陳曉雯

渤海大學工學院

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基于單片機的半導體制冷片溫度控制系統(tǒng)研究

陳曉雯

渤海大學工學院

本文的半導體制冷片溫度控制系統(tǒng)采用的溫度控制算法是PID算法，選擇的核心控制器件是單片機型號選擇的是AT89S52，制冷的元件選擇的是半導體的制冷片。本系統(tǒng)主要介紹了相關的硬件設計和軟件設計，并且給出了半導體制冷的原理介紹。

AT89S52單片機 半導體制冷片 PID

1　半導體制冷的概述

所謂的半導體制冷的另外一個稱呼是溫差電制冷或者也可以稱為熱電制冷。這個熱電制冷稱呼的來源是歸于當有直流的電流經過某種材料的時候會出現制冷的功能，并且這種材料是含有某種特性的，就是能夠進行轉換熱電能量?？紤]到具有這種熱能量轉換特性的有半導體，而且半導體的使用可以實現制冷效果的實用化，所以半導體制冷的稱呼是這樣來的。

相比于傳統(tǒng)的機械制冷而言，半導體制冷的不同點在于：1）運動的部件沒有，而且當在震動的時候，來自噪聲方面的聲音比較低2）不需要任何相關的制冷劑，而且不會造成環(huán)境方面的影響，進行的從冷到熱的這個過程，操作起來比較容易實現3）當制冷的時候選擇的是功率比較小的器件的時候，產生的制冷系數也是比較高的4）制冷的時候在速度方面是比較快的，同時做出反應的速度也是相當快速的，產生的溫度差是很大的5）適用于多種場合，可以做成系統(tǒng)所需要的形狀。所以從這里可以看出來，半導體制冷技術已經取得了很大的進步，并且在很多的領域中已經得到了很大的廣泛應用，半導體制冷在制冷方面所占的位置是重中之重。

圖1　半導體制冷的原理圖

半導體制冷的實現過程用到了珀爾帖效應，這種效應是屬于熱電效應的范疇之中。所謂的珀爾帖效應指的是在一個回路中電源用到的是直流的電壓，另外再加上不同的兩種材料。然后在電路的相交的地方會產生放熱的現象也有可能出現吸熱的現象。所以回路中的兩種不同的半導體材質就形成了P-N端，然后附帶電壓，這就形成了制冷的現象或者制熱的現象。半導體制冷的原理圖如圖1所示。

從圖1中可以看出來自電源負極產生的電子經過圖中所有的金片和結點以及P，N級后回到了正極，由于P型處的那端空穴比較多，所以此處的電流的方向是和電子相反的。

2　硬件系統(tǒng)設計

基于單片機的半導體制冷片溫度控制系統(tǒng)的總體結構圖如圖2所示。

圖2　該系統(tǒng)的總體結構圖

這個系統(tǒng)中包括的部件主要有液晶的顯示電路，鍵盤的輸入，溫度傳感器，單片機單元以及驅動的電路設計等等。在這個系統(tǒng)中液晶屏的作用主要是顯示溫度的改變，而單片機的作用主要是整體上控制這個制冷片的溫度控制系統(tǒng)。

2.1控制電路

在控制電路的設計中的核心是單片機，控制電路的主要目的是檢測恒溫箱里面的溫度的改變，按照PID的控制電路的算將對應的PWM傳送到驅動的電路中，從而形成閉環(huán)的控制系統(tǒng)。其中最進行溫度檢測的這部分選擇的元件是NIC電阻。系統(tǒng)中采用了AD采樣，采樣的對象是驅動電路中產生的電壓。

2.2鍵盤電路

在鍵盤電路的設計過程中設計了4個按鍵，這幾個按鍵的功能主要是設置溫度，而且通過晶體顯示屏將溫度顯示出來。鍵盤電路中的這4個按鍵是與單片機進行連接的，這4個按鍵的意思是設定溫度，將溫度以1℃進行遞增，將溫度以1℃進行遞減，溫度設定終止。

