的PWM 脉冲控制MOSFET 管，从而达到控制制冷片电流的目的。
P3.6经过NPN 型三极管9013反向驱动后，驱动两个单刀双掷的继电器。两个继电器组成一个可控的双刀双掷开关，从而达到交换电流方向的目的。在该部分用一个双刀双掷的继电器比较好，由于实验室材料缺乏的原因，所以这里用两个单刀双掷的继电器代替。
四、算法与软件设计 1.系统的控制算法
PID 控制是指比例、积分、微分控制，实现PID 控制的装置称为PID 调节器。传递函数为：
）（）（）（S S
1
1KK S K S 1K K K S G v i p
d p C ττ++=++= 式中：K 为其它环节总增益；p K 为比例系数；i K 为积分系数；d K 为微分系数；i p K K =i τ；p d v K K =τ。
比例控制可快速、及时、按比例调节偏差，提高控制灵敏度。但是有静差，控制精度低。积分控制能消除偏差，提高精度、改善稳态性能，但是容易引起震荡，造成超调。微分控制是一种朝前控制，能调节系统速度、减小超调量、提高稳定性，但是其时间常数过大会引入干扰、系统冲击大，过小则调节周期长、效果不显著。比例、积分、微分控制相互配合，合理选择PID 调节器的参数，即比例系数p K 、积分时间常数i T 和微分时间常数d T ，可迅速、准确、平稳的消除偏差，达到良好的控制效果。采用增量式算法位置式输出PID 算法：
）（i 2d i i i 1-i i 1-i i e e e Kp U U U U ??+?+?+=
?+=ττ
式中：1i i i e e e --=?，1-i i i 2e e e ?-?=?，i i Y W e -=为设定值与i 次实测值的偏
差；T
T T T
d v i i ==ττ；；T 为采样周期，i T 为积分时间,d T 为微分时间。上式为
PID 控制软件的编程依据。参数的选取是在参考经验数据的基础上用实验法确定，本系统中取s 10T =，m in 5T i =，min 5.1T d =，4K p =，这些参数在运行时刻适当调整，以获得满意的效果。
报警电路是有一个单片机管脚控制，为P3.7脚。P3.7管脚通过NPN 型三极管9013反向驱动后，控制蜂鸣器的截止和导通。
2、软件设计
主程序包括初始化、按键设置及控制模块和显示模块的调用。温度信号的采集、控制算法以及温度显示和时间等功能的实现由各子程序完成。软件的主要流程是：利用DS18B20测量到的温度值与设定的温度进行比较，根据得到的偏差和偏差的变化率计算控制量，输出PWM 信号控制MOSFI 管驱动制冷片。启动、停止以及给定值通过键盘利用外部中断产生，有按键输入时则调用中断服务程序。
否
是
否
是 不一致
一致
否
控制算法流程图
是
主程序流程图 五、系统测试及分析 1、测试环境
模拟测试：用Proteus 软件进行部分模块的模拟 测试地点：主教601 2、测试仪器
1、带温度测试的数字万用表一块
2、输出12V ，10A 开关电源
3、测试方法
开始
初始化 显示数据
设定温度是否在工作范围内？
采集温度是否在
工作范围内？
采集温度跟设定温度作比较 停机？ 停机状态 控制
算法 报警 报警 开 始 采样实际温度 计算E 和EC 控制输出
结 束
在电路设计安装完成，软件调试完成后对设计结果进行总体调试，测试工作包括三部分：
a、在室温情况下，分别在5℃，10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，35℃时，记录系统显示温度与带温度测量装置的万用表显示温度。
b、在室温情况下，设定系统温度为5℃，对系统进行降温，并每分钟记录系统当前温度。
c、测试温度控制精度，将设定温度分别调整到10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，35℃，记录系统温度偏移值，并记录温度每提高5℃所经过的时间。
4、测试数据
a、对比万用电表系统温度测量误差表。
表a：温度检测测试表
温度计测量值（度）传感器测量值（度）测量误差
35
30
25
20
15
10
5
b、降温测试数据记录表
表b：温度控制测试表
设定值（度）达到设定值后的最
大值
达到设定值后的最小
值
备注
35 60秒内
30 60秒内
25 60秒内
20 60秒内
15 60秒内
10 60秒内
5 60秒内
c、温度控制测试记录表
5、进行结果及误差分析
六、总结
经过团队几天的努力，设计了自动温度控制装置，测量精度和测量范围在理论上基本达到了设计要求，在电路设计制作过程中较深入的了解了温度自动控制原理和控制方法。了解了ATMEL公司器件AT89C52单片机的使用方法。学习了单
线总线的18B20的使用方法。同时也深入学习了半导体制冷片TEC1-12706T125的使用方法。了解了制冷技术的新方法。
在学习设计的过程中，发现主要有以下几个难点：
1、18B20的时序非常严格，一旦时序紊乱将不会有任何结果。
2、半导体制冷片的效果固然是好，但是功率大，如何在实际中平衡还要进一步探索。
3、PID控制算法的理解与运用，如何使用好驱动电路。
在报警系统的意义探讨时，各有看法，最终敲定于提示“设置无效”和“超出工作范围”。
在进行设计的过程中，我们综合成本，环境等因素选择简单，易操作的方案，系统的性能还有提升空间，理论只是思想的建立，如何让它成为现实，还有更大一步需要去努力。
参考文献：
1、盐城工学院学报（自然科学版）2006年第19卷第4期
2、肖衡，陈春俊- PID温度控制装置的电路设计- 西安交通大学机械工程学院
3、徐爱钧—《单片机原理实用教程》-电子工业出版社
4、杨三青-《过程控制》-华中科技大学出版社
5、《基于51单片机的温度测量系统》-中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与SOC）2007年第23卷第1-2期
6、高加林、郭微波《一种高效率TEC温度控制器的设计》-《集成电路通信》2007年3月第25卷第一期
由于篇幅有限，详细资料见电子文档
Proteus
仿真
图
模拟加热显示
模拟制冷显示