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1、 本本科科毕毕业业设设计计（论论文文） 第 I 页 共 II 页目 录1绪论.11.1 概述.11.2 本课题研究的意义.11.3 半导体电子制冷系统发展现状.21.4 课题分析.21.5 技术指标.32半导体电子制冷系统的方案设计.42.1 设计要求.42.2 系统的总体构成.42.3 系统的工作过程.43硬件设计.53.1 中央控制系统的设计.53.1.1 8031 芯片简介 .53.1.2 数据存储器的选择 .73.1.3 锁存器的选择 .93.1.4 程序存储器的选择 .103.1.5 复位电路 .113.1.6 晶振电路 .113.2 LED 显示电路的设计 .123.3 键盘部分的
2、设计.123.4 数据采集电路的设计.133.4.1 热敏电阻 .133.4.2 A/D 转换器 .143.5 输出控制电路的设计.163.6 报警系统的设计.163.7 12V 电源 .173.8 5V 电源模块 .173.9 8V 电源模块 .18本本科科毕毕业业设设计计（论论文文） 第 II 页 共 II 页4软件设计.194.1 设计步骤.194.2 程序流程图.19结 束 语 .23致 谢 .24参 考 文 献 .25附录 .26本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 1 页 共 41 页1绪论绪论1.1概述概述半导体制冷又称为热电制冷(Thermoelectric cooler)或
3、温差电制冷。当直流电流通过具有热电转换特性的导体组成的回路时具有制冷功能，这就是所谓的热电制冷。由于半导体材料具有非常好的热电能量转换持性，它的应用才真正使热电制冷实用化，在国际上被普遍采用，为此人们又把热电制冷称为半导体制冷1。它主要是帕尔帖效应(Pehier effect)在制冷技术方面的应用。1.2本课题研究的意义本课题研究的意义结构简单，尺寸小，整个制冷器由制冷片和导线组成，无任何机械运动部件，噪音低，无磨损，寿命长；具有高度的可靠性和良好的可维修性；不用制冷剂，对环境没有污染，绿色环保；冷却速度和制冷温度可以通过改变工作电流和工作电压的大小任意调节，启动快，控制灵活，控制精度高；制冷
4、片可以做成各种形状，在任何方向下，甚至在失重和超重状态下都可工作；操作具有可逆性，既可制冷，又可供热，而这只需改变工作电流的方向；制冷量可在MW级-KW级变化，制冷温差可达2O150范围。虽然其用于制热时效率很高，但用于制冷时效率较低，损耗大。半导体制冷由于具有以上特点，所以在工业、医疗卫生、军事等很多方面得到了广泛的应用。比如在工业中，热电制冷零点基准仪的应用就是对传统的使用以冰块作为零度基准点的重大创新；在医疗卫生上，它可以对高烧病人进行局部或全身快速降温，在外科手术中实施冷冻麻醉等；在军事上，它可应用于导弹、雷达装置中的红外探测器的冷却等。在我们的日常生活中，半导体制冷可用于冰箱、空调，
5、也可以给的电脑CPU散热。2,3在电子设备的散热方面，半导体制冷也有着广泛的应用。对温度反映敏感、使用条件严格的电子元器件，可以用半导体制冷使它们维持低温或恒温的工作条件。例如：对大规模集成电路、光敏器件、功率器件、高频晶体管等电子元器件以及热摄像仪、电视摄像管和电视摄像仪等的冷却或恒温。在高精尖科技领域内，常对各种电子元器件的温度性能要求很高，为了定标测量标准电子元器件的温度性能，国产超级恒温槽采用半导体制冷，温度控制精度可在0.005左右。此外，具有我国自主知识产权的高效半导体热电元件，其优值系数已在原来的基础上成倍增长，可以超过13x10-3/K，现本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第
6、 2 页 共 41 页在高效的半导体制冷器在温差50时，制冷系数大于3，制冷效率还能高于压缩机制冷。电子制冷技术将是未来的主流制冷方式，半导体电子制冷技术的发展对工业生产、我们的生活都有极大的推动作用，但是现在的制冷技术还远没有成熟，因此，半导体电子制冷技术的研究还是一个热门的研究方向。1.3半导体电子制冷系统发展现状半导体电子制冷系统发展现状可供制冷用的半导体材料很多，如PbTe、ZnSb、SiGe、AgSbTe2等，衡量半导体材料制冷效率高低的一个重要参数是优值系数z，z值越大，则效率越高。优值系数z决定于制冷元件的传热系数、电偶的总电阻和总热导系数，是反映半导体制冷性能的重要参数。4,5
7、目前，用于制冷使用最多的半导体材料是P-Bi2Te3Sb2Te3和N-Bi2Te3Bi2Se3准三元合金，它们具有较高的优值系数Z。P型半导体材料的优值系数ZP3.510-8/度，N型半导体材料的优值系数ZN310-8/度。理论计算表明，优值系数Z的上限为1710-8/度。如果实现优值系数Z达到1310-8/度，则半导体制冷效率将与机械压缩式制冷效率几乎一样。在半导体制冷材料的优值系数z值没有突破之前，半导体制冷只能在小体积和微型化上比传统的机械压缩式制冷优越。我国半导体制冷技术始于上世纪50年代末、60年代初。当时在国际上属比较早的研究单位之一。上世纪60年代中期，我国半导体材料的性能达到了
8、国际水平。6O年代末至80年代初是我国半导体制冷技术发展的一个新台阶。在此期间，一方面研究半导体制冷材料的高优值系数，另一方面拓宽其应用领域。中国科学院半导体研究所在这方面投入了大量的人力与物力，获得了丰硕的成果，对当今的半导体制冷的生产及其二次产品的开发和应用奠定了坚实的基础。6-81.4课题分析课题分析半导体制冷系统由温度传感器来采集箱内温度，然后通过单片机内部的AD转换器将模拟信号转换为数字信号，通过控制规则，单片机作出相应的处理，将结果显示出来并进行调控，使系统的温度控制在要求的范围内，系统组成框图如图1.1所示。本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 3 页 共 41 页场效应管显示
9、器 键盘CPUAD 转换器风扇半导体制冷片制冷负载热敏电阻 NTCPWM图 1.1 半导体制冷控制系统1.5技术指标技术指标本课题要求的供电电压为220V交流电，温度控制精度要求控制在0.5，整机最大功耗要求小于70W。本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 第 4 页 共 41 页2半导体电子制冷系统的方案设计半导体电子制冷系统的方案设计2.1设计要求设计要求了解半导体制冷技术发展状况及制冷片的性能指标，并设计一控制装置，能够实现温度的平稳控制。完成本课题电器原理电路图的设计。2.2系统的总体构成系统的总体构成因为提供的是220V交流电源，而半导体制冷片制冷的最大电压为12V，所以先将220V交流电源转为12V直流电源，而大多数元件正常工作电压为DC5V，因此需要再提供一个5V直流电源，风扇所需电压为DC8V，因此再提供一个8V直流电源。场效应管 IRFZ44LCD 显示74LS2458031ADC0809风扇半导体制冷片热敏电阻 1005PWM图 1.1 半导体制冷控制系统AC220VDC12VDC5V程序存储器 2764数据存储器 6264地址锁存器 74LS373DC8V键盘2.3系统的工作过程系统的工作过程本系统启动后先由控制键盘设置所需的制冷温度，热敏电阻1005采集箱内实际温度，通过A/D转换器ADC0809
