半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

王成剛，許翻凡

（武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430205）

半導(dǎo)體制冷技術(shù)，又稱(chēng)熱電制冷或溫差電制冷，它同吸收式制冷、機(jī)械壓縮式制冷共稱(chēng)為當(dāng)今三大制冷方式。與后2種方式相比，半導(dǎo)體制冷尺寸小、重量輕，工作中無(wú)液態(tài)、氣態(tài)工作介質(zhì)，故此無(wú)污染，在制冷功率不高的應(yīng)用場(chǎng)合其制冷系數(shù)較高?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體制冷在一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用適合度遠(yuǎn)高于其它方式[1-2]。半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，使人們?cè)谥评浞绞降膶?duì)比、選用中，有了更優(yōu)質(zhì)的選擇。

然而，經(jīng)調(diào)查測(cè)試，實(shí)際應(yīng)用中的半導(dǎo)體制冷溫控產(chǎn)品存在制冷功率不高，制造者過(guò)分在意成本問(wèn)題，而忽視了溫控精度和使用過(guò)程中耗電量較高造成的效率低下等問(wèn)題。為了解決半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)存在的上述短板，綜合考慮控制精度、工作效率等影響系統(tǒng)實(shí)際效果的主要因素，設(shè)計(jì)了半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)，在前人研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了溫控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和控制程序。

1 半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷是以塞貝克效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)、珀?duì)栙N效應(yīng)、傅里葉效應(yīng)和焦耳效應(yīng)為基礎(chǔ)建立起來(lái)的制冷方式。通以一定大小的直流電即可工作，在工作運(yùn)行中伴隨著吸熱、放熱的熱傳遞效應(yīng)。根據(jù)溫差電效應(yīng)關(guān)系，即

其中

π＝αTc

式中：Qp為單位時(shí)間產(chǎn)冷量，J；π為珀?duì)栙N系數(shù)；α為溫差電動(dòng)勢(shì)率；Tc為冷端溫度，K；I為電流大小，A；R為制冷片阻值，Ω；K為半導(dǎo)體材料的傳熱系數(shù)；Th為熱端溫度，K。當(dāng)改變直流電大小或通電時(shí)間時(shí)，其制冷強(qiáng)度和產(chǎn)冷量會(huì)同步改變，同時(shí)改變電流方向可以實(shí)現(xiàn)加熱和制冷2種工作狀態(tài)的切換，控制簡(jiǎn)單，且將這2種相異的工作效應(yīng)集于同一半導(dǎo)體制冷元件上。

從微觀層面上分析，半導(dǎo)體制冷根本原理涉及電子能級(jí)躍遷理論。半導(dǎo)體制冷片由N型半導(dǎo)體材料和P型半導(dǎo)體材料組成，N型材料是在半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，有多余的電子產(chǎn)生負(fù)溫差電勢(shì)；P型材料是在半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)，因電子不足而產(chǎn)生大量空穴，從而為正溫差電勢(shì)。半導(dǎo)體制冷原理如圖1所示，當(dāng)直流電從N型材料經(jīng)金屬導(dǎo)體流向P型材料時(shí)，即電子由低能級(jí)（P型）流向高能級(jí)（N型）發(fā)生能級(jí)躍遷，其務(wù)必會(huì)吸收外界能量以完成躍遷，故成為制冷端。在另一端電流從P型材料流向N型材料，微觀能級(jí)躍遷現(xiàn)象與制冷端相反，向外釋放能量成為放熱端[3-4]。

圖1 半導(dǎo)體制冷原理Fig.1 Schematic of semiconductor refrigeration

在實(shí)際應(yīng)用中，由多對(duì)P型、N型半導(dǎo)體電偶對(duì)組成熱電堆，以此滿(mǎn)足實(shí)際制冷量的需求，所設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)使用TEC1-12706型號(hào)的單級(jí)半導(dǎo)體制冷片。其具有127對(duì)半導(dǎo)體電偶對(duì)，額定輸入電壓12.0 V，最大溫差電流6.0 A，最大溫差可達(dá)60～70℃。與其配套使用的還包括散熱風(fēng)扇、導(dǎo)熱塊等散熱裝置。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，采用模塊化分解設(shè)計(jì)方法，將整個(gè)系統(tǒng)分為溫度檢測(cè)模塊檢測(cè)溫度，單片機(jī)控制模塊輸出控制信號(hào)，按鍵調(diào)整輸入模塊起到溫度設(shè)置完成人機(jī)交互的功能，1602液晶顯示模塊用于顯示設(shè)置溫度和實(shí)時(shí)溫度。同時(shí)，該系統(tǒng)還包括電源供能模塊、USB轉(zhuǎn)串口通信模塊和H橋驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊。各模塊的單獨(dú)設(shè)計(jì)與整體調(diào)試相互結(jié)合，共同構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)硬件部分[5]。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)正常工作，其最基本的硬件架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.2 System hardware structure

