半導體制冷器件原理及其應用

王 丹

（河南省許昌市生產(chǎn)力促進中心，河南 許昌 46111161111）

隨著科技的快速發(fā)展，半導體技術不斷成熟，半導體制冷被廣泛應用。半導體制冷又被稱為溫差電制冷或者熱電制冷，由于半導體材料的熱電能量轉(zhuǎn)換特點是最佳的，它的運用讓熱電制冷更加實用。半導體冷卻器根本不用別的制冷劑，控制簡單方便，可以制熱與制冷，沒有噪音，也沒有運動部件，也無需連續(xù)的工作，用多個半導體連在一起能夠讓制冷功率變大。由于具有上述優(yōu)點，半導體冷卻器獲得廣泛應用。在軍事方面，半導體制冷得到了充分的應用，例如軍用導航、通訊車、潛艇、導彈，醫(yī)療領域的冷力、白內(nèi)障摘除器、血液分析儀等，實驗室方面的電子低溫測試裝置、冷阱、各種高低溫儀器，以及目前的研究熱點，如早產(chǎn)嬰兒保育箱、小型熱電空調(diào)冰箱、小型恒溫控制系統(tǒng)、CPU冷卻裝置，同樣在航空航天方面，由于其杰出的特點，讓半導體制冷應用也非常廣泛[1-3]。

1 半導體制冷器件的原理

熱電偶，也就是溫差電偶時，半導體的基本結(jié)構(gòu)單元，半導體制冷材料是通過半導體自身的溫差電特性制成的固體電子器件，根據(jù)泊爾帖效應。如圖1所示，為基礎熱電偶的結(jié)構(gòu)，用P型半導體材料形成一個電偶臂，N型半導體材料形成另一個電偶臂。用金屬電橋?qū)蓚€電偶臂連接在一起。將直流電壓加在電偶兩端，載流子在外電場的作用下，按照一定方向運動在回路中。在金屬中，電子的能量比N型半導體中的能量要低。電子能量流進N型臂從金屬中，要將能量吸收進去，可以看到吸熱效應在結(jié)點；一個結(jié)點的電子相遇空穴，在P型臂中，電子離開空穴在另一個結(jié)點。在相遇的時候，空穴和電子復合在一起，將能量放出來，然后導致熱效應在結(jié)點的地方；離開空穴的時候，就要將能量吸收，從而導致電子空穴產(chǎn)生，然后導致吸熱效應在結(jié)點的地方?？偠灾?，空穴、電子到達的時候，在結(jié)點放熱，當離開的時候，就吸收熱量。在圖1中，制冷就是金屬電橋1變冷；致熱就是金屬電橋2變熱，整個回路是半導體制冷器的工作原理[4-7]。

圖1 基本熱電偶

2 STC12C5A60S2簡介

2.1 STC12C5A60S2單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在一塊電子芯片中，有基本的計數(shù)器/定時器，I/O端口、存儲器（RAM和ROM）、集成有中央處理器（CPU）等部件并具有獨立指令系統(tǒng)的智能器件，即在一塊芯片上實現(xiàn)一臺微型計算機的基本功能被稱為單片機。不同種類的單片機有不一樣的技術特征，由于其指令系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)不同。單片機芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了單片機的硬件特征，設計人員一定要了解單片機芯片的性能是否能夠達到系統(tǒng)所要求的特性指標和系統(tǒng)所需要的功能。技術特征主要包括：電氣特性、控制特性、功能特性等，可以從生產(chǎn)廠商的技術手冊中得到這些信息。指令特性就是單片機的輸入輸出特性，邏輯處理和數(shù)據(jù)處理方法，尋址方式等。開發(fā)環(huán)境包括硬件資源、軟件資源、指令的可移植性和指令的兼容性。單片機及應用系統(tǒng)有以下特點：

2.1.1 系統(tǒng)體積小、控制功能強，可以非常方便地安裝在被控設備中，讓產(chǎn)品更加智能化。

2.1.2 應用系統(tǒng)所用存儲器芯片可以進行批量應用和開發(fā)，由于其可以進行掩膜形式生產(chǎn)，而且應用系統(tǒng)所用存儲器芯片可以選擇OTP、E2PROM、EPROM芯片，很多單片機，例如51系列，擴展應用芯片配套于開發(fā)芯片，因此，可以讓系統(tǒng)成本降低。

