011 半导体致冷器的研制样本
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本系统开发工具：单片机/汇编
本设计包含内容：源代码+毕业论文+开题报告+答辩稿
论文大概：
 

 

 

 

[论文摘要]

本文主要介绍了一种利用碲化铋半导体制冷片作为制冷材料的大范围精密恒温器的研制过程和一些详细的设计细节,结合单片机技术设计开发电路,利用作铂电阻为环境温度探测器,利用LM331压频转换,利用X25045实现UP监控+串行EEPROM两种功能,利用单片机AT89C52作为电控单元组成电控电路。将单片机内的f-所测温度t的关系近似为线性关系,同时在单片机存储修正值,通过查表的方式简化单片机的运算,提高速度,采用C51语言开发单片机程序。采用D/A转换的方法,利用实测温度与系统要求温度的差值可精密控制外部电路的制冷或加热功率。

另外针对一些器件的性质进行了一些研究并在元器件的选择上做了详细的说明。在文章中还详细介绍了一些系统的结构的设计以及工程上需要解决的问题以及一些较好的甚至是探索性的方法,而且应用了比较多的辅助设计软件如：Protel,Orcad,单片机仿真系统等,在结构设计上我们应用了Autocad软件等,所有的资料都附在附录上以便使用时查阅。

该仪器控温范围为-30～100℃,精度可以达到0.05℃,有进一步提高的余地,最高可达0.05℃,具有许多优点,是科研实验的理想仪器。

关键词：半导体制冷片,铂电阻, X25045,单片机AT89C52 D/A转换DAC0832,线性修正

注：本文已整理并投向《仪器仪表用户》杂志。

 

 

 

[Abstract]

The thesis introduces the detail process of manufacturing and design for a kind of large range and high precision constant—temp proving apparatus using telluride—bismuth semiconductor refrigeration slices as material. We design the circuit adopting SCM AT89C52 , Platinum resistance is used as the detector of circumstance temperature. LM331 is used to realize voltage-frequency diversion, X25045 is used to realize UP watch and Linear EEPROM. SCM AT89C52 is used as electricity control cell. These make up the electric controlling   circuit. linearize approximately the realation of SCM’s f-and the temperature measured .The modified figures are stored in SCM ,the operation of SCM can be predigested in the way of searching. And write the program for SCM in C51.In the way of D/A onversion ,using the difference between the temperature tested and the one of system required , the power of exterior circuit can be controlled .

On the other hand we do some research for the property of several parts of an apparatus and provide the detail reason for using them .there are detail instructions  on  engineering methods and design for some structure which some of them deal in good and exploring way .we use several EDA software such as Protel,Orcad and Autocad to design .and some information is placed in the appendix.

This constant—temp proving apparatus can provide any tempt from  -30℃  to 100℃  at will, and the precision can reach 0.05℃ and can be increased to 0.01℃ in theory  which has many good qualities making  it to be an ideal  choice for the science reach.

  
Keywords::semicuductor hotspot refrigeration, Platinum resistance,
X25045,SCM, D/A conversion DAC0832,linear amending

目录

摘要
Abstract
目录
一、 引言  •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1

二、技术要求 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2

三、系统实现的原理及元器件的选择•••••••••••••••••••••••••••••••••3
（一）、半导体制冷片原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••3
（二）、铂电阻•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••5
（三）、电路各组成部分•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••7
（四）、真空腔的设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••13

