单片机ATmega16的温度控制系统.docx

摘 要

Abstract

b43.......19..................11111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111
1 绪 论 1
1.1 引言 1
1.2 本课题研究的内容 1
1.3 智能温度控制器国内外研究现状 3
2 系统总体方案设计 6
2.1总体方案设计 6
2.2系统微处理器的选择 6
2.3温度控制方案的设计 11
2.4开发工具的选择 12
3 系统硬件电路设计 13
3.1 ATmega16外围电路设计 13
3.1.1 电源电路设计 13
3.1.2 晶振电路设计 14
3.1.3 复位电路设计 15
3.1.4 ISP下载接口设计 16
3.2 温度信号检测电路设计 17
3.2.1 温度传感器的选型 17
3.2.2 温度检测电路设计 19
3.3 LCD显示电路设计 20
3.4 键盘输入电路设计 22
3.5 温度控制电路设计 23
3.5.1 半导体致冷原理 24
3.5.2 半导体致冷优点 26
3.5.3 帕尔贴功率驱动电路设计 26
4 软件设计 29
4.1 C语言开发单片机的优势 29
4.2 30
1 绪 论
1.1 引言

1.2 本课题研究的内容
以AVR单片机为核心的智能化控温仪器的基本组成如图1.1所示。
AVR
单片机

外部控制信号输入
半导体制冷器
功率驱动电路
与电脑通
信接口
仪表面板
（开关电源、液晶显示）
温度采集系统
温度信号
控制信号
键盘
ISP
温度
控制信号

图1.1 智能化温度控制器的基本组成
AVR单片机是仪器的主体，对于小型仪器来说，单片机内部的存储空间已经足够，当需要处理大量复杂数据的时候才需要扩展外部存储器。温度传感器采集的温度信号经过传感器内部电路转换成数字信号并输入到单片机内部；智能化测量控制仪器的整个工作过程是在软件程序的控制下自动完成的，因此单片机根据从电脑上下载的程序结合接收到的温度信号在显示器上显示各种数据并控制输出；通过键盘键入的各种命令控制单片机的工作状态和各种输出；当检测的温度值超过规定范围或者检测到键盘发出的强制启动信息单片机就发出启动信号启动功率驱动电路，从而控制TEC(Thermal Energy Converter 热能转换器)工作，当检测的温度值再次回到规定范围或者检测到键盘发出的强制停止信息单片机就暂停发出控制信号关闭功率驱动电路。这就是智能化的温度控制器的工作过程。
装在单片机内部EPROM中的监控程序由许多程序模块组成，每一个模块完成一种特定功能，例如实现某种算法、执行某一中断服务程序、接受并分析键盘输入命令等。编制完善的监控程序中的某些功能模块，能够取代某些硬件电路和功能。但是需要指出的是，智能化测量控制仪器引入单片机后，有可能降低对某些硬件电路的要求，但这绝不是说可以忽略测试电路本身的重要性，尤其是直接获取被测信号的传感器部分，仍应给予充分的重视，有时提高整台仪器性能的关键仍然在于测试电路尤其是传感器的改进。
1.3 智能温度控制器国内外研究现状

2 系统总体方案设计
系统硬件的总体结构图如图2.1所示：图2.1 系统硬件总体结构图
具有以下特性：
1、高性能、低功耗的 8 位AVR 微处理器
2、先进的RISC 结构
1) 131 条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期
2) 32个8 位通用工作寄存器
3) 全静态工作
4) 工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS
5) 只需两个时钟周期的硬件乘法器
3、非易失性程序和数据存储器
1) 16K 字节的系统内可编程Flash；擦写寿命: 10,000 次
2) 具有独立锁定位的可选Boot 代码区；通过片上Boot 程序实现系统内编程；真正的同时读写操作
3) 512 字节的EEPROM；擦写寿命: 100,000 次
4) 1K字节的片内SRAM
5) 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密
4、JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容)
1) 符合JTAG 标准的边界扫描功能
2) 支持扩展的片内调试功能
3) 通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程
5、外设特点
1) 两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器
2) 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器
3) 具有独立振荡器的实时计数器RTC
4) 四通道PWM
5) 8路10 位ADC；8 个单端通道；TQFP 封装的7 个差分通道；2 个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道
6) 面向字节的两线接口
7) 两个可编程的串行USART
8) 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口
9) 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器
10) 片内模拟比较器
6、特殊的处理器特点
1) 上电复位以及可编程的掉电检测
2) 片内经过标定的RC 振荡器
3) 片内/ 片外中断源
4) 6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby 模式
7、I/O 和封装
1) 32 个可编程的I/O 口
2) 40引脚PDIP 封装, 44 引脚TQFP 封装, 与44 引脚MLF 封装
8、工作电压:
1) ATmega16L：2.7 - 5.5V
2) ATmega16：4.5 - 5.5V
9、速度等级
1) 0 - 8 MHz ATmega16L
2) 0 - 16 MHz ATmega16
10、ATmega16L 在1 MHz, 3V, 25°C 时的功耗
1) 正常模式: 1.1 mA
2) 空闲模式: 0.35 mA
3) 掉电模式: < 1 μA
综述：ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
图2.2是Atmega16的引脚配置：

