雷挺，賀偉

（西安郵電大學(xué) 陜西 西安 710061）

半導(dǎo)體致冷又稱為溫差電致冷或熱電致冷，是以溫差電技術(shù)為基礎(chǔ)的制冷方法。主要利用珀爾帖效應(yīng)的原理達(dá)到制冷的目的，即當(dāng)直流電流經(jīng)不同材料的導(dǎo)體連接形成的回路時，結(jié)點處會產(chǎn)生放熱和吸熱（制冷）的現(xiàn)象，而放熱或吸熱依電流方向不同而改變，放熱或吸熱量的大小也由電流的大小來決定。雖然據(jù)此原理制作了車載冰箱，但由于其制冷溫度不能達(dá)到所需而被忽略，其無污染、無噪聲、無磨損、體積小、壽命長的特點也因此埋沒。

針對以上特點，文中提出了一種基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的泊車用車內(nèi)環(huán)境自調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于車載空調(diào)的輔助。彌補(bǔ)車載空調(diào)的諸多缺點的同時也充分發(fā)揮了半導(dǎo)體制冷技術(shù)的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)設(shè)計

在基于珀爾帖效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際需求制作規(guī)格合適的半導(dǎo)體制冷模塊。再結(jié)合單片機(jī)最小系統(tǒng)、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、LED顯示電路、按鍵等功能，自動檢測、自動工作、手動調(diào)整，并最終實現(xiàn)系統(tǒng)整體要求。

1.1 半導(dǎo)體制冷模塊設(shè)計

根據(jù)珀爾帖效應(yīng)原理，將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體[1]（主要成分是碲化鉍）間隔排列，而它們之間則使用一般的金屬（銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體）相連接，在此稱為導(dǎo)流片，成為一個完整的回路，工作時回路由12 V直流電供電。組件的上下面板使用陶瓷片（95%的氧化鋁），起電絕緣、導(dǎo)熱和支撐的作用。如圖所示將很多對電偶對串聯(lián)成熱電堆（單級電熱堆），一般只能達(dá)到大約50℃的溫差。根據(jù)實際需要為獲得更低的冷端溫度，也可以將它們多級串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)，也可以根據(jù)實際的需要控制模塊的大小、形狀[2]。

1.2 溫度檢測/控制模塊設(shè)計

圖1 溫度檢測/控制模塊方框圖Fig.1 Temperature detection/control module block diagram

利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20完成對溫度數(shù)據(jù)的采集，直接讀取到被測溫度值，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。結(jié)合系統(tǒng)以查詢方式、軟件消抖，設(shè)置的3個按鍵：報警溫度增加鍵、報警溫度減小鍵、當(dāng)前溫度和設(shè)置報警溫度切換鍵。并結(jié)合通過軟件控制的蜂鳴器，當(dāng)檢測溫度超過或低于報警溫度時產(chǎn)生報警動作。以及4位共陰極LED數(shù)碼管顯示動態(tài)數(shù)據(jù)。以上所有設(shè)備都通過單片機(jī)的I/O接口連接到主控制單片機(jī)，軟件控制實現(xiàn)相應(yīng)功能。

1.3 工作參量規(guī)劃

在半導(dǎo)體[3]制冷模塊端，當(dāng)電偶對通過直流電I時，因珀爾帖效應(yīng)產(chǎn)生的吸熱量與電流I成正比：

其中：π=（αp-αN）Tc稱為珀爾帖系數(shù)。

當(dāng)電流通過點偶對時，熱電元件內(nèi)還需要放出焦耳熱：

除了焦耳熱以外，由于半導(dǎo)體的導(dǎo)熱，從電堆熱端還要傳給冷端一定的熱量：

因此，電偶對的制冷量應(yīng)為珀爾帖熱量與傳回冷端的焦耳熱量與導(dǎo)熱量之差，即：

將上式對I取偏導(dǎo)數(shù)，并令其等于0，就可以得到最佳電流值和最大溫降：

將之前的R、k分別帶入以上公式，并假設(shè)兩電偶臂的幾何尺寸（λ1=λ2=λ）且有相同的導(dǎo)熱系數(shù)（S1=S2）及相同的電阻率（ρ1=ρ2=ρ）則：