四、软件设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••14

五、系统调试步骤及有关解决措施••••••••••••••••••••••••••••••••••17

六、总结••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••19

参考文献

附件一、修正值▲－f对应表

附件二、真空腔的设计图（使用Autocad软件设计）

鸣谢

一、引言
    由于温度是五大物理量之一,在物理学中有很重要的地位,在科学研究、工业控制等诸多领域中,经常需要一个恒定温度的环境,例如要测量新型材料在不同恒温下的特性以及光纤在不同恒温下的性质等等,所以恒温控制仪器在科研实验等领域里有着很高的应用价值。传统的温控方法对实现系统高于常温的温度采用电加热等比较容易实现的方法,而对制冷主要是通过压缩气体如氮气等来获得的,在实验室中有些制冷控温是通过控制在液氮中的深度来获得低的恒温,但是其实现的结构复杂,体积庞大,噪声大,污染多,并且具有一个巨大的缺点：利用压缩氮气制冷制冷范围主要在零度以下之间,制冷覆盖范围较低,并且较难控制,温度变化过快,不能实现智能控制,不能满足在实验室科研方面的精确要求,故在实验室里的应用价值不是很大。
基于科研要求及实验室使用的考虑,我们在制冷材料上采用半导体制冷片。60年代初发展起来的半导体制冷又称热点制冷,是利用半导体材料作为制冷材料的制冷技术,通过对半导体材料制成的PN结通与一定的直流电使得两端产生对应的温度差从而达到使冷端迅速降温的目的[1],从根本上解决传统制冷方法存在的问题。
对控温电路的设计我们利用铂电阻作为系统温度探测器,利用X25045实现看门狗和串行EEPROM两种功能,单片机AT89C52进行处理并对外做出实时控制,根据铂电阻测得的实际温度与要求值的关系对外通过D/A转换控制制冷或加热的功率。
该系统的主要优点是:体积小,无噪音不需制冷剂,精度高（理论上可以达到0.01℃）,恒温范围大（恒温控制范围为-30～100℃）,智能化,性能稳定可靠,无污染,制冷材料为固体材料克服了液体、气体制冷材料的缺点,没有复杂的结构,使用方便,特别适应于实验室科研工作。
二、技术要求
鉴于在实际实验室中的应用,结合系统的优点该仪器必须实现：
1、 采用半导体制冷片制冷,避免液体、气体制冷的缺点。
2、 尽可能准确的测得系统的温度,要求测温精确度达到0.01℃并实时显示.
3、 使用者可根据需要输入所需的系统温度并在液晶显示器屏幕上显示,并且可以保存要求的温度值不至于由于断电和其他原因而造成数据的丢失。
4、 单片机对外输出控制信号,要求尽量克服温度变化的惯性选择功率并实现最后系统温度与使用者要求的温度一致。
5、 提供的恒温环境的温度跨度较大,范围为-30～100℃。
6、 恒温环境应用灵活,可以对多种样品测试,需要灵活的样品架。
 
三、系统实现的原理及元器件的选择
对整个系统工作原理分为半导体制冷片原理、铂电阻、电路各组成部分、真空腔的设计几个部分来说明：
（一）、半导体制冷片原理：
任何物质都是由原子组成,原子是由原子核和电子组成。电子以高速度绕原子核转动,受到原子核吸引,因为受到一定的限制,所以电子只能在有限的轨道上运转,不能任意离开,而各层轨道上的电子具有不同的能量(电子势能)。离原子核最远轨道上的电子,经常可以脱离原子核吸引,而在原子之间运动,叫导体。如果电子不能脱离轨道形成自由电子,故不能参加导电,叫绝缘体。半导体导电能力介于导体与绝缘体之间,叫半导体。半导体重要的特性是在一定数量的某种杂质渗入半导体之后,不但能大大加大导电能力,而且可以根据掺入杂质的种类和数量制造出不同性质、不同用途的半导体。半导体可分为N型和P型两种。将一种杂质掺入半导体后,会放出自由电子,这种半导体称为N型半导体；靠“空穴”来导电,在外电场作用下“空穴”流动方向和电子流动方向相反,即“空穴”由正板流向负极,这是P型半导体。[ 2]
当直流电通过半导体PN结时,在两结的接触面上会发生热电效应,其主要是由5种不同的效应组成：珀尔帖效应,焦耳效应,傅立叶效应,赛贝克效应和汤姆逊效应。半导体制冷效应主要是珀尔帖效应（Peltier effect）的应用,即通上电源之後,冷端的热量被移到热端,导致冷端温度降低,热端温度升高。半导体制冷材料不仅需要N型和P型半导体特性,还要根据掺入的杂质改变半导体的温差电动势率,导电率和导热率使这种特殊半导体能满足制冷的材料。如图一所示。由半导体制冷材料可制成制冷器,许多N型和P型半导体颗粒互相排列,而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路,通常是铜、铝或其他金属导体,最后用两片陶瓷片夹起来。目前国内常用材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金,其中P型是i2Te3—Sb2Te3,N型是Bi2Te3—Bi2Se3,采用垂直区熔法提取晶体材料。[ 2]                 
  采用半导体致冷比传统的制冷方法有以下几个优点：1、精确温控：使用闭环温控电路,精度可达+-0.1°C；2、高可靠性：致冷组件为固体器件,无运动部件,因此失效率低。寿命大于二十万小时；3、工作时无声：与机械制冷系统不一样,工作时不产生噪音。

附件二：真空腔的Autocad设计图。
 
 
                         腔的外观图

鸣谢：