基于太阳能的微型制冷控制系统研究毕业设计终稿.docx
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基于太阳能的微型制冷控制系统研究毕业设计终稿
2011届毕业生
毕业论文
题目:
基于太阳能的微型制冷控制系统研究
院系名称：
电气工程学院专业班级：
电气0702
学生姓名：
XXX学号：
XXXXXXXXXX
指导教师：
XXXXXXX教师职称：
教授
2011年5月26日
摘要
低温储粮是保证粮食长期储藏品质的重要方法，已经成为粮食储藏技术的一个发展方向。
但是低温储粮需要消耗大量的能源，对于附加值很低的粮食储藏企业来说是难以接受的。
另外，随着人类社会的日益发展，人类对能源需求的急剧增加，世界能源危机日渐突出，太阳能作为一种主要的清洁能源已经受到世界各国的普遍重视。
本文设计了一种基于太阳能的低温制冷系统，以满足粮食储藏企业投入成本低、运行成本低的要求。
本设计以太阳能光伏电池板提供能量来源，以低成本半导体制冷片TEC1-12706作为制冷单元，系统通过开关制冷片个数来达到控制制冷量的目的。
系统以STC12C5A08S2单片机为核心，采用温度传感器DS18B20来检测粮库的温度，单片机读取温度值后与设定值比较，并采用PID算法，控制多个电子制冷片的通断，进而控制粮库的温度。
外围电路主要有数码管显示电路，电子制冷片的驱动与开关控制电路等。
系统具有体积小、重量轻，价格低等优点。
关键词：
太阳能；单片机；半导体制冷
TitleSolar-based controlSystemof micro-cooling
Abstract
Low-temperaturegrainstorageistoensurethelong-termstoragequalityoffood,animportantmethodofgrainstoragetechnologyhasbecomeadevelopmentdirection.Butthelow-temperaturegrainstoragerequireslargeamountsofenergy,foodstorageforthelowvalue-addedbusinesses,isunacceptable.Inaddition,withtheincreasingdevelopmentofhumansociety,humanbeingssharpincreaseindemandforenergy,highlightingthegrowingworldenergycrisis,solarenergyasamajorcleanenergyhasbeenwidespreadattentionaroundtheworld.Thispaperpresentsalow-temperaturerefrigerationsystembasedonsolarenergytomeetthegrainstoragebusinessestoinvestinlowcost,lowoperatingcostrequirements.
Thedesignofsolarphotovoltaicpanelstoprovideenergysourcestolow-costsemiconductorcoolingpieceTEC1-12706asarefrigerationunit,coolingsystempiecebythenumberswitchtothepurposeofcoolingcapacitytocontrol.STC12C5A08S2microcontrollerasthecoresystem,usingthetemperaturesensortodetectthegraindepotsDS18B20temperature,themicrocontrollerreadsthetemperaturevaluecomparedwiththesetvalue,andusingPIDalgorithms,controlmultiplepiecesofelectroniccoolingoff,thencontrolthegraindepotsintheTemperature.Peripheralcircuitsaredigitaldisplaycircuits,electronicchipcoolingthedriveandswitchcontrolcircuit.Thesystemissmall,lightweightandlowprice.
