基于DS18B20溫度傳感器的半導(dǎo)體制冷裝置研制

王懷光，任國全，范紅波

（軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003）

基于DS18B20溫度傳感器的半導(dǎo)體制冷裝置研制

王懷光，任國全，范紅波

（軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003）

針對大空間半導(dǎo)體制冷裝置設(shè)計問題，研制半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)和溫度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分布式DS18B20溫度傳感器，實現(xiàn)制冷裝置溫度的智能控制與調(diào)節(jié)，得到在不同電流下制冷片兩端的溫差及箱體內(nèi)平均溫度隨制冷片工作時間的變化情況。試驗結(jié)果表明：溫度監(jiān)測系統(tǒng)實時性好，控制精度高，為分析半導(dǎo)體制冷片制冷性能提供數(shù)據(jù)依據(jù)，為研制裝甲車輛駕駛艙半導(dǎo)體制冷裝置奠定理論與試驗基礎(chǔ)。

半導(dǎo)體技術(shù)；制冷裝置；分布式溫度控制；DS18B20溫度傳感器；制冷效率

0 引言

半導(dǎo)體制冷也叫溫差制冷、熱電制冷或電子制冷，是利用“珀爾帖效應(yīng)”進(jìn)行制冷的一種方法[1]。與傳統(tǒng)的制冷技術(shù)相比，熱電制冷具有結(jié)構(gòu)簡單、無任何機(jī)械運(yùn)動部件、無噪聲、無磨損、可靠性高、壽命長、維修方便、體積小、重量輕、啟動快、控制靈活、操作具有可逆性等特點[2-4]。在半導(dǎo)體制冷技術(shù)研究方面，上海交通大學(xué)、海南師范大學(xué)圍繞太陽能半導(dǎo)體冰箱的實驗與性能分析開展了大量研究[5-6]。在發(fā)達(dá)國家，半導(dǎo)體制冷片已用于汽車冰箱、宇航員及坦克乘員的空調(diào)服等方面[7-8]，如日本松下電器公司開發(fā)了半導(dǎo)體電冰箱。但從目前研究情況來看，太陽能半導(dǎo)體制冷技術(shù)的應(yīng)用仍在能量損失、功率輸出的有效控制和優(yōu)化匹配、溫度的智能控制與調(diào)節(jié)等方面有問題。尤其是半導(dǎo)體制冷多應(yīng)用于小空間制冷領(lǐng)域，而對于相對較大空間，如在軍用裝甲車輛駕駛室，半導(dǎo)體制冷裝置如何設(shè)計才能有效提高駕駛員的舒適性，還需進(jìn)一步探討。本文設(shè)計基于分布式DS18B20溫度傳感器的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，實現(xiàn)了大空間下溫度的監(jiān)控和調(diào)節(jié)，分析了半導(dǎo)體制冷片制冷性能的影響因素，為實現(xiàn)裝甲車輛駕駛室半導(dǎo)體制冷裝置奠定一定的理論與試驗基礎(chǔ)。

1 半導(dǎo)體制冷裝置的設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)由制冷部分和溫度測量控制部分組成，如圖1所示[9]。制冷部分由太陽能電池、控制匹配器、儲能設(shè)備和半導(dǎo)體制冷裝置組成。溫度測量與控制部分由DS18B20溫度傳感器、溫度采集電路、PC機(jī)組成。

圖1 半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)組成

太陽能電池輸出直流電，一部分直接供給半導(dǎo)體制冷裝置，另一部分進(jìn)入儲能設(shè)備儲存，以供陰天或晚上使用，使系統(tǒng)可以全天候正常運(yùn)行。太陽能電池選擇單晶硅太陽能電池，按照制冷裝置所需功率選擇電池板的數(shù)量與型號?？刂破ヅ淦魇拐麄€系統(tǒng)的能量傳輸始終處于最佳匹配狀態(tài)，同時對儲能設(shè)備（蓄電池）的過充、過放進(jìn)行控制，并可以調(diào)節(jié)供電時間，從而控制半導(dǎo)體制冷量。