图2.2 ATmega16L引脚
AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。
ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。
本芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(Application Flash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。 通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。
ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言 编译器、宏汇编、 程序调试器/ 软件仿真器、仿真器及评估板。
Atmega16的引脚说明如下：
VCC： 数字电路的电源
GND： 地
端口A(PA7..PA0)： 端口A 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。端口A 也可以做为A/D 转换器的模拟输入端。
端口B(PB7..PB0)： 端口B 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。
端口C(PC7..PC0)： 端口C 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。
端口D(PD7..PD0)： 端口D 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D 处于高阻状态。
RESET: 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。
XTAL1: 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。
XTAL2: 反向振荡放大器的输出端。
AVCC: AVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。
AREF: A/D 的模拟基准输入引脚。
图2.3是用PROTEL画的Mega16封装，供电路原理图设计之用：

图2.3 ATmega16L封装
Micro Controller Unit另外采用AVR STDIO 4.16仿真调试软件和AVRProg ISP程序下载软件

3 系统硬件电路设计
3.1 ATmega16外围电路设计
Atmega16的外围电路包括电源电路、晶振电路、复位电路和ISP下载接口。
3.1.1 电源电路设计
电路系统的工作需要电源。电源主要分两种，一种是线性电源,比如7805,它是因其内部调整管工作在线性区域而得名，它的特点是电源外围元件少、输出噪声小、静态电流小、价格便宜；另一种是开关电源，它是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制控制PWM和构成，它的特点是效率高。
线性电源的调整管工作在放大状态，因而发热量大，效率低，需要加体积庞大的散热片，而且还需要同样也是大体积的工频变压器，相比之下，开关电源的转换效率要比线性电源的转换效率高些，而且省掉了大体积的变压器。但开关电源输出的直流信号上面会叠加较大的纹波，需要在输出端并接稳压二极管加以改善，另外由于开关管工作时会产生很大的尖峰脉冲干扰，也需要在电路中串联磁珠加以改善。相对而言线性电源就没有以上缺陷，它的纹波可以做的很小（5V以下）。
本文主要从系统的可靠性和设计的简单性两个角度考虑，采用了二级稳压的方案。第一级是采用现有的变压器电源，它可以将220V的交流电压转换成包括士3V、士6V和士9V在内的三种直流电压的输出，而且该变压器电源可靠性好，使用起来方便快捷。第二级由三端稳压管7805实现二级稳压的功能。其原因主要有两点：一是本设计不是便携式的设计，所以电源的效率高低不是重点考虑的内容；其二是二级稳压电路的设计简单、成熟，易于维护。
220V的交流电压经过变压器电源的+9V端提供9V的直流电压，该电压经7805稳压模块，输出端提供5V电压，供单片机正常工作。
二极管D4的作用是防止因输入瞬间短路而烧毁器件，电容C7、C8有去耦作用，以提高系统的抗干扰能力。电阻R13和发光二极管D5组成电源状态指示灯，当系统正常供电时,指示灯被点亮，反之，则不亮。电路原理如图3.1所示：

图3.1 电源电路
3.1.2 晶振电路设计
单片机是一种时序电路，必须给它提供时钟脉冲信号才能正常工作。系统时钟信号是单片机内部各种操作的时间基准，为各种指令的执行提供时钟节拍。通常单片机可通过内部振荡或外部振荡两种方式得到系统时钟信号。Mega16芯片内部集成了RC振荡电路，可以产生 1MHz、2MHz、4MHz、8MHz的振荡频率。内置的RC振荡电路适合用在要求不高的场合，在一些要求较高的场合，比如要与RS232通信等需要比较精确的波特率时，使用外部晶振提供时钟比较可靠。
本系统采用7.3728MHz的晶振，如图3.2所示：

