淺談半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

侯衛(wèi)衛(wèi)

（山東經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261011）

在半導(dǎo)體制冷技術(shù)使用中，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷溫控產(chǎn)品還存在制冷功率不高的問(wèn)題，并且在進(jìn)行產(chǎn)品制造時(shí)，制作者過(guò)于重視成本問(wèn)題，而對(duì)溫度把控的準(zhǔn)確度和使用中出現(xiàn)耗電較高的問(wèn)題并沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行解決。因此，為了更高效對(duì)半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)中所出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行解決，嘗試基于前人研究成果，從系統(tǒng)溫度把控準(zhǔn)確度與縮減耗能等方面著手，構(gòu)建更完善的半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)，為我國(guó)半導(dǎo)體體制冷技術(shù)的研發(fā)與推廣作出積極貢獻(xiàn)。

1 半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷技術(shù)并非憑空產(chǎn)生，在研究湯姆遜效應(yīng)、傅里葉效應(yīng)等效應(yīng)且積累較多成果與經(jīng)驗(yàn)前提下，根據(jù)實(shí)際需求所建立的制冷技術(shù)，該技術(shù)是通過(guò)一定大小的電流控制有效確保半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中往往會(huì)出現(xiàn)放熱、吸熱等熱量傳遞情況。結(jié)合客觀存在的溫差電效應(yīng)關(guān)系，得出等式：Qp=πI- I2R-K (Th-Tc)，在這個(gè)等式中π=aTc，其中Qp為主要單位時(shí)間的總體產(chǎn)量，J；π 為珀?duì)栙N系數(shù)；a 為溫差中的電動(dòng)勢(shì)率；Tc為主要的冷端溫度，K；I 主要是電流大小的顯示，A；R 是制冷片的阻值，Ω；K 主要是半導(dǎo)體采制的傳熱主要系數(shù)；Th主要是熱端溫度，K?？梢愿膭?dòng)的條件共計(jì)兩點(diǎn)，一是直流電大小，二是通電時(shí)長(zhǎng)，隨之發(fā)生改變的是產(chǎn)冷量和制冷強(qiáng)度，并且往往會(huì)造成電流方式的變化，從而有效實(shí)現(xiàn)電流加熱和電流制冷兩種檔位的靈活轉(zhuǎn)變。這種控制步驟整體來(lái)講比較簡(jiǎn)單，且兩種相異工作狀態(tài)，可以通過(guò)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。P 勢(shì)材料的應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體出現(xiàn)主雜質(zhì)，造成這種現(xiàn)狀的緣由是較多空穴密切，通常將這種情況稱為正溫差電勢(shì)?；诎雽?dǎo)體制冷原理圖1，能夠明顯地看出，當(dāng)直流電從N 型半導(dǎo)體材料通過(guò)導(dǎo)體流入到P 型材料中，會(huì)出現(xiàn)電子從低能級(jí)(P 型)轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芗?jí)(N 型)的狀況，且在這一轉(zhuǎn)變中會(huì)出現(xiàn)一定的能級(jí)躍遷，所以勢(shì)必會(huì)對(duì)外界的能力進(jìn)行吸納用以完成躍遷活動(dòng)，最終形成制冷端。同時(shí)，相對(duì)的一端電流，通過(guò)P 型材料流入N 型材料，在微觀制冷端相反和能級(jí)躍遷現(xiàn)象加持下，對(duì)外釋放能力則視為放熱端。

