施棟

【摘 要】帕爾貼發(fā)電是一種半導體發(fā)電技術，也是一種清潔綠色的發(fā)電技術，符合當代能源發(fā)展的要求。為了實時反應出電壓的大小等參數(shù)，本文設計了一種開源單片機arduino為核心的帕爾貼溫差發(fā)電系統(tǒng)。該控制器利用DS18B20溫度傳感器分別對帕爾貼的冷端和熱端的溫度進行檢測，并能在OLED顯示屏上顯示相關信息，從而能達到實時反應帕爾貼發(fā)電參數(shù)的目的。并且能通過開關，實現(xiàn)在驅動單片機和對外部設備進行充電這兩種功能之間切換。經(jīng)過多次實驗，測試采樣數(shù)據(jù)準確，發(fā)電效率優(yōu)秀，有比較大的推廣價值。

【關鍵詞】綠色能源；低功耗；Arduino單片機；DS18B20溫度傳感器；充電功能

隨著21世紀的到來，經(jīng)濟迅速發(fā)展，隨之而來的也是環(huán)境污染日趨嚴重。因此，更多的綠色能源如太陽能、地熱、化學能也越來越多的進入人們的視線。而這其中熱能和電能的轉換仍然是當代能源轉換的主流。

溫差發(fā)電是一種綠色環(huán)保的能源技術。這種全固態(tài)能量轉換方式無噪音、無磨損、無污染物排放、體積小、重量輕、攜帶方便、使用壽命長、無需人工維護?；谏鲜鰞?yōu)點，該項技術在國外已廣泛應用于航天和軍事等領域[1]。因此，本文旨在設計一套傳感器與帕爾貼發(fā)點片結合的的設備，能實現(xiàn)對arduino單片機的驅動和對額定電壓為5V的設備充電功能。

1 本設計任務和總體方案

1.1 發(fā)電原理

1.2 模塊介紹

本設計是基于arduino控制下的溫差發(fā)電方案，分別對半導體溫差發(fā)電、電路升壓穩(wěn)壓及控制設備的軟硬件各個部分進行了設計研究。

本文設計的設計方案主要是依靠帕爾貼發(fā)電模塊產(chǎn)生的電壓通過5VDC-DC的升壓穩(wěn)壓模塊后產(chǎn)生的電壓來通過兩個開關能手動選擇驅動arduino單片機的工作或是給外部的設備進行充電。若選擇了驅動arduino的工作，單片機會接收來自DS18B20溫度傳感器帕爾貼冷熱端溫度，將數(shù)據(jù)送至arduino單片機進行計算溫差，并能通過arduino的A1端口對帕爾貼產(chǎn)生的電壓值進行測量，最后把這些數(shù)據(jù)值都能顯示在OLED顯示屏上。同樣還可以通過手動控制開關來實現(xiàn)給外接USB接口提供5V直流電源。設計方案有以下幾個模塊組成：帕爾貼溫差發(fā)電模塊，5VDC-DC升壓穩(wěn)壓模塊，Arduino uno單片機模塊，DS18B20溫度傳感器模塊，OLED液晶顯示器模塊，USB外接充電模塊。設計框圖如圖2所示。

2 主要模塊設計

2.1 核心控制模塊

本控制器的核心是一款開源的單片機arduino uno。它的核心處理器是ATmega328，同時具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕。本設計中使用從A1引腳讀取數(shù)據(jù)值。Arduino板包含一個6通道，10位模擬數(shù)字轉換器。這意味著它將0至5伏特之間的輸入電壓映射到0至1023之間的整數(shù)值。這將產(chǎn)生讀數(shù)之間的關系：5伏特/1024單位，或0.0049伏特（4.9mV）每單位。它需要大約100微秒（0.0001）來讀取模擬輸入，所以最大的閱讀速度是每秒10000次。