图3.2 晶振电路
按照官方建议，在晶振两端接上两个22pf的微调电容。
3.1.3 复位电路设计
当任何一个复位信号产生时，AVR的所有I/O端口都会立即复位成它们的初始值，并不需要时钟源处于运行状态。在复位信号撤消后，硬件系统将调用一个计数延时过程，经过一定的延时后，才能进行系统内部的真正复位启动。采用这种形式的复位启动过程，保证了电源达到稳定后才使单片机进入正常的操作，复位启动的延时时间可以由用户通过对熔丝位的编程来定义。
Mega16单片机有4个复位源：
(1)、 上电复位。当系统电源的电平低于上电复位门限电压VPOT时，MCU产生复位。
(2)、 外部复位。当一个低电平加到RESET引脚超过tRST时，MCU产生复位。
(3)、 看门狗(WDT)复位。当看门狗复位允许且看门狗定时器溢出时，MCU产生复位。当进入系统的干扰作用于单片机内部时，系统失控导致程序在地址空间内“乱飞”，使程序运行状况不可预测。如果运行时间超过程序设定的看门狗延时时间，系统便会重新复位，使单片机重新回到正常运行轨道。因此，看门狗复位可以有效的监控系统的运行情况，提高了系统自身的抗干扰能力，使系统能够在具有一定干扰的环境中正常工作。
(4)、 电源电压检测BOD复位。当BROWN-OUT检测功能允许，且电源电压VCC低于BROWN-OUT复位门限电压VBOT时MCU产生复位。
由器件手册可知Mega16已经内置了上电复位电路，并且在熔丝位里可以设置复位时的启动时间。我们仅需要设计一个外部复位电路，AVR外部的复位电路设计很简单，只需一个复位键S5和一个10KΩ的电阻(R8)即可。
为了提高系统可靠性，再加上一个0.1uf的电容(C4)来消除高频干扰和杂波。二极管D3(IN4148)的作用有两个：一个是将复位输入的最高电压钳位在VCC+0.5V左右，另一个作用是系统断电时，将R8(10KΩ)电阻短路，让C4快速放电，保证在下一次上电时能产生有效的复位。
电路如图3.3所示：

图3.3 复位电路
当AVR处于工作状态时，按下复位键S5时复位引脚变成低电平，触发AVR芯片复位。
3.1.4 ISP下载接口设计
ISP(In-System Programming)在系统可编程，指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。
一般通用做法是芯片内部的存储器可以由上位机的软件通过串口来进行改写。对于单片机来讲可以通过SPI接口或其它的串行接口接收上位机传来的数据并写入存储器中。所以即使我们将芯片焊接在电路板土,只要留出和上位机接口的这个串口,就可以实现对芯片内部存储器的改写，而无须再取下芯片。
ISP技术的优势是不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发，降低了单片机开发门槛，单片机芯片可以直接焊接到电路板上，调试结束即成成品，免去了调试时由于频繁地插入取出芯片对芯片和电路板带来的不利影响。
AVR系列单片机提供了同步串行接口SPI，可以支持用户对内部程序存储器编程(ISP)。Mega16具有可擦写10,000次的在系统可编程Flash，我们可以自由的对系统程序代码进行修改和调试，而不用担心Flash芯片的擦写次数。
ISP下载接口如图3.4所示：

