基于TEC 的溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜 帥

（遼寧大學(xué)信息學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常用的控制參數(shù)，在很多工業(yè)生產(chǎn)中直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。溫控系統(tǒng)是溫度控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種用于檢測(cè)和控制被控物體溫度的系統(tǒng)，通常包括溫度傳感器、控制器、執(zhí)行器等。通過(guò)自動(dòng)化的控制和監(jiān)測(cè)，比較設(shè)定溫度和實(shí)際溫度的差值，實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)和控制。溫控系統(tǒng)可以確保系統(tǒng)內(nèi)部的溫度始終保持在預(yù)定的范圍內(nèi)，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行和產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定。實(shí)際應(yīng)用中，溫度控制還需要考慮控制精度、控制穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、控制范圍等因素，以實(shí)現(xiàn)溫度控制的最佳效果。近年來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來(lái)越智能化和高效化，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越多樣，例如溫控器、恒溫水浴器、恒溫培養(yǎng)箱等，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、生物醫(yī)學(xué)、食品加工、化工企業(yè)等多領(lǐng)域得到了不可或缺的應(yīng)用[1-4]。

光伏發(fā)電是指通過(guò)光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。太陽(yáng)能電池板是光伏發(fā)電的核心，通常由硅等半導(dǎo)體制成。太陽(yáng)能電池板通常采用多個(gè)組件串并聯(lián)組成一個(gè)電池組，以獲得所需電流或電壓的輸出。結(jié)合蓄電池，可用于存儲(chǔ)電能，在光照不充足的情況下，一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)提供電能。近些年，隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)研究的不斷深入，光伏發(fā)電在家庭、公共交通、測(cè)量?jī)x器能源系統(tǒng)等方面有了大量應(yīng)用[5-8]。而在溫控的細(xì)分領(lǐng)域，光伏應(yīng)用的研究還存在很大空間。因此，將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于溫控系統(tǒng)中依然具有很高的研究?jī)r(jià)值。

綜上所述，本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于熱電制冷器（Thermo Electric Cooler，TEC）的小型溫控系統(tǒng)，利用光伏發(fā)電技術(shù)為溫控系統(tǒng)提供持續(xù)的能量，并對(duì)其工作原理進(jìn)行了分析，最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。與傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)無(wú)需外界供電即可實(shí)現(xiàn)對(duì)被控樣品的制熱或是制冷，系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)太陽(yáng)能發(fā)電及蓄電池組直接的能量交換即可實(shí)現(xiàn)電能的自給自足，具有可靠性高、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 熱電制冷器（TEC）原理

熱電制冷器（Thermoelectric cooler，TEC）是一種固態(tài)器件，它采用了珀?duì)柼?yīng)，即法國(guó)科學(xué)家珀?duì)柼l(fā)現(xiàn)的熱電制冷和制熱現(xiàn)象（又稱(chēng)溫差電效應(yīng)），將能量從被控物體中轉(zhuǎn)移，以降低或增加被控物體的溫度。熱電制冷器的基本元件是P 型和N 型半導(dǎo)體元件連接而成的熱電偶對(duì)，這些半導(dǎo)體材料片之間通過(guò)金屬電極連接，形成一個(gè)熱電回路。當(dāng)熱電偶對(duì)中通上電流，電子和空穴將分別從金屬片流進(jìn)N 型和P 型半導(dǎo)體，而這個(gè)過(guò)程所吸收的熱量是要大于通過(guò)金屬片時(shí)產(chǎn)生的熱量的，從而使金屬片溫度降低，被控物體被降溫。而當(dāng)電子和空穴從N 和P 型半導(dǎo)體流進(jìn)金屬片時(shí)，電子和空穴結(jié)合釋放出的熱量則大于其帶走了的熱量，使金屬片溫度升高，從而加熱被控物體[9-10]。

TEC 可以用于制冷、加熱和穩(wěn)定的溫度控制等領(lǐng)域。其具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、重量輕；操作靜音、無(wú)污染；穩(wěn)定性好、調(diào)節(jié)溫度精度高；無(wú)需維護(hù)，壽命較長(zhǎng)等。此外，熱電制冷器在某些特殊場(chǎng)合下也具有很好的應(yīng)用前景，例如宇航技術(shù)中，由于宇宙中的真空環(huán)境，可以使用熱電制冷器來(lái)控制儀器溫度。需要注意的是，TEC 在高溫差下容易損壞，所以在應(yīng)用TEC 時(shí)應(yīng)根據(jù)其規(guī)格和工作條件等因素進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和控制，以保證其正常的工作和使用壽命。熱電制冷器通常用于小功率、低溫度的制冷應(yīng)用，例如在微型冷卻器、溫度控制器和溫度補(bǔ)償器等方面得到廣泛應(yīng)用。在未來(lái)，隨著人們對(duì)于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的重視，熱電制冷器將成為一種具有重要應(yīng)用價(jià)值的設(shè)備，將為各行各業(yè)帶來(lái)更多的創(chuàng)新和發(fā)展機(jī)遇。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)析

如圖1 所示，本系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：光伏發(fā)電電路模塊、蓄電池雙向變換電路模塊、控制電路模塊、TEC 電路模塊、人機(jī)交互平臺(tái)模塊。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.光伏發(fā)電電路模塊：包括光伏陣列以及后面的降壓穩(wěn)壓模塊。光伏陣列由4 塊12V，50W 的太陽(yáng)能電池板串聯(lián)而成，經(jīng)過(guò)降壓穩(wěn)壓電路，穩(wěn)定輸出12V電流。