2.1 溫度檢測(cè)模塊

在溫度傳感器的選用上，綜合對(duì)比各類(lèi)傳感器的測(cè)溫精度、使用便捷與否以及與所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的契合程度等因素，以確定使用最為合適的測(cè)溫傳感器。當(dāng)前使用最多的溫度傳感器有：熱電偶溫度傳感器、熱敏電阻溫度傳感器、IC溫度傳感器等。其中，熱電偶傳感器靈敏度低，易受環(huán)境干擾，精度不高，一般不宜用于檢測(cè)微小變化的溫度值；熱敏電阻傳感器接線復(fù)雜，不易讀取數(shù)值；IC溫度傳感器連線簡(jiǎn)單，讀數(shù)方便，此類(lèi)傳感器均能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、轉(zhuǎn)換和保存溫度值等功能，其眾多優(yōu)點(diǎn)是前兩者所無(wú)法比擬的，應(yīng)用非常廣泛。

故該系統(tǒng)選用美信Dallas公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，它屬于“一線總線”式接口IC溫度傳感器。使用時(shí)，只需將DS18B20的數(shù)據(jù)引線和單片機(jī)其中1個(gè)I/O接口接上，通過(guò)1-Wire協(xié)議與DS18B20進(jìn)行通信即可將溫度讀出，其電路連接原理如圖3所示[6]。通過(guò)軟件程序的設(shè)定，直接輸出最低9位、最高12位分辨率可調(diào)的數(shù)字溫度值，無(wú)需外增A/D轉(zhuǎn)換，極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)量。其測(cè)溫范圍-55～125℃，在-10～85℃內(nèi)測(cè)溫最可靠，工作電壓3～5 V。

圖3 DS18B20電路連接Fig.3 DS18B20 circuit connection

2.2 單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)控制模塊是整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的核心控制模塊，通過(guò)接收溫度傳感器傳來(lái)的溫度值并與設(shè)置的目標(biāo)溫度進(jìn)行分段式PID算法對(duì)比分析，輸出一定的控制信號(hào)作用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊控制制冷器的運(yùn)行狀態(tài)[7]。在滿(mǎn)足本系統(tǒng)基本控制要求的同時(shí)考慮成本，選用STC89C52RC型單片機(jī)為主控芯片。該系列單片機(jī)具有低功耗、超低價(jià)、高速可靠和強(qiáng)抗干擾性等優(yōu)點(diǎn)。但由于所選單片機(jī)未內(nèi)置PWM模塊，故在此通過(guò)使用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T0定時(shí)改變P0.0的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM控制：1個(gè)周期內(nèi)重載2次定時(shí)器初值，即用2個(gè)不同的初值來(lái)控制高低電平的不同持續(xù)時(shí)間，以此改變通過(guò)制冷片電流的方向和時(shí)間，進(jìn)而改變其產(chǎn)冷量。

2.3 H橋驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊

H橋驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)常作為直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)和適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)研究比較發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體制冷片和直流電機(jī)有著眾多相似之處：工作中都通以直流電、工作性質(zhì)的轉(zhuǎn)變由直流電方向控制和直流電大小決定工作強(qiáng)度等。因此將H橋驅(qū)動(dòng)電路引入半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)中。

典型的由4個(gè)MOS管（1對(duì)N溝道、1對(duì)P溝道MOS管）呈矩形，對(duì)角為不同溝道排列組成的H橋驅(qū)動(dòng)電路，在接收到單片機(jī)輸出的PWM控制信號(hào)時(shí)會(huì)導(dǎo)通不同對(duì)角的2個(gè)MOS管，使得流過(guò)半導(dǎo)體制冷片的電流方向相異，進(jìn)而完成制冷/制熱的切換。同時(shí)控制信號(hào)高低電平持續(xù)時(shí)間的改變可實(shí)現(xiàn)制冷制熱工作強(qiáng)度的控制[8-9]。在設(shè)計(jì)使用中，H橋驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊采用S-80-12型開(kāi)關(guān)電源單獨(dú)供能，以此滿(mǎn)足半導(dǎo)體制冷片正常工作的功率要求。