图3.4 ISP下载接口
ISP下载接口不需要任何的外围零件。使用双排2＊5插座。由于没有外围零件，故PB5（MOSI）、PB6（MISO）、PB7（SCK）、复位脚（RESET）仍可以正常使用，不受ISP的干扰。
3.2 温度信号检测电路设计
3.2.1 温度传感器的选型
温度传感器的种类很多。集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成传感器。根据温度传感器输出方式及接口方式的不同，大体可以分为模拟温度传感器和数字温度传感器。模拟温度传感器输出的模拟信号，必须经过专门的接口电路转换成数字信号后才能由微处理器进行处理。数字温度传感器输出的数字信号，一般只需少量外部元器件就可直接送至微处理器进行处理。
1、模拟温度传感器
2、数字温度传感器
一般地说，具有输出数字信号便于电脑处理的传感器就是数字传感器。数字传感器系统可以输出线性无漂移的模拟信号，也可以输出代表特定含义的串行脉冲，甚至可以按照给定程序去控制某个对象（如电机）。将模拟温度传感器与数字转换接口电路集成在一起，就成为具有数字输出能力的数字温度传感器。随着半导体技术的迅猛发展，半导体温度传感器与相应的转换电路、接口电路以及各种其它功能电路逐渐集成在一起，形成了功能强大、精确、价廉的数字温度传感器。
（1）单线输出的数字温度传感器
单线输出的特点是接口电路简单，测出的温度值精确，所以在一般应用中，这种芯片得到了偏爱。由于只有一根输出线，测量出的温度值必须转换成某种方式进行输出。常见的输出方式有时间输出、频率输出及数值输出等，然后再由微处理器将温度传感器输出的信号转换成真实温度值，进行进一步的处理与控制。 单线输出型又可分为时间输出（AD公司的TMP03/04、MAXIM公司的MAX6578和MAX6575L/H）、频率输出（MAXIM公司的MAX6577）和数值输出（DALLAS公司的DS1820）三类温度传感器。
（2）基于总线协议输出的数字温度传感器
为了提高可靠性，方便使用，人们又设计了许多基于某种总线协议输出的数字温度传感器。这种温度传感器一般有多根线输出。输出格式和时序严格遵守某种协议，适用于各种场合，尤其是远端测量。常见的总线协议型数字温度传感器有基于SMBus协议（MAXIM公司的MAX1617-1619系列）、基于I2C协议（AD公司的AD7416）和基于SPI接口（AD公司的AD7814）等三类温度传感器。
本课题选用的是数值输出型单线温度传感器DS1820。
信号经过单线接口送入DS1820或从DS1820送出，因此从中央处理器到DS1820仅需连接一条线（和地）。读、写和完成温度变化所需的电源可以由数据线本身提供，不需要外部电源。因为每一个DS1820有唯一的系列号（silicon serial number），因此多个DS1820可以存在于同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件，具备多点测温能力。DS1820有如下特性：
1、 独特的单线接口，只需一个接口引脚即可通信；
2、 多点multidrop)能力使分布式温度检测应用得以简化；
3、 不需要外部元件；
4、 只用数据线供电；
5、 不需要备份电源；
6、 测量范围从-55°C至+125°C。等效的华氏温度范围是-67°F至257°F,增量值为0.9°F；
7、 以9位数字值方式读出温度；
8、 在一秒（典型值）内把温度变换为数字；
9、 用户可定义的，非易失性的温度告警设置；
10、告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度告警情况）；
11、应用范围包括恒温控制，工业系统，消费类产品，温度计或任何热敏系统。
因为DS1820直接以串行方式输出芯片测出的具体温度数值，所以其时序非常重要。其读写时序主要有复位、读时间片和写时间片三种时序操作。芯片本身带有命令集和存储器，微处理器通过发出控制命令，对芯片存储器进行读写，完成温度测量。芯片电源也可由微处理器的一个I/O口提供。微处理器在读写DS1820前先使其复位，检测到其应答信号后，微处理器发ROM操作命令，然后再发控制命令。多点温度测量时，只需并联多只DS1820并放在各测温点上，在使用前对各个芯片进行ROM搜索并将各个芯片的序列号保存起来。以后对每个DS1820寻址时，只要发相应的序列号，然后再对其进行其它操作即可。
3.2.2 温度检测电路设计
DS1820的外围电路设计很简单，如图3.5所示：