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Keywords:
Solar-energy;MCU;Semiconductorcooling
1绪论
1.1课题设计背景和目的
在粮食储藏中，粮仓里的环境温度是很重要的保证条件，粮食低温储藏就是利用自然低温条件或机械制冷设备，降低仓内储粮温度，并利用仓房围护结构的隔热性能，确保粮食在储藏期间的粮堆温度维持在低温（15℃）或准低温（20℃）以下的一种粮食储藏技术。
低温储粮可以有效减缓粮食品质劣变，抑制虫霉的生长繁育，减少粮食营养损失，减少化学药剂的使用，达到绿色储粮的目的。
低温储藏作为我国粮食储藏工作中一项带有方向性、重要性的技术措施，是当前绿色储粮技术推广的首选方法。
低温储粮技术中，冷源的选择极其关键。
当前的低温储粮主要有机械压缩式制冷和天然低温储粮。
但前者电能消耗大，运行成本高，停机后粮仓内温度容易回升；后者利用天然低温资源如自然通风降温、深井水降温等，虽然费用低廉，但可利用的时间短，达不到满意的制冷效果，不能大量实施。
二者均难以满足绿色储粮“高质量、高效益、低能耗、低污染”的发展要求。
因此，低温粮仓新冷源的研究与应用必然具有广阔的前景。
随着社会生产活动的日益发展，人类对能源需求的日益增加，世界能源危机日益突出，开发利用太阳能等清洁能源已经成为各国的一个基本共识。
太阳能作为一种取之不尽，用之不竭的清洁能源，越来越受到人们的重视。
我国太阳能资源比较丰富，大部分地区日照充足，能满足低温粮仓的制冷能量消耗。
太阳能空调的最大优点在于，冷负荷的需求与太阳能的供给能够保持一致性：
当天气越热、太阳辐射越强的时候，冷负荷的需求越大。
采用太阳能微型制冷系统，即可以达到粮仓低温效果，又能减少运行成本，同时符合国家提出的节能减排的要求。
1.2太阳能制冷国内外研究状况和发展趋势
粮仓的低温储藏包括自然低温储藏和机械压缩式制冷。
在绝大部分地区，冬季可利用自然冷源（干冷的环境空气）对仓储粮食进行充分冷却。
然而，随着夏季的来临，受太阳辐射及环境温度的影响，仓内粮食温度逐渐回升。
进行低温储粮须在高温季节采用制冷设备对储粮进行降温或抑制粮温回升。
1.2.1国外的发展概况
国际上，德国工程师于1917年首次提出利用机械制冷进行低温储粮的概念。
1958年成功地开发了机械制冷低温储粮专用设备“粮食冷却机”，并开始投入工业化生产。
在美国，从上世纪50年代末期开始机械制冷低温储粮的研究。
从1959年至1970年间，德克萨斯、依利诺、印地安那、内布拉斯加等州陆续进行了高水分玉米和高粱的冷却低温储粮试验。
Hunter等人在澳大利亚积极推广使用机械制冷设备低温储藏小麦以减少或避免化学药剂熏蒸。
此外，东南亚的泰国等也进行了机械制冷低温储粮技术的应用研究。
在日本，上世纪70年代低温仓容已达140.9万吨，准低温仓容约83.5万吨。
至1990年，机械制冷低温储粮技术已在世界上50多个国家和地区使用，每年采用此技术储藏的粮食约2000～2500万吨。
1.2.2国内的发展概况
国内，在国家“九五”科技攻关计划项目“机械制冷低温储粮技术"资助下，国家粮食局科学研究院在学习和借鉴国外先进技术的基础上，于1998年研制成功了国内首台谷物冷却机。
自1998年以来，国务院大力开展粮食仓储基础设施建设，分三批建设了500亿公斤仓容的国家贮备粮库，在这些新建成的国家储备粮库里配置了国产的谷物冷却机装备。
1.2.3太阳能制冷的研究
随着对太阳能的大力开发和应用，太阳能制冷技术也有了相应的进展。
实现太阳能制冷有两条途径：
（1）进行太阳能光电转化，以电能制冷。
（2）进行太阳能光热转换，以热能制冷。
太阳能热电制冷主要包括太阳能吸收式制冷及太阳能吸附制冷。
国内外关于光热制冷的研究很多，但是由于太阳能光热制冷技术要求高，造价成本高，因此在粮仓制冷应用中普及率很低。
近几年，太阳能光伏转化效率有了很大的提高，而成本在逐渐降低，因此，太阳能光电制冷的应用前景会相当广阔。
1.3太阳能制冷的方式及意义
随着人们节能和环保意识的加深，开发新能源和可再生能源已经成为许多发达国家和发展中国家21世纪能源发展战略的基本选择。
太阳能就是一种可再生清洁能源，长期以来一直受到科学家的研究和重视。
在太阳能的利用中，太阳能制冷空调
是一个极具发展前景的领域，也是当前制冷技术研究中的热点。
太阳能制冷具有以下几个优点。
首先是节能，据统计，国际上用于民用空调所耗电能约占民用总电耗的50%。
而太阳能是取之不尽，用之不竭的。
太阳能制冷用于空调，将大大的减少电力消耗，节约能源；其次是环保，根据《蒙特利尔议定书》,目前压缩式制冷机主要使用的CFC类工质因为对大气臭氧层有破坏作用应停止使用（美、欧等已停止生产和使用），现在各国都在研究CFC类工质的替代物质及替代制冷技术。
