论文总字数：22874字

摘 要

半导体制冷片（TEC）利用半导体材料的Peltier效应制作而成的。当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，通过合理的设计驱动电路可以实现制冷或加热的目的。

本文介绍了一种基于STM8S10/5K4T6C测温芯片和数字PID控制的一种温度控制系统设计。本系统设计包括了CAD模型制定，UG NX封装模型设计，基于Multisim 的PID电路的仿真、由热敏电阻构成的探头与STM8S10/5K4T6C测温芯片构成的温度检测与控制电路，利用STM8S10/5K4T6C测温芯片中产生两路占空比可控的PWM波对半导体制冷片（TEC1-12706）进行调控的导热制冷装置。

该系统通过STM8S10/5K4T6C测温芯片对键盘设定的温度与实时检测温度进行比对，经过数字PID的计算控制两路PWM波形输出的周期与占空比，从而实现对TEC两端电流方向和大小的自动变换，从而实现自动的温度控制。本设计的理想的温度调节精度为0.1摄氏度，在室温环境下温控理想范围为15-60摄氏度，系统温度稳定时的温度浮动为±（0.1-0.2）摄氏度左右，基本达到需要的精度要求。

关键词：温度控制，STM8S10/5K4T6C测温芯片，PID控制，PWM波，帕尔帖效应，半导体制冷片TEC1-12706

A DESIGN OF MICROWAVE RESONATOR BASED ON THE SEMI-CONDUCTED

TEMPERATURE CONTROL

Abstract

Thermoelectric Cooler(TEC) is made based on the theory of Peltier effect of semiconductor material. When DC-current flows through the galvanic couple made of different semiconductor materials, it will respectively absorb and release heat at the two ends of the couple. So we can easily achieve the goal to heat or cool by designing a right drive circuit.

In this thesis, a design of temperature control system based on STM8S10/5K4T6C and digital-PID-control is set up. This system includes the CAD model formulation, UG NX encapsulation model design, PID circuit simulation based on the Multisim software, composed of thermistor probe and STM8S10/5K4T6C test piece of temperature detection and control circuit, Using STM8S10/5K4T6C temperature measurement chip produce two ways of duty ratio measuring controlled PWM wave on semiconductor refrigeration piece (TEC1-12706) regulation of thermal cooling device.

This system first calculates the difference of the temperatures set by the user and detected by the STM8S10/5K4T6C temperature measurement chip, then it will put the difference into the PID algorithm to control the real-time duties of the two PWM waves which will be both inputted into the circuit’s input ports to control the directions and margins of currents that would go through the Thermoelectric Cooler, so that the system could adjust the temperature of the thermostat object to the value set by users automatically. The accuracy of temperature value in this design is 0.1℃, the temperature allowed in ranges from 15 to 60℃, and the system-stable temperature fluctuations is ±（0.1-0.2）℃, basically access to the accuracy requirement.

KEY WORDS: temperature controller, STM8S10/5K4T6C temperature measurement chip, digital PID control, PWM wave, Peltier effect, thermoelectric Cooler(TEC1-12706)

目录

摘要 3

Abstract 4

第一章 绪论 7

1.1 引言 7

1.2国内外发展现状 8

1.2.1温控技术 8

1.2.2控制技术 9

1.2.3驱动技术 9

1.3内容和要求 9

1.3.1主要内容 9

1.3.2系统性能特点 11

1.4章节安排 11

第二章 相关理论 13

2.1 概要 13

2.2 PID控制原理 13

2.2.1 模拟PID的基本原理 13

2.2.2 数字PID及参数调整 16

2.3 PWM驱动的原理 16

2.4本章小结 18

第三章 软件仿真和硬件介绍 19

3.1 概要 19

3.2 Multisim的PID电路仿真 19

3.3 输出PWM波和实现PID算法的IAR程序查找和编译 21

3.3.1 PWM波的输出 21

3.3.2 PID算法的实现 23

3.4 STM8S10芯片介绍 24

3.4.1 STM8S10/5K4T6C芯片的结构和特点 25

3.4.2 STM8的中央处理单元 28

3.4.3 单线接口模块（SWIM）和调试模块（DM） 29

3.5 实物中由NTC传感器与TEC构成的测温模块 29

3.5.1 NTC传感器B3950 29

3.5.2 TEC1-12706贴片 30

第四章 实物测试，UG/NX与CAD建模和尝试封装 32

4.1实物测试 32

4.2 UG/NX与CAD建模 32

4.3 尝试性封装 35

第五章 测试与分析 37

5.1 实物连接测试图 37

5.2测试和分析 38

1. 27.8℃-40℃ 38

2. 28.3℃-18℃ 39

3 27.4℃-45℃ 39

4 27.5℃-50℃ 40

第六章 展望与总结 41

致 谢 43

参考文献(References) 44

第一章 绪论

1.1 引言

工业生产过程中，温度是非常常见控制参数，而温度的测量和控制就有着相当广泛的应用价值和前景。在很多工业生产中，控制温度的不同可以直接影响到生产的产品的质量。在冶炼金属的过程中，对温度有很严格的要求，如出钢温度和出铁温度对于钢铁或生铁铸件的质量是有很大影响的。据统计，如果能够准确的控制冶炼过程中温度情况，节约的金属大约12％，电力消耗将减少大约14％，劳动力消耗将降低大约15％。所以说，对温度的准确测量和控制是工业生产过程中的一个非常重要部分。温度在工业过程中如此的重要，进一步加快了温度测控系统的发展。