图3.5 温度检测电路（左）和DS18B20引脚配置（右）
注：DQ为数字输出端
由于DS1820输出是数字信号，因此DQ引脚可以直接接到单片机上，本设计选择单片机的PA5脚作为信号输入引脚。另外DQ引脚需要外接一个4.7KO的上拉电阻，GND和VCC相应的接到地端和电源端上。这就是温度检测电路模块。
3.3 LCD显示电路设计
液晶显示LCD是英文Liquid Crystal Display的缩写，它的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。在便携式低功耗系统中最常用的是反射式液晶显示器它是一种被动显示器，即它本身不发光而只是调制环境光。反射式液晶与其它显示器件相比有以下特点：
(1)、反射式液晶显示工作电压低，仅3-6V：功耗极小（每平方厘米仅18-80Uw），同样的显示面积，其功耗比LED小几百倍。所以它特别适合与CMOS电路直接相配，用于各种数字及图形显示，尤其适用于便携式智能仪器。
(2)、 液晶体积小，外形薄，为平板式显示，使用很方便。
(3)、 液晶显示时间和余辉时间较长，为ms级。
(4)、 液晶本身不发光，在黑暗环境中不能显示，需要采用辅助光源。
(5)、 液晶工作温度范围较窄，通常为-10~+60°C。
(6)、 和CRT显示器相比，液晶除了极低功耗的优点，还是一种无辐射的“绿色”显示方式。
液晶显示模块LCM是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、线路板、背光源、结构件装配在一起的组件，英文名称叫“LCD Module”，简称LCM，中文一般称为“液晶显示模块”。实际上它是一种商品化的部件。根据我国有关国家标准的规定：只有不可拆分的一体化部件才称为“模块”，可拆分的叫作“组件”。所以规范的叫法应称为“液晶显示组件”。但是由于长期以来人们都己习惯称其为“模块”。
本课题显示器选用液晶显示器LCD1602A。图3.6介绍了1602的外形尺寸和引脚排列：
表3-1为LCD1602A的引脚说明：

图3.6 1602外型尺寸和引脚排列
表3-1 LCD1602A引脚接口说明
引脚
标号
功能说明
备注
1
Vss
逻辑负电源输入引脚，0V

2
Vdd
逻辑正电源输入引脚，+5V

3
Vo
LCD驱动电源输入引脚，大小可调LCD显示对比度
一般接0V
4
RS
数据/指令寄存器选择引脚
RS=“H” ：数据D0-D7 与数据寄存器通信
RS=“L” ：数据D0-D7 与指令寄存器通信

5
R/W
读/写选择引脚
高电平：读数据
低电平：写数据
若不须要读操
作功能，该引脚
可直接接地
6
E
读写使能引脚 ；高电平有效，下降沿锁定数据

7～14
D0～D7
8 位双向数据线
与单片机I/O连接
15
A
背光电源输入引脚，+5V
不带背光的模
16
K
背光电源输入引脚，0V
块无此引脚
主控CPU与LCD1602液晶模块的硬件接口有总线方式和模拟口线方式两种，由于AVR系列单片机不带有开放总线，所以采用模拟口线的方式。其硬件接口电路如图3.7所示：

图3.7 LCD显示电路
为了增加I/O口的驱动能力，在LCD的D0~D7口线上接4.7KΩ的上拉电阻。
3.4 键盘输入电路设计
键盘输入的功能主要包括设定温度、在LCD显示中进行显示实际温度和显示工作时间这两者循环显示的时候进行选择。同时考虑避免误操作而引起的设定温度的改变，所以系统专门增加一个确定键。另外，为便于实现温度的控制，增加一个强制工作键，在系统需要的时候强制实现升温或降温或停止工作操作。因此该系统具有5个按键：模式选择、增加按钮、减少按钮、确定键以及强制工作按键。电路如图3.8所示：

图3.8 键盘输入电路
3.5 温度控制电路设计
温度的控制用单片机的PWM（Pulse Width Modulation）脉宽调制方式来实现对加热元件的温度控制。本方法的基本思想就是利用单片机Mega16具有的PWM功能，在不改变PWM方波周期的前提下,通过软件的方法调整单片机的控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制电流。在调整电流前，由单片机先通过温度检测模块得到温度值的大小，然后把设定的温度与实际读取到的温度进行比较，通过PID制算法的结果调整PWM的占空比，从而控制半导体致冷器的加热/致冷时间，达到对温度进行控制的目的。在PWM控制通电的过程中，单片机可实时读取反应池温度值的大小，并与预设的温度值进行比较，以决定PWM占空比的调整方向。
半导体致冷又称作温差电致冷，或热电致冷，它是利用热电效应（即帕尔帖效应Peltier effect）的一种致冷方法。
1834年法国物理学家J.C.A Peltier在铜丝的两头各接一根铋丝，再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，发现一个接头变热，另一个接头变冷。这说明两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时，两个接头处分别发生了吸放热现象，这就是帕尔帖效应。1911年，德国人Altenkirch用实验证实了此效应可以致冷，提出了温差电致冷的理论，并得到温差电致冷器基本参数的热力学公式。20世纪50年代，由于半导体材料制造技术的突破，半导体致冷技术获得了较快发展。
半导体致冷组件是利用帕尔帖效应工作的热泵，可用于致冷，也可以致热。它是一种没有转动部件的固态器件，寿命长，工作时无噪声，又不会释放有害物质如氟氯烃，能在任意角度安装运行，调节电压或电流时可以精确控制温度。由于它具有的一系列优点，在国防、工业、农业、科学研究各领域都得到了广泛的应用。
当前，半导体致冷器在中（致冷功率在100W~500W范围）、小（致冷功率低于100W）功率的应用占极大部分。在某些小功率场合已经是并将仍然是唯一可用的致冷方式。在激光二极管、CCD器件、红外探测器的冷却等小功率应用领域，应用相当普遍。中功率应用领域，半导体致冷也有相当大的市场，如气体除湿器，气体或液体冷却器等。近几年中小功率半导体致冷器应用年增长率超过20%。
半导体材料具有较高的热电势可以方便地用来做成小型热电致冷器。图3.9所示为型N半导体和O型半导体构成的热电偶致冷元件。用铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接成一个回路，铜板和铜地导线只起导电的作用。此时，一个接点变热，一个接点变冷。如果电流方向反向，那么结点处的冷热作用互易。