太阳能制冷一般采用非氟氯烃类物质作为制冷剂，臭氧层破坏系数（ODP）和温室效应系数（GWP）均为零，适合当前环保要求，同时可以减少燃烧化石能源发电带来的环境污染。
利用太阳能致冷与一般电力致冷的基本原理相同，只是在使用能源方面不一样。
目前太阳能致冷的方法有许多种主要是压缩式致冷，蒸汽喷射式致冷和吸收式致冷。
压缩式致冷要求集热温度高，工作介质对环境有影响，且造价高；蒸汽喷射式致冷不仅要求集热温度高，且致冷效率低，经济上不合算。
现着重研究的是吸收式致冷开发，因为此种致冷系统所需集热温度较低，一般要求65-90度即可，这对太阳能来说容易满足，从设备制造而言，吸收式致冷也较简单，投资小，易于家庭接受，而且热利用率也较高，可达0.6-0.7。
太阳能吸收式致冷可采用平极式集热器或真空管集热器为热源，它的致冷基本原理是利用两种不同沸点的物质组成工质对，其中沸点低的物质为致冷剂，沸点高的物质为吸收剂。
溴化锂吸收式致冷机是目前比较常用的太阳能致冷机，它就是利用水在低压真空环境下的蒸发进行致冷的，应用吸收剂溴化锂溶液极易吸收致冷的特性，通过溴化锂溶液的质量分数变化（发生与吸收过程）使致冷剂在一个封闭的系统中不断地循环，达到致冷空调的目的。
电子制冷是由半导体制冷片（TE），（大量的PN结（碲化铋））制冷的。
当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。
本文中用到的太阳能制冷方法是电子制冷，采用的是半导体制冷片，制冷效果符合设计要求，且成本低。
1.4设计的框图及内容
本文设计的内容主要包括硬件设计和软件设计两部分。
系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成主电路、数据采集电路、驱动电路、温度显示电路等的设计。
软件程序编写主要用来实现对驱动电路控制、温度的检测、温度显示等数据处理功能。
图1.1总设计框图
2硬件设计中主要器件选型
2.1单片机
单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器和各种输入输出接口电路的微型计算机，简称单片机。
单片机以其较高的性能价格比受到了人们的重视和关注。
它的优点就是体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。
单片机根据其基本操作处理的位数可分为4、8、16、32位单片机，应用最为广泛的是八位单片机。
STC12C5A08S2具有1个时钟/机器周期，高速、高可靠，2路PWM，8路10位高速A/D转换，25万次/秒1T8051带总线，无法解密，管脚直接兼容传统89C52，有全球唯一ID号可省复位电路，36-44个I/O内部R/C时钟的宏晶芯片加密性强，解密难度高。
STC12C5A08S2单片机中包含中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。
STC12C5A08S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。
STC12C5A08S2单片机的封装图如图2.1所示。
图2.1STC12C5A08S2引脚封装图
2.2电子制冷片
2.2.1电子制冷片简介
电子制冷片是制冷系统的核心，其能力和特征决定了制冷系统的能力和特征。
电子制冷片具有体积小、重量轻、高功率、低能耗、工作安静无振动、可变频和易于精确控制等特点，是极为理想的移动或者便携的小型热管理系统的首选。
电子制冷片可广泛用于空气调节装置、水冷装置、商业冷藏装置的制冷单元，目前，其主要应用范围包括便携式制冷系统、食品冷却系统、微型冷藏系统、温控装运容器、电子制冷系统、医疗成像系统、迷你冷却水系统等。
半导体制冷片（TE）也叫热电制冷片，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。
半导体制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理，半导体制冷片作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：
（1）不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。
（2）半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。
因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。
（3）半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。