2.3半導體制冷片驅動電路設計

溫度控制設備中對功率進行控制的電路中溫度的控制系統(tǒng)中有著很重要的作用，現今控制方式采取的比較多的一般是PWM和電流的控制。

PWM在對輸出的電壓進行控制的時候是將脈沖的寬度進行改變來實現的。PWM是脈寬調制的縮寫。所謂的控制方式是控制逆變電路中所包括的開關的關閉和打開的情況，從而實現產生幅值一樣的脈沖，然后把輸出端產生的這些脈沖去替換系統(tǒng)要求的波。也可以認為是在輸出端產生的信號的半個周期以內形成的脈沖的數目是多個的，讓形成的脈沖和正弦波形成的電壓值是一樣的，這樣得到的諧波是平滑的而且是低次的。根據特定的規(guī)律調整脈寬，就能夠將該電路中的電壓輸出值改變，同時可以對產生的頻率進行調整。

當窄脈沖的沖量是相同而形狀是不同的時候，產生的結果可以是一樣的，這里提到的沖量就是窄脈沖所包含的面積，而產生的結果一樣指的是波形的輸出響應是一樣的。如果采用傅里葉變換對所有輸出的波形進行分析的話，那么就會發(fā)現這些波形中低頻段處產生的特性是十分類似的，而且特性之間所具有的區(qū)別僅僅是在高頻段地方。

PWM控制方式相比于其他的控制方式而言，當溫度處于臨界區(qū)域的時候，穩(wěn)定性是最強的。這是PWM的一個重大的優(yōu)勢。電流控制方式相比于PWM而言控制起來比較容易，而且驅動力允許變化很大的頻率。系統(tǒng)測試驅動電路測量數據如表1所示。

表1　驅動電路測量數據表

3　系統(tǒng)軟件設計

3.1溫度的控制算法

PID控制也可以稱為是微分控制，主要的溫度控制的原理就是把采集到的溫度值和已經設置好的目標值做個對比，然后把這對比結果的差值當作是PID的控制模塊中的輸入值，根據一定的系數，比例運用PID算法將控制量計算出來，PID控制的特點是成本比較低，簡單易操作，所以在許多的領域中都會應用到PID的控制方式。

溫度控制電路中用到的重要的程序是PID程序。在PID的算法中通常會用到的公式如下：

公式中的e1代表的是采集到的溫度和目標的溫度之間的差值，而kp在這里表示的是對應的比例的系數，ie指的是所有采樣之后將溫度差進行相加后的結果。de表示的是第一次采樣的溫度與第二次采樣的溫度之間的差值。將kp和ki以及kd這幾個值確定下來之后就可以代入進去求出V值。

3.2溫度的采集程序

溫度的采集過程中包括了通過溫度傳感器進行溫度數據的讀取，首先是通過溫度傳感器把數據讀取出來，本文的溫度傳感器選擇的是DS18B20，在進行溫度的相關數據讀取的過程中，需要先調用相關的初始化程序，這個初始化程序主要是用來進行傳感器是否存在的驗證，當檢測的結果是存在傳感器的時候，就可以進行溫度啟動，接著就讀取數據，并將結果進一步的轉換，溫度傳感器讀取數據的流程圖如圖3所示。

圖3　度傳感器讀取數據的流程圖

4　結語

隨著社會的發(fā)展，電子信息技術的不斷進步 ，半導體的制冷技術已經取得了很大的突破，半導體制冷技術的實用性很高，而且應用范圍也很廣泛，在保護環(huán)境以及經濟建設這些方面，半導體制冷技術起到了很大的作用。本論文中基于單片機的半導體制冷片溫度控制系統(tǒng)選取的重要控制元件是單片機，而制冷元件選擇的是半導體制冷片，實現了對設備溫度的控制以及測量。本論文設計的系統(tǒng)操作性強，應用價值高，可以適應很多領域使用，發(fā)展的空間很廣闊。

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