图3.9 基本热电偶
1、2-金属电桥（结点）；3、4-电臂；5-直流电源
热电致冷器的产生冷量一般不大，所以不宜大规模和大致冷量使用。但由于它的灵活性强，简单方便冷热切换容易，非常适宜于微型致冷领域或有特殊要求的用冷场所。
3.5.1 半导体致冷原理
3P4
2N1
金属片1
金属片3
金属片2
空穴型
电子型
放热
吸热
放热

图3.10 半导体致冷原理图
半导体致冷过程：图3.10中虚线曲线代表空穴或电子的流动示意图，其中曲线箭头所指方向是电子流动方向；由于左半部分是负极，所以到点方式是空穴，空穴流动方向与电子相反，即虚线箭头所指方向的反方向为空穴流动方向。根据塞贝克效应，N型半导体材料有多余的电子，有负温差电势；P型半导体材料的电子不足，有正温差电势。4端处金属片3中的空穴具有的能量低于P型半导体中空穴的能量，当空穴在电场作用下要从3端到达P型半导体，必须要增加能量，并把这部分势能转化为空穴的热能，因而金属片2被冷却下来；当空穴由金属片3流向4端时，由于P型半导体中空穴能量大于金属片3中空穴的能量，因而要释放多余的热能，这样金属片3就被加热。右半部分是N型半导体与金属片联接，是靠自由电子导电的，而在2端金属片2中电子的势能低于N型半导体中电子的势能，当自由电子在电场作用下，通过结点2到达N型半导体时必然要增加势能，这部分势能只能从金属片2取得，同时必然使金属片2冷却下来成为冷端。当电子由N型半导体流向1端的金属片1时，由于电子是从势能较高的地方流向势能较低处，故要释放多余的势能，并变成热能使金属片1被加热成为热端。
3.5.2 半导体致冷优点
1) 小型化：一般情况下，半导体致冷器外形尺寸和体积远远小于机械致冷系统，，重量也比较轻。
2) 具有致冷和加热两种功能：改变直流电源的极性，同一致冷器可实现加热和致冷两种功能。
3) 精确控温：使用合适的闭环温控电路，可实现温度控制。半导体致冷器控温精度可优于士0.1°C
4) 高可靠性：半导体致冷组件为固体器件，无运动部件，因此失效率低。典型的温差电致冷器的寿命大于二十万小时。
5) 工作时无噪声：与机械致冷系统不同，半导体致冷器工作时不产生噪音。
6) 可使用常规电源：半导体致冷器对电源要求不高。可使用一般的直流电源，工作电压和电流可在很大范围内调整。
7) 可实现点致冷：在不必要冷却一个完整的封装外壳和整体的情况下，可只冷却一个专门的元件或特定的面积。
8) 具有发电能力：若在半导体致冷组件两面建立温差，则可产生直流电。可利用半导体致冷组件制作小功率发电装置。
9) 绿色环保：半导体致冷器不会释放氟氯烃或其它有害化学物质，不破坏环境，是一种绿色无公害半导体器件。
3.5.3 帕尔贴功率驱动电路设计
半导体致冷模块工作时需要较大的驱动电流，因此我们选用了能提供较大工作电流的功率场效应管组成帕尔帖驱动电路。半导体致冷元件帕尔帖有两个输入端1和2，N沟道功率场效应管Q1的源极与场效应管Q3的漏极连接后共同接到帕尔帖的1端，场效应管Q2的源极与场效应管Q4的漏极连接后共同接到帕尔帖的2端。当帕尔帖1端为高电平，2端为低电平时，帕尔帖就会因正向通电而发热，红色发光二极管就会导通发光；反之，若1端为低电平，2端为高电平时，帕尔帖就会致冷，绿色发光二极管导通发光。Q1、Q2、Q3和Q4相互配合组成的H桥式驱动电路就可以控制帕尔帖的导电方向，达到温度控制的目的。具体为：场效应管Q1、Q4配对组成正向控制电路；Q2、Q3配对组成反向控制电路。红灯表示正在加热，绿灯表示正在致冷，两灯均不亮表示系统不控温。
帕尔贴功率驱动电路如图3.11所示：