伴随着软硬件技术和VLSI技术的不断前进，现有的电类产品也在不断的向前发展，而针对测控设计的微控制器也不断更新，使得测控系统进入了一个崭新的领域。

在20世纪40年代之前，工业的生产基本上都处于手工状态。

在50年代，少数工业企业的生产过程中采用了基地式仪表和气动仪表，实现了温度测量的仪表化和局部控制的自动化。

在60年代，伴随着工业的飞速发展，测量方式经历了单纯采集方式、直接数控方式以及间接控制方式这几种表现形式。在此阶段的测量方式的特色是对系统的信号和运算等等处理是通过计算机来实现的，但是测量仪表和执行部件对信号不会进行相关的 计算。

在70年代，随着VLSI技术和各种微处理器的突飞猛进的更新换代，微处理器具备程序检测采样调节的功能，并且在温度测控系统中得到了广泛的应用。

在80年代，出现了集中分散控制方式(DCS)，又称为分布式控制系统。它的特点是以微型CPU为核心，从而实现了使所使用的设备能够更好地分散、并将所有的控制系统进行集中的主要功能，使用高速数据信道与各个组块或设备相连接，通过通信接口连接到一个局域网，相互之间有通信设备在实现所需要的工作， 可以相互共享数据库和系统资源，提高系统的可靠性，还能提供友好的人机交互界面。

因此可以说，不同的温度控制系统对国民生产和国家经济都具有非常深远的影响和。在近几年来，工业生产对温度这一因素的精度要求、其所具备的实时性、稳定性等

等性质的需求越发严格，尤其是先进的温控设备的需求越来越大，虽然目前大陆市场的温控设备琳琅满目，并且制作工艺和性能也在不断提高当中，但是和其他的国外的同类产品相比而言，其在功能上、人工智能化的特点以及可靠性等方面仍然有很大的差距。因此，我国的自主研制的温控设备仍然还有很长的路要走。

1.2 国内外发展现状

1.2.1温控技术

按照温控目标的不同，现有的温控技术大致可分为两大类:动态温度跟踪与恒指温度控制。前者是指被控制对象的温度大小会跟随着提前设置好的温度大小的变化而变化。如在现在的工业发酵中、或者通过化学反应进行温度控制、工业冶金温度控制等各种情况下经常采用这种技术;后者是指被控对象的温度大小会始终维持在提前设定好的大小上，同时温度的波动幅度大小不可能超过定下的阈值。

由于被测对象多种多样，不同的物体有着不同的温度范围，同时每个被测对象对测量精度的要求也不尽相同，因此根据不同的温度变化范围和不同的被测量的控制对象从而选择相应的温控传感器就显得很有必要。按照被测量的物体产生温度的方式和部位的不同，温控传感器大致可分为下面两大类:接触式温控传感器和非接触式温控传感器。接触式温控传感器是指测温时使传感器与被测对象直接相接触的传感器。这类传感器主要包括热电偶、热电阻、PN结等类型;非接触式温控传感器是指测量温度时传感器与被测物体不直接接触，而是利用被测物体产生的热福射或热对流来进行间接测量的传感器。如红外传感器等，他们多用于炼铁炼钢炉内的高温测量，本文不对此种传感器做深究，只能用到前一种传感器。

温度控制技术根据温度控制过程的不同分为加热和制冷两种不同环节。制冷的方法有很多，包括热电制冷方法、液体化制冷方法、压缩式制冷方法、吸收式制冷方法、喷射式制冷方法、吸附式制冷方法、气体膨胀制冷方法、满流管制冷方法和磁制冷方法等等。加热的方法中，最常用的是电加热(通过对金属材料加热，如电阻丝)，此外还包括远红外加热等。

1.2.2控制技术

1、经典控制方案

我们知道，经典的控制系统理论主要对测量物体的稳定性、时域和频域中物体的不同运动特点、控制系统的设计思路和校正方式等等。传统的控制器设计中，由于PID温度控制器具有原理清晰、便于仿真和实现、适用温度范围非常大等诸多优点，因此在实际工业和许多科学研究中经常使用。

2、现代控制方案

我们所说的现代控制技术是在状态分析平台上的一种控制方法，是自控技术中的一个重要的一员，在现代的控制系统研究中对控制对象的研究大致是通过对对象的各项变量的描述来体现的，其中最基本的方法便是时域法。

1.2.3驱动技术

TEC控制器按输出的工作模式不同可划分为LM模式（线性模式）和PWM (脉宽调制，Pulse Width Modulation)。之前传统的激光器主要采用LM模式的TEC控制设备，它主要由两个推挽三极管所组成，具有电流的流纹性比较小、比较容易进行设计和生产等诸多优点，但运作效率比较低、温控精度不是很高，电路的可集成程度比较低。在PWM模式中，FET管在开关状态之间来回工作，电流产生的大小和方向是由PWM的占空比所决定的，即0多还是1多，不同的占空比便是不同的PWM信号。它的优点是功率损耗非常小，然而电源的效率却非常高，而且散热非常小，但是缺点也显而易见，开关的开合会引入额外的噪声信号，需要经过滤波设备来减小电压纹波。另外，MIX（混合）模式下会同时使用以上两种模式，这样便能既减少纹波电压的影响，又可以提高电源的使用效率。

1.3 内容和要求

1.3.1主要内容

本课题主要研究了一种基于半导体制冷片TEC1-12706和STM8S10/5K4T6C测温芯片的一种温度控制系统，该系统采用PID算法，产生不同占空比的PWM波，通过调节TEC的驱动

电流方向和大小为金属腔体加热制冷，设计了包括基于STM8S10/5K4T6C测温芯片的TEC1-12706的温控驱动电路，通过PID算法实现对驱动电路的控制进而达到对TEC1-12706进行制热制冷的控制。

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