由此可見，熱電制冷的最大溫差取決于材料的α、γ、λ組成的綜合系數(shù)及冷端溫度Tc。而此綜合系數(shù)稱為電偶對材料

電堆的制冷系數(shù)與供給熱電堆的電流值的關(guān)系：

將制冷系數(shù)ε，對電流取偏導(dǎo)數(shù)，并令其等于零，得到與最大制冷系數(shù)相對應(yīng)的電流及電壓值。

故制冷系數(shù)ε與溫差Th-Tc以及材料的優(yōu)質(zhì)系數(shù)Z有顯著關(guān)系。

因此，由以上的各關(guān)系式就可以確定出半導(dǎo)體制冷模塊的性質(zhì)，并由此得到各模塊正常、穩(wěn)定工作時所需的最佳電流值和最佳電壓值以便于利用單片機(jī)對半導(dǎo)體制冷模塊進(jìn)行控制。

1.4 可行性規(guī)劃

1.4.1 可行性問題

由于實際中的具體情況，需要進(jìn)一步考慮系統(tǒng)的可行性問題[4]。

首先，考慮系統(tǒng)供電部分。由于車輛自帶的電瓶一般情況下主要是用于車輛啟動、防盜報警、照明等低功耗器件，而車載電瓶在車輛運(yùn)行工程中是充電狀態(tài)的，但在泊車時用于半導(dǎo)體制冷模塊且工作時間不確定會影響到車輛啟動時的正常點火。為此需要考慮另行加載小型化12 V可充電電瓶為系統(tǒng)供電。

其次，考慮系統(tǒng)的整體功耗。顯然半導(dǎo)體制冷模塊為主要耗能原件，且因為車內(nèi)空間的不同，工作時間越長耗能越大。以此考慮使用多大容量的電瓶以滿足實際的需求。

最后，考慮半導(dǎo)體制冷模塊的散熱問題。根據(jù)實際需求確定出制冷量于制熱量比值大的模塊以供使用。比值足夠大時，可考慮直接在車內(nèi)散熱。但比值不好確定時，就需要考慮將模塊的散熱部分置于車外，方便散熱同時保證車內(nèi)制冷效果。

1.4.2 可行性實現(xiàn)

1.4.2.1 電源可行性實現(xiàn)

以一般的中型轎車為例展開分析。車輛正常使用時夜晚是電量消耗最大的，包括：2只/4只60 W左右的前照燈、2只35 W的霧燈、2只28 W的倒車燈、10 W的牌照燈、8 W的頂燈、8 W的儀表燈、8 W的踏步燈、20 W的工具燈等等照明設(shè)備，雖然不會同時使用，但由此可以估算該車輛照明設(shè)備大致的電功率介于218～500 W （前者為車輛正常工作最小值，后者為最大值）之間。此處取均值PO=360 W，按照國際通行的德國DIN蓄電池標(biāo)準(zhǔn)、美國BCI蓄電池標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)（此處按前者）。以61017型號蓄電池為準(zhǔn)（額定容量約為150 Ah），國際標(biāo)準(zhǔn)20小時為基準(zhǔn)在25℃下可持續(xù)放出IO=7.5 A的電流20 h。

當(dāng)然，在此需要強(qiáng)調(diào)，工作溫度、電解質(zhì)溫度、設(shè)備開啟關(guān)閉、LED、蜂鳴器等都會影響電池的容量，以上的數(shù)據(jù)是理想狀態(tài)下的。

由電功率：P=UI

可得到此時工作電壓為48 V。

再由電功：W=Pt=UIt

可得到電功為 2.592×107J。

實際中，當(dāng)然會有焦耳熱（Q=I2Rt）的問題，此處為了便于計算省去。但純電阻的電路時：Q=W=UIt=I2Rt。

根據(jù)1.3工作參量規(guī)劃中公式（1）中得到的最大制冷系數(shù)相對應(yīng)的電流Iεopt、電壓值Uεopt以及我們實際中需要的設(shè)備單次續(xù)航時間T，再由以上規(guī)劃過程就可以逆推出需要多少容量的蓄電池（有一定的冗余量）或者在計算的可能性之類考慮車載電瓶。