溫度測量與控制部分利用串口通信和單片機(jī)控制技術(shù)，在PC機(jī)上設(shè)定和實時顯示溫度。系統(tǒng)上電初始化后，單片機(jī)采集來自DS18B20溫度傳感器的溫度值，經(jīng)串口送往PC機(jī)實時顯示。當(dāng)需要把溫度控制在某一定值時，可以在PC機(jī)上的用戶軟件中設(shè)定一溫度值，再通過串口傳送給單片機(jī)。單片機(jī)程序計算溫度的測量值和預(yù)設(shè)值的偏差，控制驅(qū)動電路的導(dǎo)通時間，也就控制了半導(dǎo)體制冷器的輸出功率，達(dá)到溫度控制的效果。

1.2 DS18B20溫度傳感器的特點

DS18B20是DALL1S公司推出的增強(qiáng)型單總線溫度傳感器，其性能如下[10]：

電壓適應(yīng)范圍寬：電壓范圍為3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電；

總線數(shù)據(jù)通信：與單片機(jī)連接時僅需一條I/O口線即可進(jìn)行通信；

溫度范圍：-55～125℃，在-10～85℃時準(zhǔn)確度為±0.5℃；

分辨率：9～12位，可通過編程設(shè)定對應(yīng)的分辨率?？煞直鏈囟确謩e為0.5，0.25，0.125，0.0625℃，實現(xiàn)高溫度測量；

轉(zhuǎn)換速度：在9位分辨率時最大轉(zhuǎn)換時間為93.75ms，12位分辨率時最大轉(zhuǎn)換時間僅為750ms；

負(fù)電壓特性：電源極性接反時，DS18B20不會因發(fā)熱而燒壞，只是不能正常工作而己。

1.3 半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)大空間半導(dǎo)體制冷分布式溫度控制與調(diào)節(jié)，設(shè)計半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)試驗裝置。試驗箱尺寸為800 mm×500 mm×500 mm，內(nèi)襯有泡沫保溫層，試驗箱的3面上加工有制冷片的安裝孔，半導(dǎo)體制冷片共3片，箱體內(nèi)置有溫度傳感器的安裝支架。為了實時監(jiān)控制冷片兩端的溫度變化以及箱體內(nèi)的溫度分布，系統(tǒng)采用12個DS18B20數(shù)字式溫度傳感器構(gòu)成分布式溫控系統(tǒng)，安裝位置如圖2所示。1～6號傳感器用于監(jiān)測制冷片冷熱端的溫度，7～9號傳感器用于監(jiān)測箱體內(nèi)的溫度分布，10號傳感器監(jiān)測環(huán)境溫度。

DS18B20只需要接到微處理器的一個I/O口上，單總線為提高負(fù)載能力，需要外接一個4.7kΩ的上拉電阻，DS18B20的電路連接如圖3所示。數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭雰H需要一根接口線來完成，因而使用DS18B20可使溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，便于處理器為多個溫度傳感器進(jìn)行控制。本系統(tǒng)采用10個DS18B20傳感器，為了提高工作的可靠性，微處理器的每個I/O口只與一個傳感器相連，10個傳感器共30條線通過兩個航空插頭連接到智能傳感器節(jié)點。在電路設(shè)計上，為了節(jié)省電路板空間，用10×4.7kΩ的排阻代替10個4.7kΩ的電阻。將航空插頭的30條線通過電路板上的帶螺釘?shù)倪B接器分別與電源、地、信號擰緊連接。

圖3 DS18B20溫度傳感器的電路連接

電源模塊輸入為7～40V，使用12V蓄電池的電壓，且對電源電壓的上下波動有較大的兼容性。輸出為5V，滿足STC89C51單片機(jī)的電源要求，同時滿足了溫度傳感器DS18B20的電源要求。