3 軟件算法設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)電路搭建完成的前提下設(shè)計(jì)使用分段式PID控制算法。該算法以PID算法為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)而實(shí)現(xiàn)。PID控制全稱(chēng)比例-積分-微分控制，這3部分相互結(jié)合對(duì)系統(tǒng)誤差和誤差變化率進(jìn)行計(jì)算，得出相應(yīng)控制量，分別在響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)特性（如超調(diào)量）方面對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行改善。PID控制算法離散化的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：u（k）為算法輸出的控制量；Kp為比例系數(shù)；e（k）為設(shè)置溫度與第k次測(cè)得溫度的差值；k為采樣次數(shù)，k=0，1，2，3，…；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)。經(jīng)分析測(cè)定，所設(shè)計(jì)算法在系統(tǒng)運(yùn)行工作中可以顯著提升系統(tǒng)響應(yīng)速度，降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)間，有效地減小系統(tǒng)超調(diào)量等。

在算法設(shè)計(jì)中，設(shè)定了一個(gè)溫度范圍（-a，a）。當(dāng)e（k）在此范圍內(nèi)時(shí)采用PID控制算法，提升系統(tǒng)在小溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性；若e（k）不在此范圍內(nèi)時(shí)系統(tǒng)將輸出全脈寬進(jìn)行制冷制熱調(diào)節(jié)，以此加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，及時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)的整體軟件程序使用Keil μVision4進(jìn)行編寫(xiě)調(diào)試，其主要包括：主程序、DS18B20驅(qū)動(dòng)讀取程序、1602液晶顯示程序、按鍵驅(qū)動(dòng)程序和PWM波配置程序等。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程Fig.4 System flow chart

4 實(shí)測(cè)結(jié)果

在實(shí)際測(cè)試中，室內(nèi)溫度難以精確控制，而經(jīng)實(shí)測(cè)其大致穩(wěn)定在26℃左右，故以此為初始溫度進(jìn)行制冷控制試驗(yàn)。以設(shè)置溫度為變量（15，10，5，0℃等），測(cè)得所設(shè)計(jì)半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)最終基本可以穩(wěn)定在設(shè)置溫度±0.05℃內(nèi)。發(fā)現(xiàn)在設(shè)置溫度低于0℃的情況下，系統(tǒng)制冷效果會(huì)大大減弱，這主要是由于隨著系統(tǒng)制冷量的增加，散熱端散熱不及時(shí)，所采用的散熱方式變得不再合理所造成的；系統(tǒng)的最大超調(diào)量在5℃以?xún)?nèi)，足以滿(mǎn)足各領(lǐng)域在此方面的應(yīng)用需求。此外，系統(tǒng)制冷響應(yīng)迅速，可在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的制冷量，這也是半導(dǎo)體制冷與其他制冷方式最大的優(yōu)勢(shì)所在。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試與應(yīng)用的結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)制冷控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便，控溫效果優(yōu)良，并且由于制冷過(guò)程迅速，在相同條件下能耗較低等優(yōu)點(diǎn)?；谄湓趯?shí)測(cè)過(guò)程中各項(xiàng)基礎(chǔ)性能的表現(xiàn)之上的分析，該系統(tǒng)適用于小型恒溫箱、實(shí)驗(yàn)儀器恒溫控制（如激光器）、血液儲(chǔ)存設(shè)備等眾多領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用推廣性。

5 結(jié)語(yǔ)

所設(shè)計(jì)半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)集測(cè)溫、顯示、設(shè)置、控溫于一體，使用STC89C52RC單片機(jī)作為控制核心芯片，DS18B20溫度傳感器為溫度檢測(cè)元件，引入H橋驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片工作，同時(shí)使用分段式PID控制算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控溫。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行，操作方便，工作性能優(yōu)良。由于系統(tǒng)的主要集中在系統(tǒng)構(gòu)造實(shí)現(xiàn)上，而在半導(dǎo)體制冷片散熱端散熱方式的選擇上使用了最為實(shí)用的強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，未考慮最佳散熱方式來(lái)提高制冷片的制冷強(qiáng)度，如水冷散熱或熱管式散熱等。此方面的設(shè)計(jì)試驗(yàn)可作為今后研究的指導(dǎo)方向，以彌補(bǔ)不足。