1.4.2.2 制冷量可行性實現(xiàn)

參考某中型轎車的車內(nèi)空間，為了便于計算近似的看成矩形，則 V=l×b×h。 再由熱量公式 Q車內(nèi)=C MΔT（C 為介質(zhì)比熱容，M=ρV為對應(yīng)體積內(nèi)的介質(zhì)質(zhì)量，ΔT為前后溫差）計算得到從該體積內(nèi)為達(dá)到設(shè)計要求所要除去的熱量[5]Q總=Qj+Qk+Q車內(nèi)+Q吸收+…（需要通過大量的實驗獲得）。

一般，電壓的單位是：1 V=1 J/C，電流的單位是：1 A=1 C/S，功率的單位是：單位功率=單位電壓×單位電流=1 V×1 A=1 J/S。因此1 W=3 600 J/h。由此再和熱量建立聯(lián)系。由于熱的功當(dāng)量是：1 J=0.24 cal，1 kJ=2.4×10-4kcal。 從而熱量的功率為：1 kW=860 kcal/h，與此同時1 cal=4.186 J，再結(jié)合系統(tǒng)工作時間T的要求、需要除去的車內(nèi)熱量Q總，即可以推算出需要多大制冷功率的制冷模塊，即制冷功率多少W、制冷量多少W。（在此可借鑒空調(diào)參數(shù)：1 P（匹）額定制冷功率735.35瓦，制冷量為2 324 W來標(biāo)定）此處只做推導(dǎo)不作具體計算。依所得數(shù)據(jù)自行制作或直接購買，由于實際情況的變化性，最好有足夠的冗余度或者使用足夠數(shù)量的模塊以滿足系統(tǒng)要求。

1.4.2.3 模塊散熱可行性實現(xiàn)

散熱問題對于絕大部分的電子設(shè)備都是極其重要也是及其棘手的問題。該設(shè)計中采用的半導(dǎo)體制冷模塊由于其特殊的工作原理，制冷和制熱時同時進(jìn)行的，并且由于選材的不同兩邊極板的溫差也會存在顯著的不同。模塊是通過熱交換的原理使車內(nèi)的溫度降下來的，因此需要盡可能的避免其它熱源產(chǎn)生的熱量對系統(tǒng)的影響并引起實際制冷量的減少。

實際應(yīng)用中需要具體考慮半導(dǎo)體制冷模塊以及溫度檢測模塊的安放問題，既不能影響車內(nèi)空間的整體效果，又可以有效地實現(xiàn)系統(tǒng)最佳功能。實驗中半導(dǎo)體制冷模塊曾安放于中控平臺右側(cè)空調(diào)出風(fēng)口附近及駕駛艙后擋風(fēng)玻璃下端中部，溫度檢測模塊則安放于車頂中部。

2 硬件設(shè)計

2.1 主要材料及芯片

本設(shè)計中，系統(tǒng)主要由半導(dǎo)體制冷模塊及溫度傳感器模塊組成。半導(dǎo)體制冷（制熱）模塊，根據(jù)制冷量來確定并由控制芯片L298N通過改變電流方向?qū)崿F(xiàn)制冷、制熱。溫度傳感器模塊，由 DS18B20檢測、單片機(jī)控制等動作來實現(xiàn)。

AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，內(nèi)部的EEPROM可以反復(fù)擦除1 000次，集合了多功能8位CPU和閃爍存儲器。采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)且與MCS-51相兼容。為很多的智能控制系統(tǒng)提供了靈活、價廉的控制方案[6]。

DS18B20是美國Dallas半導(dǎo)體公司DS18xx系列的數(shù)字化溫度傳感器，采用獨特的單總線接口方式，且支持多結(jié)點。工作時無需任何外圍元件，可以通過數(shù)據(jù)線直接供電，具有超低功耗工作方式。可直接將溫度轉(zhuǎn)換值以16位二進(jìn)制數(shù)字碼的方式串行輸出，不需要放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，具有可靠性高、成本低、體積小等特點。測溫范圍為—55～+125℃，精度為 0.5 ℃[7]。