图3.11 帕尔贴功率驱动电路
电路中P5(7406)为六非门，P4(7432)为四2输入或门，其引脚排列说明如下：

图3.12 7406芯片（六非门） 图3.13 7432芯片（四2输入或门）
H桥驱动电路存在一个问题，一组场效应管由导通变为截止时，同时另一组场效应管应由截至变为导通。但这种情况是一种理想状态，由于两对管子的工艺性能不可能完全对称，那么导通和截止时间就不可能完全一致。因此有可能出现Q1、Q3（或Q2、Q4）两个管子导通,而Q2、Q4（或Q1、Q3）有一个导通的情况，这样会因电流过大而将器件烧毁，通常我们称这种现象为“直通现象”。为了防止这种现象发生，我们添加了D1和D2两个控制信号，通过D1我们可以控制四个场效应管的栅极全为低电平，因为当D1=1时，四个场效应管的栅极全为低电平，这时场效应管Q1、Q2、Q3、Q4全部截止；当D1=0时，场效应管是否能导通还要看D2是高电平还是低电平。这样通过D1、D2我们就可以控制帕尔帖是加热还是致冷了，通过给D1加上PWM信号还可以控制加热或致冷的时间。具体的控制如下：
1) D1=1时，场效应管Q1、Q2、Q3、Q4全部截止，系统不控温；
2) D1=0，D2=0时，场效应管Q2、Q3截止，Q1、Q4导通，帕尔帖正向导通，开始加热；
3) D1=0，D2=1时，场效应管Q1、Q4截止，Q2、Q3导通，帕尔贴反向导通，开始致冷。
工作中，选择反应温度（设定的几个基本控制温度）后，通过温度传感器得到与实际温度相对应的电压信号作为反馈信号，根据控制算法计算出控制量，当控制量为正时，令D2=0（加热状态），当控制量为负时,令D2=1（致冷状态），用控制量的绝对值调整PWM的占空比。PWM的占空比越大加热或致冷的速度越快。

4 软件设计
4.1 C语言开发单片机的优势
1) 系统选用AVR mega16单片机作为核心，它的主要功能是接收用户输入的温度参数，完成温度数据的处理及各种控制功能。系统能否正常稳定的运行，一方面要看其硬件设计的合理性和可靠性。另一方面要看其软件系统是否能够可靠运行，能否满足用户的需要。软件编写所要遵循的一个重要原则，就是软件要最大限度地与硬件配合。我们所选择的开发工具ICCAVR就是专门针对AVR单片机开发的，生成的代码效率较高，另外采用C语言编程与汇编语言相比也有很大的优势。
2) 可以大幅度加快开发进度，特别是对于程序量很大复杂的系统，用C语言开发的优势很明显。
3) 可以实现软件的结构化编程，使得软件的逻辑结构变得清晰、有条理，便于开发小组计划项目和分工合作。
4) 源程序的可读性和可维护性很好，基本可以杜绝因开发人员变化而给项目进度或后期维护以及升级所带来的影响，保证了系统的可靠性。
5) 省去了人工配置单片机资源（包括寄存器、RAM等）的工作。在汇编语言中开发人员要为每一个子程序分配单片机的资源，这是一个复杂、乏味且容易出错的工作。而在C语言中，我们只要在代码中声明一下变量的类型，编译器就会自动分配相关资源，根本不需要人工干预，有效的避免了人工分配单片机资源而出现的差错。
6) C语言程序的可移植性强。同样功能的函数移植到不同的处理器上