基于單片機(jī)半導(dǎo)體溫度控制系統(tǒng)的研究

唐啟見

（湖南軟件職業(yè)學(xué)院 湖南 湘潭 411100）

1 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展

半導(dǎo)體制冷也稱為熱制冷，利用半導(dǎo)體材料通過電流的作用，一端可以吸收熱量，另一端可以釋放熱量的效應(yīng)（帕爾帖效應(yīng)）實(shí)現(xiàn)制冷或制熱的效果。

早在19世紀(jì)初期，德國(guó)物理學(xué)家塞貝克和法國(guó)科學(xué)家珀?duì)栙N相繼發(fā)現(xiàn)了溫差電效應(yīng)，即在電流的作用下，半導(dǎo)體的兩端可以實(shí)現(xiàn)一端制冷，一端制熱的效應(yīng)，也就是后來的塞貝克效應(yīng)和珀?duì)栙N效應(yīng)。由于當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體材料的限制，導(dǎo)致塞貝克系數(shù)和珀?duì)栙N系數(shù)都很小，半導(dǎo)體制冷技術(shù)并沒有得到大力的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。直到20世紀(jì)初，德國(guó)一位科學(xué)家提出了更好的熱電效應(yīng)，指出要求有較高塞貝克系數(shù)的半導(dǎo)體材料，并提出了相關(guān)的熱電制冷理論。20世紀(jì)30年代，半導(dǎo)體材料與技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，半導(dǎo)體制冷與制熱性能逐漸被人們重視，并開始進(jìn)入到應(yīng)用階段。尤其在二戰(zhàn)期間，因軍事需要，西方各國(guó)科學(xué)紛紛開始對(duì)半導(dǎo)體制冷進(jìn)行研究，如原蘇聯(lián)就利用了半導(dǎo)體制冷原理研究出了一臺(tái)冰箱。由于被廣泛的關(guān)注與研究，半導(dǎo)體制冷技術(shù)越來越成熟，在軍事、醫(yī)療、汽車、酒柜、藥柜等局部范圍制冷的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

我國(guó)半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展起步相對(duì)較晚，但是發(fā)展十分迅猛，這主要是得益于半導(dǎo)體制冷技術(shù)已經(jīng)在歐洲有了大量的研究理論與實(shí)踐應(yīng)用。20世紀(jì)70年代開始認(rèn)識(shí)這門前沿技術(shù)，80年開始初步應(yīng)用，出現(xiàn)了簡(jiǎn)單的小型冷藏箱，用來保存食品。90年代后，半導(dǎo)體制冷技術(shù)得到了大力的推廣，已經(jīng)在日常生活、軍事、醫(yī)療等方面進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)然目前半導(dǎo)體制冷技術(shù)還存在一些不足，如半導(dǎo)體材料的研究近年來沒有太大的突破、半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)熱端散熱不足等問題，制約著半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

2 半導(dǎo)體溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體制冷技術(shù)逐漸成為材料技術(shù)發(fā)展中的熱門技術(shù)。半導(dǎo)體制冷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，幾乎無磨損、無噪音、無污染，且壽命長(zhǎng)，方便控制。因此，半導(dǎo)體制冷技術(shù)在小范圍局部制冷方面有著天然的研究?jī)r(jià)值與應(yīng)用價(jià)值。

2.1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)利用了半導(dǎo)體制冷技術(shù)、溫度傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)以及單片機(jī)的智能控制技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。產(chǎn)品主要由半導(dǎo)體制冷片、溫度傳感器、單片機(jī)等主要元件組成，按功能劃分為五大模塊：制冷模塊、電源模塊、控制模塊、散熱模塊、溫度采集模塊。

電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電，溫度采集模塊把采集溫度并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，供控制模塊處理，控制模塊主要是通過收到的溫度是否在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)，然后發(fā)出是否開啟制冷片制冷的指令，從而實(shí)現(xiàn)某一固定空間的溫度始終保持在一定的區(qū)間，達(dá)到溫度控制的目的。散熱模塊主要帶走制冷片在制冷過程中產(chǎn)生的熱量，以保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

2.2 溫度采集模塊

溫度采集模塊主要用于監(jiān)控溫度，把采集到的溫度及時(shí)地反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過讀取到的溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理?？刂浦评淦娫措娐?。溫度傳感器可選用DS18B20芯片，該芯片為單總線設(shè)計(jì)，電路簡(jiǎn)單，體積小，成本低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，軟件設(shè)計(jì)比較成熟等特點(diǎn)。能夠準(zhǔn)確地為單片機(jī)實(shí)時(shí)控制制冷片制冷效果提供依據(jù)。

2.3 控制模塊

控制模塊主要是通過分析溫度傳感器采集到的溫度信息，實(shí)時(shí)發(fā)出控制指令，控制制冷片在制冷與制熱工作模式間切換，從而保證某一固定區(qū)域達(dá)到恒溫的效果。單片機(jī)芯片選用STC12C2052AD單片機(jī)，該芯片是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼兼容傳統(tǒng)的8051，但速度卻快了8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速8位A/D轉(zhuǎn)換，控制功能強(qiáng)大。滿足本系統(tǒng)的功能需求。

2.4 制冷模塊

本系統(tǒng)的制冷原理是利用半導(dǎo)體的溫差電效應(yīng)，半導(dǎo)體在電流的作用下會(huì)出現(xiàn)吸熱、放熱的現(xiàn)象，通過科學(xué)的方法處理好吸熱、放熱就可以實(shí)現(xiàn)制冷或制熱的目的。半導(dǎo)體制冷片的制冷效果可以通過輸入電流進(jìn)行高精度控制，所以，利用半導(dǎo)體制冷片便于實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)。制冷片技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展起步相對(duì)較晚，由于半導(dǎo)體制冷的優(yōu)越性，我們也有很一部分科研人員對(duì)這項(xiàng)目技術(shù)進(jìn)行了大量的研究與應(yīng)用嘗試，也出現(xiàn)在一系列應(yīng)用產(chǎn)品，如車載冰箱、飲水機(jī)等設(shè)備上。本系統(tǒng)選用的半導(dǎo)體制冷片為TES1-00701，該半導(dǎo)體制冷片具有無回轉(zhuǎn)效應(yīng)，制冷快，溫差大，體積小，噪音小，無震動(dòng)等特點(diǎn)。

2.5 散熱模塊

本系統(tǒng)主要是利用半導(dǎo)體的溫差電效應(yīng)的制冷效果來精確控制溫度，如果不能科學(xué)合理地處理制熱端的散熱問題，制冷效果就會(huì)大打折扣。因此，散熱的處理是本系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的模塊。本系統(tǒng)的散熱方式采用液冷式散熱，利用水泵使散熱管中的冷卻液循環(huán)并進(jìn)行散熱。散熱管采用直徑0.3mm、長(zhǎng)度為1m的硅膠管，在系統(tǒng)內(nèi)部形成一個(gè)封閉的循環(huán)管道，通過冷卻液的循環(huán)流動(dòng)帶走制冷片產(chǎn)生的熱量，冷卻液在散熱管中流動(dòng)不斷將熱量擴(kuò)散到空氣中，從而達(dá)到散熱的目的。液冷散熱具有散熱效果好、環(huán)保等特點(diǎn)。

3 結(jié)語

本文采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，從硬件方面提出了一種基于單片機(jī)控制、制冷片制冷的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)所用到的元件容易購(gòu)買，電路簡(jiǎn)易，效果明顯，成本低廉，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，應(yīng)用價(jià)值可觀。