溫度控制電路采用STC89C51單片機(jī)芯片、TA7267驅(qū)動芯片進(jìn)行設(shè)計。單片機(jī)把DS18B20檢測到的工作溫度與設(shè)定溫度相比較，根據(jù)比較的結(jié)果來相應(yīng)地控制單片機(jī)I/O端口，從而驅(qū)動TA7267芯片輸出電壓信號，控制繼電器電路的通斷，進(jìn)而控制制冷片工作時間，達(dá)到溫度控制的目的，控制原理如圖4所示。

1.4 溫度數(shù)據(jù)顯示軟件設(shè)計

圖4 溫度控制原理框圖

DS18B20溫度傳感器的采集流程如圖5所示。首先對DS18B20芯片進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位就是由控制器（單片機(jī)）給DS18B20單總線至少480μs的低電平信號。在復(fù)位電平結(jié)束之后，控制器應(yīng)該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在15～60 μs后接收存在脈沖，存在脈沖為一個60～240μs的低電平信號。至此，通信雙方已經(jīng)達(dá)成了基本的協(xié)議。雙方達(dá)成協(xié)議后，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，發(fā)送ROM指令給DS18B20之后，發(fā)送存儲器操作指令，操作指令為8位，命令傳感器采集溫度信息，一個存儲器操作指令結(jié)束后，進(jìn)行指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫，操作視存儲器操作指令而定，如執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換指令則控制器必須等待DS18B20執(zhí)行存儲器操作指令，一般轉(zhuǎn)換時間為500μs。如執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫指令需要嚴(yán)格遵循DS18B20的讀寫時序來操作。要讀出當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)需要執(zhí)行兩次工作周期，第一個周期為復(fù)位、跳過ROM指令、執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換存儲器操作指令、等待500μs溫度轉(zhuǎn)換時間。緊接著執(zhí)行第二個周期，為復(fù)位、跳過ROM指令、執(zhí)行讀RAM的存儲器操作指令、讀數(shù)據(jù)。

圖5 溫度傳感器采集流程

為實時了解半導(dǎo)體制冷片的工作情況以及箱體內(nèi)溫度的變化，分布式傳感器系統(tǒng)所采集到的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)RS232接口傳送給上位機(jī)，在上位機(jī)上利用LabWindows/CVI編寫溫度數(shù)據(jù)顯示與處理軟件，能實時顯示環(huán)境溫度、3個制冷片冷熱端溫度以及箱體內(nèi)的平均溫度，軟件界面如圖6所示。

圖6 溫度顯示與處理軟件界面

2 半導(dǎo)體制冷影響因素分析

要實現(xiàn)大空間半導(dǎo)體制冷，制冷片的制冷效率至關(guān)重要，半導(dǎo)體制冷片由若干個制冷熱電偶組成。給熱電偶通電，熱電偶中一個結(jié)點放熱，另一個結(jié)點吸熱，這兩個結(jié)點有溫差，熱量從熱結(jié)點流向冷結(jié)點[11]。根據(jù)熱力學(xué)分析，可以得到一對半導(dǎo)體制冷單元制冷的基本計算公式[12]：

制冷量為

消耗電功率為

制冷系數(shù)為

式中：R——電臂電阻；

α——溫差電動勢率；

K——電偶上的熱導(dǎo)；

ΔT——冷熱端溫度差。

由式（1）可推導(dǎo)出：

從式（4）可知，半導(dǎo)體制冷片熱端散熱量Qh，等于制冷量與所消耗功率P（焦耳熱Qj和傳導(dǎo)熱Qλ）之和，所以，熱端散熱問題是影響制冷效率高低的重要因素，如果不及時把這些熱量傳遞出去，不僅會對制冷效率造成很大影響，而且還會在短時間內(nèi)燒毀制冷片。通過強(qiáng)化熱端散熱方法能使半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)性能得到很大地改善，因此，制冷片冷熱端都裝有由鋁翅片和風(fēng)扇構(gòu)成的散熱裝置。另外，由式（1）可知，電偶的制冷能力還與工作電流I有關(guān)。