圖1 半導(dǎo)體制冷原理示意圖

在實(shí)踐運(yùn)行中，主要是通過(guò)對(duì)P 型和N 型的半導(dǎo)電偶從而變成熱點(diǎn)堆，這樣可以有效對(duì)制冷量進(jìn)行控制，單機(jī)半導(dǎo)體制冷片需要酌情選用，多數(shù)時(shí)候使用TEC1-12706 型號(hào)。之所以選擇該型號(hào)，與其具備127 對(duì)半導(dǎo)體電偶對(duì)相關(guān)，可輸入12.0 v 電壓，以滿足實(shí)際需求，而最大溫差電流最高可達(dá)到6.0A,溫度最大值在60-70℃。在單級(jí)半導(dǎo)體制冷片共同參與下，還有導(dǎo)熱塊、散熱風(fēng)扇等多種散熱設(shè)備。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)中的硬件設(shè)施，主要是通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)將整個(gè)溫度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行劃分，在使用中主要通過(guò)單片機(jī)控制模塊，完成整個(gè)信號(hào)的輸出管控；利用溫度檢測(cè)模塊，完成整體的溫度管控設(shè)置，通過(guò)按鍵有效進(jìn)行人機(jī)交互功能轉(zhuǎn)換，在1602 液晶顯示中主要通過(guò)設(shè)置溫度和實(shí)時(shí)溫度完成監(jiān)控。另外，單片機(jī)控制模塊主要包含電源供能模塊，其中USB 轉(zhuǎn)口可以與通信模塊以及H 橋驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊進(jìn)行整合使用。其中每一個(gè)模塊都擁有單獨(dú)設(shè)計(jì)，且能與整體實(shí)現(xiàn)調(diào)整與融合，組合成更具穩(wěn)定性與操作性的溫度控制系統(tǒng)硬件部分。為了更加有效保證該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，基本的硬件構(gòu)建圖具體見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 溫度檢測(cè)模塊

在溫度檢測(cè)模塊的使用選擇上，通過(guò)對(duì)各種傳感器的測(cè)溫準(zhǔn)確度、使用方便以及該設(shè)計(jì)系統(tǒng)適合度進(jìn)行綜合性對(duì)比分析，整合出最佳的傳感器影響因素，方可便利后續(xù)在測(cè)溫傳感器上選擇，可更輕松找到合適型號(hào)。一般情況下，生活中多選用三種溫度傳感器，即熱電偶溫度傳感器、熱敏電阻溫度傳感器、IC 溫度傳感器。就靈敏度而言，不建議選用熱電偶溫度傳感器，并且特別容易被工作環(huán)境影響，從而導(dǎo)致測(cè)量的溫度數(shù)值準(zhǔn)確度并不高，往往用在微小變化溫度值測(cè)量工作上，并不會(huì)用于較大傳感器的使用；熱敏電阻溫度傳感器，通常連接的線路較為龐大復(fù)雜，在工作使用中并不容易對(duì)數(shù)值完成有效識(shí)別；IC 溫度傳感器，整體線路的連接屬于較為簡(jiǎn)單系列，并且在工作使用中數(shù)值讀數(shù)相對(duì)來(lái)講比較方便、直觀。在實(shí)際檢測(cè)中采用IC 溫度傳感器可以高質(zhì)量完成測(cè)試、轉(zhuǎn)換以及對(duì)溫度值的保存等功能，這些優(yōu)勢(shì)都是前兩種傳感器所不能比肩的。也正是因?yàn)镮C 溫度傳感器的這些優(yōu)勢(shì)，使得其應(yīng)用推廣前景相對(duì)更好，更受人們歡迎。

基于此，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)建議將輾選結(jié)果確定為美信Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20 數(shù)字化溫度傳感器，該型號(hào)的IC 溫度傳感器接口為“一線總線”樣式，便捷系數(shù)更高。IC 溫度傳感器在實(shí)踐應(yīng)用中，只需簡(jiǎn)單將DS18B20 數(shù)據(jù)引線連接單片機(jī)中的任意一個(gè)I/O 接口，借助1-wire 協(xié)議與DS18B20 達(dá)成通信目的，這樣可以對(duì)測(cè)試溫度進(jìn)行有效讀數(shù)，詳細(xì)狀況可以透過(guò)對(duì)電路連接原理的解讀去發(fā)現(xiàn)。在軟件程序的特定設(shè)置前提下，即可對(duì)最低的9 位以及最高12 位輸出進(jìn)行辨別，在明確分辨率基礎(chǔ)上科學(xué)設(shè)置數(shù)字溫度值，在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中并不需要進(jìn)行外A/D 轉(zhuǎn)換，從而有效的將系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)量進(jìn)行了全面簡(jiǎn)化。整體有效測(cè)溫范圍主要集中在-55-125℃，在-10-85℃范圍內(nèi)所得出的測(cè)溫最為明確、可靠，相對(duì)應(yīng)所需工作電壓集中在3-5V。

