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自动温度控制系统

摘要

本系统采用MSP430F149单片机作为温度控制的核心，利用DS18B20温度

传感器、1602液晶显示器、、TEC1-12704半导体制冷芯片等器件，实现对盒子

的实时监视与控制。本系统采用PID模糊算法控制PWM脉冲信号的输出，进

而实现制冷芯片的自动控制，从而达到对盒内空气的精确升温和降温。整个系

统设计功能明确，操作简单牢靠，液晶显示简洁实用。整个系统的电路结构相

对简单，可靠性能较高。系统大多采用实际应用广泛的元器件，成本较低，通

用性和可移植性较好。

本设计创新点在于引入了PID模糊控制，充分发挥MSP430系列单片机低

功耗的优点，并结合其强大外围模块实现预期效果。该系统主要功能明确，简

捷实用，总体运行稳定。经实验测试，该自动控制系统总体上满足赛题的基本

要求，发挥部分温度稳定性控制有一定实现。

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引言

半导体热电致冷器(Thermo-E1ectricCooler，简称TEC)具有体积小、无噪音、

无污染等特点。TEC依靠热交换，用一面吸热另一面放热实现加热制冷。因TEC

电功率几乎全部转化为热能，仅在TEC吸热面热交换量大于发热量的一半(假

定电功率产生的热量在两面平均分配)时，且当放热面有效散热时，TEC吸热面

才能制冷(吸热面吸热量QIN=QJ一QF／2，放热面散热量QOUT=QJ+QF／2)。

TEC吸热面或放热面由TEC电流决定，电流反向时，吸热面与放热面相互转换，

这样通过控制TEC两端的电压，即可达到加热与制冷的双重功效。

一.方案选择与论证

1．单片机的选择

采用的MSP430F149是TI公司推出的MSP430系列超低功耗微控制器中

的一种，其内集成了12位精度的A/D转换模块ADC12，具有高速（最大采样

速率可达200ksps）、通用的优点，它可以对8个外部模拟信号之一或4个内部

电压之一进行转换。在本系统中，可以对数字温度传感器进行采样。

2．显示模块的选择

液晶显示器具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，这

里采用的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器1602。

其模块内部的字符发生存储器（CGROM）存储了160个不同的点阵字符图形，以供

显示。1602采用标准的14脚接口，其中D0~D7为8位双向数据线用于传送数据。

制冷芯片精确控制模块

3.温度控制模块的选择

方案一：采用继电器形成开关电路，实现对芯片外加电压的正反向控制。

此方案优点是可以较好的达到利用PWM脉冲波实现开关功能。不足之处在

于：电磁继电器的反应时间为ms级，相比于脉冲波而言反应时间太长，无法达到

精确控制，并且，固态继电器反应时间能达到要求，但所需数量较多，且价格昂

贵，成本升高。

方案二：采用专用芯片UC3638的PWM双极性电流控制器实现对制冷芯片的电流

控制。

此方案控制精度高，但其调制电路电流过大，高达20A，远大于所选制冷芯

片的额定电流，极容易烧坏芯片,且电路连接较为复杂，调节困难。

方案三：采用NPN管9013对PWM输出控制信号进行放大和电平移位，采用光耦

TLP521-2实现控制信号和工作信号的隔离，采用N沟道管IRF540作为上下管构成

H桥电路可以简单地实现电压的反向控制，电子开关的速度很快，稳定性也很强，

是一种广泛采用的电压转向电路，且PWM调节方案可以很方便地在程序中实现，

减少了硬件电路。

基于上述分析，拟选择实用可靠的方案三。

二.理论分析与计算

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1.系统的总体设计方案

采用MSP430F149单片机作为控制核心对传感器送来的信号进行分析处理，

以LED数据显示和I/O端口输出PWM脉冲信号控制制冷芯片的工作。

系统总体框图如图1所示：