2.2 電路整體設(shè)計

整個硬件電路包括單片機(jī)控制模塊、溫度傳感器模塊、半導(dǎo)體制冷模塊、電流方向控制及按鍵、LED顯示等。溫度傳感器DS18B20檢測車內(nèi)溫度并傳回主控制芯片AT89C51與之前通過按鍵設(shè)定的系統(tǒng)最高溫度及最低溫度進(jìn)行比對，并通過LED直觀顯示。如果實際檢測溫度高于系統(tǒng)預(yù)設(shè)最高溫度，則蜂鳴器首先報警與此同時單片機(jī)通過L298N輸出正向電流，使半導(dǎo)體制冷模塊制冷降溫，反之增溫。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall system structure

2.3 半導(dǎo)體制冷模塊連接

由半導(dǎo)體模塊工作原理，利用L298N芯片實現(xiàn)對電流方向的控制[8]。此處，當(dāng)一個芯片連接兩個半導(dǎo)體制冷模塊時，主要通過與單片機(jī)連接的芯片上的 IN1、IN2、IN3、IN4引腳的電瓶高低來控制模塊實現(xiàn)制冷、制熱。模塊的連接[9]如圖3所示。

圖3 半導(dǎo)體制冷模塊連接圖Fig.3 Semiconductor refrigeration module connection diagram

參照L298N的邏輯功能表，圖中的兩個半導(dǎo)體模塊工作狀態(tài)與引腳關(guān)系如表1所示。

表1 L298N引腳狀態(tài)與半導(dǎo)體模塊狀態(tài)關(guān)系Tab.1 L298N pin and the semiconductor module state relations

2.4 DS18B20連接

DS18B20一般有兩種工作方式，寄生電源工作方式和外接電源工作方式。此設(shè)計由于實際需要采用外接電源工作方式，而由于其獨特的單線接口僅需要一個DQ端口與主控單片機(jī)進(jìn)行通信，工作電壓使用+5 V[7]。

2.5 供電電源設(shè)計

系統(tǒng)中需要供電的部分包括：DS18B20溫度傳感器、L298N、AT89C51單片機(jī)、3個按鍵（報警溫度增加鍵、報警溫度減小鍵、當(dāng)前溫度和設(shè)置報警溫度切換鍵）、4位共陰極LED數(shù)碼管以及半導(dǎo)體制冷模塊。除半導(dǎo)體制冷模塊需要12 V的工作電壓，并且通過L298N與主控芯片連接之外，剩下的部分都統(tǒng)一使用+5 V供電電壓。由于L298N芯片的結(jié)構(gòu)特點，其端口VS可直接接入+12 V電壓為半導(dǎo)體制冷模塊供電。為此考慮主電源使用車載電瓶提供12 V的電壓，并以普通開關(guān)控制其開斷，之后一路直接為半導(dǎo)體制冷模塊供電，另一路則通過采用TO-220封裝形式的7805三端正電源穩(wěn)壓模塊使輸出電壓降到+5 V，再供其他部分使用。

2.5.1 半導(dǎo)體制冷模塊供電

半導(dǎo)體制冷模塊與L298N芯片連接，由端口VS連接+12 V電壓為其提供穩(wěn)定的工作電壓。其連接方式在圖4中已經(jīng)給出。

圖4 DS18B20與單片機(jī)的連接圖Fig.4 Connection diagram of DS18B20 and single chip microcomputer

2.5.2 單片機(jī)部分供電

由于系統(tǒng)整體使用12 V的車載電瓶供電，而只有半導(dǎo)體制冷模塊可以直接使用，其余的包括：DS18B20溫度傳感器、L298N、AT89C51單片機(jī)等部分只能使用5 V電壓供電。為此采用7805穩(wěn)壓模塊[1]將電壓降至5 V供這部分使用。