2.2 單片機(jī)控制模塊

以單片機(jī)控制模板為關(guān)鍵元件，能夠高效管理溫度控制系統(tǒng)。在溫度傳感器提示的溫度值中，選用分段式算法對(duì)數(shù)值進(jìn)行綜合對(duì)比分析，以保證單片機(jī)控制模板來(lái)有效管控信號(hào)輸出，自可加強(qiáng)對(duì)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊全面把控，如此才可對(duì)系統(tǒng)制冷器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)加強(qiáng)管控。另外，在單片機(jī)控制模板系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)下，還需要在使用中對(duì)單片機(jī)控制模板系統(tǒng)的成本進(jìn)行合理控制，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)在成本核算范圍內(nèi)，選擇STC89C52RC 型單片機(jī)為主的控制芯片。這一類型的單片機(jī)控制模板具有高速可靠、較低功耗、超低價(jià)等諸多優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)值得肯定。但是，在這一類型單片機(jī)在設(shè)計(jì)中并沒(méi)有安裝對(duì)應(yīng)的PM模塊，所以需要借助單片機(jī)內(nèi)部的定制器來(lái)確保系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)TO 轉(zhuǎn)變使對(duì)應(yīng)輸出進(jìn)行有效改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM的控制，并且在一周之內(nèi)對(duì)定時(shí)器初值進(jìn)行2 次的重載，主要是通過(guò)對(duì)兩個(gè)不同的初值來(lái)對(duì)高低電平實(shí)現(xiàn)差異持續(xù)時(shí)間的控制，這樣可以有效的對(duì)制冷片電流方向以及電流時(shí)間進(jìn)行改變，從而使其產(chǎn)冷量發(fā)生變化。

2.3 H 橋驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊

H 橋驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊在使用中，往往都是以直流定動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)控制來(lái)完成把控，并且H 橋驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)能力較高以及使用范圍較為廣泛的特點(diǎn)。在對(duì)H 橋驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊使用中發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體制冷片和直流電機(jī)中存在較多類似情況，主要表現(xiàn)在使用中均可以直接通過(guò)直流電和工作性質(zhì)發(fā)生關(guān)系，并通過(guò)直流電方式和直流電大小情況來(lái)進(jìn)行工作強(qiáng)度的綜合控制。所以在半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)中進(jìn)行H 橋驅(qū)動(dòng)電路的融入，可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行有效運(yùn)用。

在半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)中，主要是通過(guò)4 個(gè)MOS管(1 對(duì)N 溝道、1 對(duì)p 溝道MOS 管)所形成的性轉(zhuǎn)，來(lái)對(duì)不是溝道組成的H 橋驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制。并且在進(jìn)行單片的傳輸和信號(hào)的控制接收環(huán)節(jié)中，可能會(huì)因?yàn)閷?dǎo)通的不同導(dǎo)致對(duì)角的MOS 管無(wú)法正常使用。這樣能夠使半導(dǎo)體制冷片中的電流的方向出現(xiàn)相異情況，從而更加有效完成制冷和制熱兩種狀態(tài)的變換。在輸出信號(hào)出現(xiàn)變化過(guò)程中，需要對(duì)持續(xù)時(shí)間進(jìn)行有效控制，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)制冷制熱工作強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在利用H 橋驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊系統(tǒng)工作時(shí)，模塊主要是利用對(duì)應(yīng)型號(hào)開(kāi)關(guān)電源完成獨(dú)立供電功能，這樣可以更有效滿足半導(dǎo)體制冷片對(duì)工作效率的需求，提高系統(tǒng)整體運(yùn)行水平。

3 軟件算法設(shè)計(jì)

在完成系統(tǒng)電流搭建以后，采取分段式PID 控制算法。分段式PID 控制算法的使用，主要是以PID 算法為主完成整個(gè)環(huán)節(jié)的完善和改進(jìn)。在分段式PID 控制算法主要是對(duì)其中的比例、積分以及微分三大維度進(jìn)行有機(jī)整合，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的誤差進(jìn)行測(cè)量與計(jì)算，算出最為合理的控制量，進(jìn)而得出相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差等層面的響應(yīng)控制結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)誤差的優(yōu)化。其中計(jì)算的主要數(shù)學(xué)表達(dá)式是：u(k)=Kpe(k)+KI∑e(j)+KD[e(k)-e(k-1)]。在等式中，u(k)主要是算法進(jìn)行一定輸出的控制量；Kp主要是比例的系數(shù)；e(k)主要是在進(jìn)行溫度設(shè)置中和第K 次進(jìn)行測(cè)試溫度之間的差值；K 為采集樣本的次數(shù)，k=0,1,2,3, …；KI主要是積分的對(duì)應(yīng)系數(shù)；KD是微分對(duì)應(yīng)系數(shù)。在測(cè)試中可以得出，在設(shè)計(jì)算法系統(tǒng)使用中能夠明顯提高整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)答效果，有效縮減系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定的時(shí)間，確保系統(tǒng)中潛在問(wèn)題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)與解決。

