基于太陽能的微型制冷控制系統研究畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統，具有線路簡單，在一根通ghR 10 信線，可以 連接 很多這樣的數字溫度計，十分方便。 DS18B20 產品的特點 如下： （ 1）只要求一個端口即可實現通信 ； （ 2）在 DS18B20 中的每個器件上都有獨一無二的序列號 ； （ 3）實際應用中不需要外部任何元器件即可實現測溫 ； （ 4）測量溫度范圍在－ 55 到＋ 125 攝氏度 之間 ； （ 5）數字溫度計的分辨率用戶可以從 9 位到 12 位選擇 ； （ 6）內部有溫度上、下限告警設置。 如圖 所示為溫度傳感器的封裝引腳圖。 圖 DS1820 引腳封裝圖 現將引腳說明如下： GND— 地信號 ； DQ— 數據輸入 /輸出引腳 ， 開漏單總線接口引腳 ， 當被用在寄生電源下，也可以向器件提供電源 ； VDD— 可選擇的 VDD 引腳。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。 11 3 系統硬件設計 單片機應用系統的硬件電路設計就是為單片機溫控系統選擇合適的、最優的系統配置，即按照系統功能要求配置外圍電路，如按鍵、數碼管、器件合適的接口電路等。系統設計應 本著以下原則： (1) 盡可能選擇典型電路，并符合單片機常規用法。 (2) 硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。軟件能實現的功能盡可能由軟件實現，以簡化硬件結構。由軟件實現的硬件功能，一般響應時間比硬件實現長，且占用 CPU時間。由于本設計的響應時間要求不高，所以有一些功能可以用軟件編程實現。 (3) 系統中的相關器件要盡可能做到性能匹配。系統中所有芯片都應盡可能選擇低功耗產品。 本系統的 硬件電路主要 包括 模擬部分和數字部分 ， 本系統功能由硬件和軟件兩大部分協調完成 ， 硬件部分主要完成制冷片的驅動 ， 傳感器信號的采集 處理 ， 溫度的顯示等。軟件主要完成對驅動電路的控制和采集的溫度信號進行處理及數碼管顯示等功能。 在硬件設計中遇到的主要問題是如何將太陽能電池加到半導體制冷片上， 在這個問題上有 四 種方案。第一種方案 是用一個升壓電路然后連接蓄電池，對蓄電池充電，然后將蓄電池端電壓加到半導體上，驅動半導體進行工作，但由于功率在前面損耗過多，以至于半導體制冷片只是發熱，并不能達到預期的制冷效果。 第二種方案是 去掉升壓電路和蓄電池部分，直接用太陽能電池的端電壓驅動制冷片工作，但太陽能電池內阻相對于半導體制冷片來說太大，能量損耗在了太陽能電池內阻上，效果也不理想。 第三種方案是 加入恒流源電路，控制半導體制冷片的電流，但因與直接和太陽能電池相連同樣的原因，再次被否決掉了。 第四種方案是 現在電路中的IR 公司生產的 IR2103 對電路進行驅動，這次完全避免了以上兩個原因，得到了符合設計要求 的電路。 如圖 所示 為系統的整體硬件電路圖。 12 P1.0/ADC01P1.1/ADC12P1.2/ADC23P1.3/ADC34P1.4/ADC45P1.5/ADC56P1.6/ADC67P1.7/ADC78P4.7/RST9INT/RxD/P3.010TxD/P3.111INT0/P3.212INT1/P3.313T0/P3.414T1/P3.515WR/P3.616RD/P3.717XTAL218XTAL119Gnd20P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P2.7/A1528P4.429ALE/P30P4.6/RST231P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039Vcc40U4STC12C5A08S2+5VC1 22μFR1 10KRSTOE1LE111D22D33D44D55D66D77D88D91Q192Q183Q174Q165Q156Q147Q138Q12VCC20GND10U274HC573OE1LE111D22D33D44D55D66D77D88D91Q192Q183Q174Q165Q156Q147Q138Q12VCC20GND10U374HC573abfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpCOM9DS1DPY_7SEG_DPabfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdpCOM9DS2DPY_7SEG_DP+5V+5VDULAWELAD0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7abcdefg dpabcdefgdpWELA1WELA2D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D71 