3 制冷試驗與數(shù)據(jù)分析

選用半導(dǎo)體制冷片TEC1-12704進(jìn)行試驗。主要考察制冷裝置分布式溫度監(jiān)控情況和制冷片在不同電流下的制冷效果。電流的調(diào)節(jié)通過串聯(lián)不同阻值的大功率電阻來實現(xiàn)，半導(dǎo)體制冷裝置試驗系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 半導(dǎo)體制冷裝置試驗系統(tǒng)

圖8 不同工作電流下制冷片兩端的溫度變化

制冷片分別工作在電流為1.23，1.67，2，2.5A的工況下，不同工作電流下制冷片兩端的溫度變化曲線

及工作時的環(huán)境溫度如圖8所示。DS18B20傳感器所采集到的制冷片冷熱端溫度是制冷片兩端鋁翅片上的溫度，受散熱的影響，采集到熱端溫度要低于真實溫度，冷端溫度則要高于真實溫度，但也能間接體現(xiàn)制冷片兩端的溫度變化情況。

在散熱裝置的作用下，傳感器采集的制冷片熱端溫度隨工作電流的變化不大，均在30℃以下。工作電流分別為1.23，1.67，2A時，冷端溫度隨工作電流的增加而減小。但當(dāng)工作電流達(dá)到2.5A時，冷端溫度略有上升，表明此時的制冷效果隨電流的增加反而降低。這主要是因為隨著電流的增加，熱端的散熱強(qiáng)度有限，更多的熱量傳遞到制冷片的冷端，使冷端溫度升高，影響制冷效果。

圖9為TEC1-12704制冷片在不同工作電流下，DS18B20傳感器采集的箱體內(nèi)平均溫度的變化曲線。在4種工況下，制冷片工作一段時間后箱體內(nèi)的溫度都有不同程度的下降。工作電流為2A時，制冷效果最好，箱體內(nèi)的平均溫度下降了約7℃。由此可見選擇合適的工作電流，制冷片能在較小的功耗下，獲得較好的制冷效果。

圖9 箱體內(nèi)平均溫度變化曲線

4 結(jié)束語

該文設(shè)計的大空間下分布式溫度監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集、記錄制冷片兩端以及箱體內(nèi)的溫度，并能夠通過溫度控制電路，控制半導(dǎo)體制冷片的工作時間，從而控制制冷裝置的箱內(nèi)溫度。從制冷裝置溫度測試結(jié)果可以看出，制冷片存在最佳工作電流，若要對大空間取得較好的制冷效果，制冷系統(tǒng)熱端必須要有足夠大的散熱強(qiáng)度。

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Design of semiconductor refrigerator based on DS18B20 temperature sensor

WANG Huai-guang，REN Guo-quan，F(xiàn)AN Hong-bo
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

In order to solve the design problem of semiconductor refrigerators with large space，the semiconductor refrigeration system and temperature monitoring system were designed.The distributed temperature sensors based on DS18B20 were used to realize the function of intelligent control and modulation.The data condition that reflects the variation of temperature difference between the cold junction and hot junction and the average temperature in the test chamber were got.The test results show that temperature monitoring system have the traits of real-time measuring and accurate controlling.It provides data evidence for analyzing the performance of thermoelectric cooling chip and lays the foundations of theory and experiment for researching and designing the semiconductor refrigerator for the cockpit of armor vehicles.

semiconductor technology；refrigeration device；distributed temperature monitoring；DS18B20 temperature sensor；refrigeration efficiency

TP273；TP212.1+1；TQ051.5；TB61+1

：A

：1674-5124（2014）01-0073-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.020

2013-02-20；

：2013-04-15

軍械工程學(xué)院重點基金項目（YJJ10002）

王懷光（1979-），男，河北滄州市人，講師，博士，主要從事車輛電氣性能檢測、車載半導(dǎo)體制冷技術(shù)方面的研究。