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效計(jì)算時(shí)，需要設(shè)定一定溫度范圍并在此范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。比如在一定范圍中進(jìn)行控制算法的運(yùn)用，這樣可以有效提高系統(tǒng)在溫度中的穩(wěn)定性：如果e(k)并沒(méi)有在一定范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)將對(duì)制冷制熱調(diào)節(jié)輸入全脈寬，從而有效提高系統(tǒng)運(yùn)行的效果，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，可以通過(guò)使用KeiluVision4 方式進(jìn)行轉(zhuǎn)變，對(duì)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波配置程序等進(jìn)行有效融合。整體系統(tǒng)的流程圖可以從圖3 中看出。

圖3 系統(tǒng)流程圖

4 實(shí)測(cè)結(jié)果

在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，室內(nèi)溫度無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行控制，在實(shí)際進(jìn)行測(cè)試中通常穩(wěn)定在26℃上下，所以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)初始溫度可控制在該溫度值上開(kāi)展制冷控制實(shí)驗(yàn)。并且一般將溫度控制變量選擇在15-0 攝氏度范圍內(nèi)，進(jìn)而得出半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)溫度設(shè)定通常穩(wěn)固在0.05 攝氏度左右。同時(shí)在進(jìn)行測(cè)試中可以看出，如果設(shè)定溫度比0℃溫度低時(shí)，半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的制冷效果會(huì)嚴(yán)重下降，這種情況的出現(xiàn)主要是因?yàn)榘雽?dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)制冷量的提高，會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，散熱段并沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行散熱，導(dǎo)致系統(tǒng)散熱的方式不再合理，最終使得無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果；半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)最大的超調(diào)量主要是在5℃以內(nèi)，可以有效滿足各種領(lǐng)域中對(duì)這一方面的使用要求。除此之外，半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)響速度較快，并且在短時(shí)間中可以形成大量的制冷量，這也是半導(dǎo)體制冷和其他制冷方式中最具有優(yōu)勢(shì)的地方。

經(jīng)過(guò)對(duì)半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行有效的測(cè)試實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)制冷控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并且在使用中較為方便，具有較為顯著的控溫效果，且制冷過(guò)程較為快速，與其他制冷方式相對(duì)具有能耗低、控溫能力強(qiáng)的特點(diǎn)。本次進(jìn)行實(shí)測(cè)過(guò)程中通過(guò)對(duì)各種基礎(chǔ)性能的對(duì)比分析，半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)適合在較小的恒溫實(shí)驗(yàn)、血液儲(chǔ)備保存、激光實(shí)驗(yàn)儀器等諸多領(lǐng)域，在日常生活中可以進(jìn)行較為廣泛地使用。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文中設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體冷溫度控制系統(tǒng)，是集溫度測(cè)量、數(shù)值顯示、溫度控制等不同功能于一身，選擇對(duì)應(yīng)型號(hào)單片機(jī)為主要控制核心芯片，同時(shí)使用相應(yīng)型號(hào)溫度傳感器為主要溫度測(cè)量軟件，并選擇H 橋驅(qū)動(dòng)電路作為電力驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷進(jìn)行使用，采用分段式的計(jì)算方式來(lái)對(duì)整個(gè)自動(dòng)控溫系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。從上述實(shí)際測(cè)試結(jié)果中可以看出，所設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并且在日常運(yùn)行工作中操作相對(duì)較為便捷，具備較好的工作性能，更能滿足人們對(duì)不同工作環(huán)境的需求，期望通過(guò)設(shè)計(jì)研究能夠?yàn)楹罄m(xù)工作提供有益參考。