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 9RP1200Ω1 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 9RP2200ΩDQ2GND1VDD3U1 DS18B205VR1 4.7K5VVccVbHinHoLinVsGndLoU6 IR2103C2 0.1μFD1IN4007R2 10k+12VR3 100Q1IRF540P1.11 2J2 TEC112706+12V15Vsollar cellsR4 1P1.2Vin1GND32U5 UA78L05C5 0.33uFC6 0.1μF+C4220μF+C9100μF+5Vin1GND32U5 UA78L12C5 0.33uFC6 0.1μF+C10470μF+C7220μF+12C6 0.1μFS1C60.1μFC60.1μF 圖 系統整體硬件電路圖 13 在本章的后續內容中分別說明了各個部分的原理及構成。 驅動電路設計 硬件設計中最關鍵的就是利用何種電路將太陽能電池和制冷片連接起來。 系統采用由 STC12C5A08S2 得 I/O 口控制 制冷片所接開關的通斷，以多個單片機接口控制多路制冷片的方式來控制制冷能力。電路采用 IR 公司芯片 IR2103 作為核心驅動芯片，輸人與單片機的接口相連，通過開關原件的通斷來調節輸出驅動電流。功率器件采用 MOSFET(IRF540)， 電流容量為 23A，耐壓值為 100V， 完全能夠滿足系統要求。 如圖 所示為驅動采樣電路 。 系統 中共有十片半導體制冷片，一片對應一個驅動電路， 十片半導體制 冷片 對應的單片機接口如表 所示 。 V c c VbH i n HoL i n VsG n d LoU6I R 2 1 0 3C20 . 1 μ FD1I N 4 0 0 7R21 0 k+ 1 2 VR31 0 0Q1I R F 5 4 0P 1 . 112J2T E C 1 1 2 7 0 6+ 1 2 VR41P 1 . 2C60 . 1 μ F 圖 驅動芯片與單片機接口圖 表 制冷片與對應單片機接口 制冷片編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 對應的單片機接口 溫度檢測 本設計 中 溫度傳感器使用的是 DS18B20。 DS18B20 是美國達拉斯（ DALLAS， 14 已被美信公司收購）半導體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統的熱敏電阻相比，能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要 求通過簡單的編程實現 9～ 12位的數字值讀數方式。可以分別在 和 750ms 內完成 9位和 12 位的數字量，并且從 DS18B20 讀出的信息或寫入 DS18B20 的信息僅需要一根接口線（單總線接口）讀寫，單總線本身也可以向所掛接的 DS18B20 供電。使用 DS18B20 可使系統結構更趨簡單，可靠性更高。 DS18B20 在測溫精度、轉換時間、傳輸距離和分辨率等方面都很不錯 ， 給開發帶來了方便和令人滿意的效果。 數字溫度傳感器 DS18B20 與控制器的硬件連接如 所示。由于 DS18B20 是 1﹣ Wire 總線 接口 ， 為了 使一根總線上掛接多個 DS18B20， DS18B20 的數據引腳設計為漏極開路的三態門 ， 所以 DS18B20 與控制器連接時數據輸入 /輸出引腳 DQ 應接上拉電阻，其阻值為 ― ，以保證正常通信的硬件支持。 DQ2G N D1V D D3U1D S 1 8 B 2 0R15VP 1 . 0 圖 溫度傳感器與單片機接口圖 系統供電電源設計 在硬件電路設計中用到的溫度傳感器 DS18B20 需要 5V的電源 ， 驅動電路部分的驅動芯片 IR2103 及電子制冷片 TEC112706 需要 12V的電源 ， 而從太陽能電池出來的電壓為 15V左右 ， 從而利用穩壓器件 78LXX 系列來進行穩壓，提供所需電 壓。從太陽能電池出來的系統供電電源設計如圖 所示。 78xx 系列在降壓電路中應注意以下事項： （ 1） 輸入輸出壓差不能太大 ,太大則轉換效率急速降低，而且容易擊穿損壞； （ 2） 輸出電流不能太大， 是其極限值。大電流的輸出，散熱片的尺寸要足 15 夠大，否則會導致高溫保護或熱擊穿； （ 3） 輸入輸出壓差也不能太小 ,大小效率很差。 UA78L05 1 5 Vs o l l a r c e l l sV i n1GND32U5U A 7 8 L 0 5C50 . 3 3 u FC60 . 1 μ F+C42 2 0 μ F+C91 0 0 μ F+5V i n1GND32U5U A 7 8 L 1 2C5