（4）半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。
（5）半导体制冷片的反向使用就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。
（6）半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。
（7）半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。
如图2.2所示为半导体制冷片的实物图。
图2.2半导体制冷片
2.2.2制冷片的选择
在制冷器的选择中应考虑以下几点：
（1）被冷却物体所欲达到的温度；
（2）制冷元件的最大电流数值；
（3）热负载，被冷却物的发热量和从外部渗入的热量；
（4）选取何种散热方式（自然对流散热、强迫对流散热或液冷等）以及热端与周围介质的热交换系数；
（5）冷端同被冷却物体间取何种热交换方式（紧密接触或液体循环等）以及热交换系数；
（6）冷却速度与达到温度的时间。
半导体制冷粮仓的负荷可按下式计算：
（2.1）
式中
—粮仓的泄漏能量；
—开门泄漏能量；
—粮食散发；
—其他热量。
这本文中将条件设定为密闭粮仓，在湿度一定的情况下，计算制冷量，来选择半导体制冷片。
粮仓热量主要来自外部，选择粮仓为面积为70平米，制冷高度为1米，可估算所需制冷量为1匹。
根据设计中的要求可选用的制冷片的型号为THC1-12706，所选制冷片对应的型号主要参数有工作电流为6A，工作电压为12V，温度范围为正温80℃到负温度55℃。
根据粮仓大小，共选择了10片制冷片。
2.2.3制冷片的散热
散热管是焊接的矩形截面空心铝管或铜管，空气在散热管中流动，其外表面与半导体制冷片接触，半导体制冷片的另一面与散热片接触，散热片之间通过散热片螺栓组件联接，保温隔板在散热片之间，保温套管套装在散热管两边的管上，用于散热管保温。
制冷器风扇通过制冷器风扇螺栓组件固定在U型板上，制冷器风扇的风吹到散热片上，将散热片的热量吹到大气中，防止半导体制冷片过热，U型板通过散热片螺栓组件联接散热片，U型板上的一组孔用于对外联接，固定半导体制冷器。
2.3太阳能光伏电池
太阳能电池通常由半导体硅材料制成。
其作用是把太阳能直接转换为直流形式的电能，是光伏阵列中光电转换的最小单元。
由于单个太阳电池的功率极小，因此一般不单独作为电源使用。
实际应用中是将许多单个太阳电池经过串、并联组合并进行封装后构成太阳电池组件使用。
光伏阵列就是由许多太阳电池组件经过相应的串、并联后构成。
图2.3硅太阳电池结构
如图2.3所示的硅电池，它的基体材料为P型单晶硅，厚度在0.4mm以下。
上表面层为N型层，是受光层，它和基体在交界面处形成一个P-N结。
在上表面上加有栅状金属电极，可提高转换效率；另外，在受光面上，覆盖着一层减反射膜，它是一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜，用以减少入射太阳光的反射，使太阳电池对入射光的吸收率达到90%以上。
在实际的太阳能电池中，一般串联电阻都比较小，大都在0.001～3欧之间。
另外，由于制造工艺的因素，光伏电池的边缘和金属电极在制作时可能会产生微小的裂痕、划痕，从而会形成漏电而导致本来要流过负载的光生电流短路掉，因此引入一个并联电阻来等效。
相对于串联电阻来说，并联电阻比较大，一般在1K欧以上。
太阳能电池的等效电路如图2.4所示。
图2.4太阳能电池等效电路
在针对低温储藏中的粮仓时，选择太阳能电池主要考虑到制冷量和半导体制冷片的实际效率。
制冷量的计算将在硬件电路设计中讨论并进行计算，根据实际综合情况，就可以进行太阳能电池的选择了。
本设计中采用的光伏电池主要参数如表2.1所示。
表2.1太阳能光伏电池主要参数
最大功率电流Imp
最大功率电压
Vmp
开路电压
开路温度系数
最大功率温度系数
4.29A
17.5V
21.3V
-0.34%/℃
-0.48%/℃
2.4温度传感器
DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以连接很多这样的数字温度计，十分方便。
DS18B20产品的特点如下：
（1）只要求一个端口即可实现通信；
（2）在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号；
（3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温；
（4）测量温度范围在－55到＋125摄氏度之间；
（5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择；
（6）内部有温度上、下限告警设置。
如图2.5所示为温度传感器的封装引脚图。