圖5 穩(wěn)壓模塊調(diào)節(jié)電壓圖Fig.5 Voltage regulator module to adjust the voltage

3 軟件設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

系統(tǒng)主要由穩(wěn)壓調(diào)節(jié)模塊、主控制模塊（單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路）、溫度檢測模塊（包含DS18B20溫度傳感器、3個按鍵、4位共陰極LED數(shù)碼管）、半導(dǎo)體制冷模塊 （包含L298N）組成。而實際需要進(jìn)行編程的主要是溫度檢測模塊和半導(dǎo)體制冷模塊，并通過I/O口與單片機(jī)連接，分別控制實現(xiàn)各自的功能。

3.2 溫度傳感器檢測與控制部分程序

這部分的主要功能是間隔性的通過DS18B20測量車內(nèi)環(huán)境溫度、顯示及時溫度，并暫定為1秒測量一次。其程序的流程圖如圖6所示。

圖6 溫度檢測、顯示部分主流程圖Fig.6 Temperature detection，display part of the main process diagram

讀取溫度、顯示溫度、設(shè)置報警溫度，都是由它們各自的子程序完成的。其中讀取溫度子程序主要是由DS18B20復(fù)位命令開始，通過讀取RAM中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行校驗判斷后存入溫度暫存器中。之后，將已保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行BCD轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并通過對BCD碼數(shù)據(jù)的標(biāo)志位置“0”、置“1”進(jìn)行溫度零上、零下的區(qū)別。顯示溫度子程序，則直接將之前讀取溫度所獲得的BCD碼移入顯示寄存器中，對應(yīng)點亮相應(yīng)的數(shù)碼管進(jìn)行顯示[10]即可。

設(shè)置報警溫度時，軟硬結(jié)合，利用簡易的鍵盤掃描方式，檢測設(shè)置鍵是否被按下，如果被按下接著通過“+”、“—”鍵設(shè)置溫度上、下線，設(shè)置時溫度的上、下線初始值均顯示為“0”。否則，只顯示當(dāng)前所測溫度不執(zhí)行任何動作。

圖7 報警溫度設(shè)置流程圖Fig.7 Set alarm temperature flow chart

3.3 半導(dǎo)體制冷（制熱）控制程序

半導(dǎo)體制冷（制熱）部分的主要由外部驅(qū)動程序以及內(nèi)部驅(qū)動程序兩部分做成。其中外部的驅(qū)動程序主要流程圖如圖8所示。

圖8 半導(dǎo)體制冷模塊外部驅(qū)動流程圖Fig.8 Semiconductor refrigeration module flow chart of external drive

針對于內(nèi)部驅(qū)動問題，則主要在于如何利用主控單片機(jī)控制L298N芯片控制電流方向，并由此實現(xiàn)對半導(dǎo)體制冷模塊工作方式（制冷、制熱）的控制。

圖9 半導(dǎo)體制冷模塊內(nèi)部驅(qū)動流程圖Fig.9 Semiconductor refrigeration module flow chart of internal drive

4 結(jié) 論

經(jīng)過對實際需求的研究與分析，且由于車內(nèi)空間的特殊情況，所以放棄了濕度檢測及調(diào)節(jié)模塊，但根據(jù)實際需求可以取舍。最終模塊使用成熟的溫度檢測模塊及諸多優(yōu)點的半導(dǎo)體制冷模塊組成，且根據(jù)半導(dǎo)體制冷模塊的自身特性量身制定其最佳工作電流、電壓，并同時借鑒單片機(jī)通過L298N芯片控制直流電機(jī)的原理實現(xiàn)對半導(dǎo)體制冷模塊工作方式的控制，系統(tǒng)也可以根據(jù)實際的需求，增加更多的半導(dǎo)體制冷模塊及其他設(shè)備。利用成熟的技術(shù)原理，通過組合、改造等方式實現(xiàn)了部分及整體模塊的大部分要求，但實際中要根據(jù)實際的需求作進(jìn)一步的動態(tài)驗證和改進(jìn)，使系統(tǒng)更加完善成熟并得到普及應(yīng)用。

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