2.蓄電池雙向變換電路模塊：主要包括蓄電池組和充放電電路，蓄電池組由一節(jié)12V，30Ah 蓄電池構(gòu)成。在光照充足且蓄電池電量不足的情況下從光伏陣列為蓄電池充電，在光照不足的情況下作為電源放電，以保證在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)的電能供應(yīng)。

3.控制電路模塊：包括單片機(jī)MSP430、溫度傳感器等，負(fù)責(zé)采集被控物體的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)與設(shè)定溫度的差值來(lái)控制系統(tǒng)的升降溫。通過(guò)對(duì)收集到的電壓、溫度信號(hào)進(jìn)行處理與判斷，單片機(jī)會(huì)對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊發(fā)送控制信號(hào)，控制各個(gè)模塊的工作狀態(tài)，并通過(guò)人機(jī)交互平臺(tái)顯示出當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)。MSP430 采集光伏陣列兩端的電壓，當(dāng)其大于40V 時(shí)，說(shuō)明此時(shí)光照充足，降壓穩(wěn)壓模塊開(kāi)始工作，為系統(tǒng)提供所需電能[11-12]。之后，檢測(cè)蓄電池組兩端電壓，當(dāng)其小于10V（蓄電池組由一節(jié)12V，30Ah 蓄電池構(gòu)成）且太陽(yáng)能電池板光照充足時(shí)，開(kāi)啟充電電路，光伏陣列在為T(mén)EC 供電的同時(shí)也將多余的能量存入蓄電池中；當(dāng)蓄電池電壓大于10V 且太陽(yáng)能電池板光照充足時(shí)，蓄電池雙向變換電路暫不工作，系統(tǒng)的供電由光伏陣列提供；當(dāng)蓄電池兩端電壓大于10V，光伏陣列兩端電壓小于40V 時(shí)，說(shuō)明此時(shí)光照不足以提供系統(tǒng)所需電能，此時(shí)通過(guò)單片機(jī)控制蓄電池組放電電路開(kāi)始工作，系統(tǒng)不足的能量由蓄電池提供；當(dāng)光伏陣列兩端電壓小于40V，蓄電池電壓小于10V 時(shí)，說(shuō)明整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入欠壓狀態(tài)，TEC 電路停止工作并通過(guò)顯示屏提示此時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)[13]。

4.TEC 電路模塊：它是本系統(tǒng)的溫控模塊，由TEC電路組成。因TEC 器件需要穩(wěn)定可靠的直流電源，通過(guò)控制模塊對(duì)光伏發(fā)電電路及蓄電池雙向變換電路的控制，可以使母線(xiàn)電壓穩(wěn)定為12V 直流。包括熱電制冷器及其驅(qū)動(dòng)器，在控制模塊的控制下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的制冷或制熱。使用鍵盤(pán)輸入被控樣品的待控溫度，并將此值送入單片機(jī)當(dāng)中。同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)溫度采集，將被控樣品的實(shí)時(shí)溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字量后送入單片機(jī)當(dāng)中。在單片機(jī)中，通過(guò)比較采集到的預(yù)置溫度的數(shù)字量與樣品實(shí)時(shí)溫度的數(shù)字量，來(lái)判定對(duì)樣品的加熱或是制冷[14-15]。

5.人機(jī)交互平臺(tái)模塊：包括顯示屏及控制鍵盤(pán)。用于顯示被控樣品實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)、設(shè)定預(yù)期溫度值等參數(shù)，以及進(jìn)行操作和控制。圖2 為實(shí)驗(yàn)室條件下整體系統(tǒng)實(shí)物模型，此實(shí)物模型目前僅用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫控?cái)?shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)實(shí)物模型

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度25℃，并且太陽(yáng)能電池板受到充足光照的情況下，調(diào)試系統(tǒng)的硬件及軟件，使用示波器測(cè)試光伏陣列電壓為48V，蓄電池兩端電壓為12V，母線(xiàn)電壓穩(wěn)定為12V。

通過(guò)對(duì)圖2 中鍵盤(pán)的設(shè)置，分別對(duì)水、冰紅茶、洗潔精三種樣品（各100mL）進(jìn)行升降溫實(shí)驗(yàn)，由于TEC 器件在高溫差下容易損壞，設(shè)置上限溫度60℃，下限溫度20℃。各樣品在升溫、降溫過(guò)程中，均能夠較好地完成升溫到60℃以下或降溫到20℃以上的任務(wù)，控制偏差穩(wěn)定在±1℃之內(nèi)。與傳統(tǒng)的水浴加熱法相比，不僅控溫速度快，還能進(jìn)行小范圍精確的降溫處理。但是由于該系統(tǒng)受其硬件方面及軟件方面的制約，超過(guò)此溫度范圍的快速、準(zhǔn)確的溫控暫無(wú)法實(shí)現(xiàn)。除液體樣品外，本系統(tǒng)同樣適用于導(dǎo)熱良好的固體物品的溫控。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于熱電制冷器（TEC）的小型光伏溫控系統(tǒng)，并通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明本系統(tǒng)能快速實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的升溫和降溫，與傳統(tǒng)的溫控模塊相比，具有體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。并且，該系統(tǒng)應(yīng)用光伏發(fā)電技術(shù)為系統(tǒng)提供所需能量，在光照不足時(shí)可由蓄電池釋放能量，可在一定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的自給自足。