图2.5DS1820引脚封装图
现将引脚说明如下：
GND—地信号；
DQ—数据输入/输出引脚，开漏单总线接口引脚，当被用在寄生电源下，也可以向器件提供电源；
VDD—可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
3系统硬件设计
3.1系统总体硬件设计方案
单片机应用系统的硬件电路设计就是为单片机温控系统选择合适的、最优的系统配置，即按照系统功能要求配置外围电路，如按键、数码管、器件合适的接口电路等。
系统设计应本着以下原则：
（1）尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。
（2）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。
软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。
由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。
由于本设计的响应时间要求不高，所以有一些功能可以用软件编程实现。
（3）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。
系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。
本系统的硬件电路主要包括模拟部分和数字部分，本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成，硬件部分主要完成制冷片的驱动，传感器信号的采集处理，温度的显示等。
软件主要完成对驱动电路的控制和采集的温度信号进行处理及数码管显示等功能。
在硬件设计中遇到的主要问题是如何将太阳能电池加到半导体制冷片上，在这个问题上有四种方案。
第一种方案是用一个升压电路然后连接蓄电池，对蓄电池充电，然后将蓄电池端电压加到半导体上，驱动半导体进行工作，但由于功率在前面损耗过多，以至于半导体制冷片只是发热，并不能达到预期的制冷效果。
第二种方案是去掉升压电路和蓄电池部分，直接用太阳能电池的端电压驱动制冷片工作，但太阳能电池内阻相对于半导体制冷片来说太大，能量损耗在了太阳能电池内阻上，效果也不理想。
第三种方案是加入恒流源电路，控制半导体制冷片的电流，但因与直接和太阳能电池相连同样的原因，再次被否决掉了。
第四种方案是现在电路中的IR公司生产的IR2103对电路进行驱动，这次完全避免了以上两个原因，得到了符合设计要求的电路。
如图3.1所示为系统的整体硬件电路图。
图3.1系统整体硬件电路图
在本章的后续内容中分别说明了各个部分的原理及构成。
3.2驱动电路设计
硬件设计中最关键的就是利用何种电路将太阳能电池和制冷片连接起来。
系统采用由STC12C5A08S2得I/O口控制制冷片所接开关的通断，以多个单片机接口控制多路制冷片的方式来控制制冷能力。
电路采用IR公司芯片IR2103作为核心驱动芯片，输人与单片机的接口相连，通过开关原件的通断来调节输出驱动电流。
功率器件采用MOSFET（IRF540），电流容量为23A，耐压值为100V，完全能够满足系统要求。
如图3.2所示为驱动采样电路。
系统中共有十片半导体制冷片，一片对应一个驱动电路，十片半导体制冷片对应的单片机接口如表3.1所示。
图3.2驱动芯片与单片机接口图
表3.1制冷片与对应单片机接口
制冷片编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
对应的单片机接口
P1.1
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
P2.0
P2.1
P2.2
P2.3
3.3温度检测
本设计中温度传感器使用的是DS18B20。
DS18B20是美国达拉斯（DALLAS，已被美信公司收购）半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻相比，能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。
可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根接口线（单总线接口）读写，单总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电。
使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。
DS18B20在测温精度、转换时间、传输距离和分辨
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