2.2 采樣模塊

采樣模塊即為帕爾貼發(fā)電模塊。該模塊利用塞貝克效應，如圖3所示，人們常將一定數(shù)量的半導體電偶臂對串聯(lián)起來制成溫差發(fā)電模塊，將P型半導體和N型半導體在熱端連接，則在冷端可得到一個電壓，P型和N型半導體交替連接形成模塊。這樣做的目的是為了利用P型與N型半導體產(chǎn)生的塞貝克電壓極性相反的性質，從而來實現(xiàn)溫差發(fā)電模塊熱學上的并聯(lián)和電學上串聯(lián)的目的[3]。

2.3 顯示模塊

在數(shù)據(jù)的顯示部分，由于帕爾貼發(fā)電模塊產(chǎn)生的功率有限，因此本設計采用超低功耗的0.96寸OLED來對采集的數(shù)據(jù)進行顯示。除了超低功耗之外，有機發(fā)光二極管顯示器（OLED）具有自發(fā)光、強對比、大色域、廣視角、快響應、高效率、低電壓等優(yōu)點，而且適用環(huán)境廣、面板厚度薄、制程簡單、可制作大尺寸與柔性面板，被譽為下一代的“夢幻顯示器”[4]。由于I/O口充足，本文采用SPI接法，除去GND和VCC之外，將剩下的SDA、CLK、DC、RESET分別與數(shù)字端口9、10、11、12相連，從而實現(xiàn)arduino對于OLED的驅動。

3 軟件設計

本設計主要是利用Arduino配套的開發(fā)工具Arduino IED進行工程開發(fā)，使用該軟件能夠進行程序的編譯，單步，全速調試，簡單易用，本設計中程序主要是由采樣、顯示和驅動三部分組成。程序開始，先進行初始化階段，其中包括定義引腳、寫字模和調用庫的過程。隨后，單片機發(fā)送命令讀取電壓溫度的模擬值，然后對讀取的數(shù)據(jù)進行采樣處理，得出數(shù)字量，最后調用Display函數(shù)輸出電壓和溫度值。

4 硬件調試

上電后即將程序下載到Arduino uno，系統(tǒng)可以（下轉第295頁）（上接第301頁）正常的工作。通過熱電阻絲給帕爾貼發(fā)電模塊加熱，升壓穩(wěn)壓模塊的紅色指示燈隨著溫差的加大逐漸由暗變亮。閉合開關S2，用手機數(shù)據(jù)線連接外接USB接口，手機上能正確顯示正在充電中。斷開開關S2，閉合開關S1，單片機能驅動OLED和DS18B20正常工作，OLED上面能準確顯示溫差（temperature）以及電壓值（voltage）大小。經(jīng)過反復多次測試，系統(tǒng)的響應及時，穩(wěn)健。

5 結語

報告分析認為，目前化石能源在一次性能源消費量中占絕對優(yōu)勢，太陽能、生物質能等綠色能源飛速發(fā)展領跑世界、趕超煤電，綠色能源取代化石能源是世界也是中國大勢所趨[5]。作為半導體發(fā)電技術，類似于帕爾貼發(fā)電等綠色能源技術也會越來越成為未來的主流。而將發(fā)電設備與單片機、傳感器等設備相結合能更好的實現(xiàn)對能源參數(shù)的監(jiān)測或者控制，這也將會給能源問題帶來物聯(lián)網(wǎng)技術的一些好處，利于能源問題的解決。

【參考文獻】

[1]姜曉麗.半導體溫差發(fā)電裝置的研制[D].大連理工大學，2009.

[2]許志建，徐行.塞貝克效應與溫差發(fā)電[J].現(xiàn)代物理知識，2004（01）.

[3]楊素文.中低溫溫差發(fā)電器系統(tǒng)性能研究[D].重慶大學，2012.

[4]陳知新.OLED顯示屏驅動電路的研究[D].西安理工大學，2010.

[5]林智欽，林宏贍.2011中國能源環(huán)境發(fā)展研究——綠色能源：引領未來[J].中國軟科學，2011，S1：49-60.

[責任編輯：劉展]