2.1.3 單片機自身不具備開發(fā)能力，一般調(diào)試和開發(fā)系統(tǒng)都是利用專用的開發(fā)工具，最后形成的產(chǎn)品效益高、成本低、使用簡單。

2.1.4 應用系統(tǒng)使用方便、可靠性高、抗干擾能力強，一般在片內(nèi)（外）ROM中駐留程序。

2.1.5 系統(tǒng)配置能讓系統(tǒng)擁有很高的性能價格，因為它的出發(fā)點是滿足控制對象的要求。

2.1.6 單片機可以讓產(chǎn)品更加智能化，充分體現(xiàn)設計思想，因為其具備獨立的指令系統(tǒng)。

控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線等三大總線，中斷系統(tǒng)、串行接口、并行接口、定時/計數(shù)器、程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、中央處理器組成了89C51單片機。單片機的關鍵部分為中中央處理器（CPU），CPU完成的操作有輸出、輸入、運算功能，CPU對整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作進行調(diào)度、指揮、控制，CPU能對八位二進制代碼或者數(shù)據(jù)進行處理，CPU是八位數(shù)據(jù)的處理器。128個專用寄存器單元和128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元共同組成89C51內(nèi)部，數(shù)據(jù)存儲器（RAM），專用寄存器單元和數(shù)據(jù)存儲單元都是一起編的地址，但是專用寄存器不可以存放用戶數(shù)據(jù)，用戶只可以訪問和存放控制指令數(shù)據(jù)。因此，只有128個RAM可以被用戶使用，只能存放用戶定義的字形表、運算的中間結(jié)果、讀寫的數(shù)據(jù)。常數(shù)表格和已調(diào)試完成的程序存放在程序存儲器（ROM）中。為了提高系統(tǒng)可靠性，一般將應用程序固化在片內(nèi)ROM中。程序計數(shù)器PC是一個專用寄存器，是由CPU設置的，用來存放將要執(zhí)行的指令地址。

2.2 中斷系統(tǒng)

由于計算機系統(tǒng)外部或者內(nèi)部一些原因，計算機的中央處理器一定須暫停正運行程序，而自動執(zhí)行之前已經(jīng)安排的對這個事件進行處理的服務子程序，結(jié)束處理后，將已經(jīng)中止的程序繼續(xù)進行執(zhí)行的過程，被稱為中斷。專門完成中斷功能的軟件和硬件系統(tǒng)被稱作中斷系統(tǒng)。89C51有著非常完善的中斷功能，其優(yōu)先級別選擇有兩級，它可以達到各種控制要求，包括：兩個外中斷、兩個計數(shù)器/定時中斷，一個串行中斷。

2.3 時鐘電路

STC12C5A60S2單片機必須要將振蕩電容放在外面，STC12C5A60S2里面裝置的頻率的最大值可以獲得12MHZ的時鐘電路，可以用作單片機的脈沖時序。單片機有兩種結(jié)構(gòu)，一種是數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器共同組成的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓結(jié)構(gòu)。另一種是數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器分開的形式，即哈佛結(jié)構(gòu)。通常情況下，16位的MCS-96系列單片機一般選擇普林斯頓結(jié)構(gòu)，而INTEL的STC12C5A60S2系列單片機選擇哈佛結(jié)構(gòu)的形式。

2.4 STC12C5A60S2的引腳說明

STC12C5A60S2單片機中斷接口和P3接口復用，有4組8位，共32個I/O口，外面有兩根時鐘線，放的石英振蕩器，選擇雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，由40PIN封裝。兩根地線和正電源，40個引腳。下文說明一下這些引腳的功能。

2.4.1 時鐘電路引腳（XTAL2）（18腳）。這個腳接微調(diào)電容和外部晶體的一段在STC12C5A60S2內(nèi)部，振蕩電路相反方向的放大器的輸出端為這個腳。振蕩電路的頻率是固定的。當選擇外部時鐘電路時，這個引腳會輸入外部脈沖。

2.4.2 時鐘電路引腳（XTEL1）（19腳）。這個腳接在外部晶體和微調(diào)電容的另外一端。反相放大器的輸入端就是這個腳，在選擇外部時鐘時，這個腳必須接地。

2.4.3 復位引腳（RESET）（9腳）。復位信號輸入端就是復位引腳，復位引腳的高電平非常有效果，它能夠完成復位操作，就是因為它的腳的機器周期有兩個，也就是擁有24個時鐘振蕩周期。它還擁有第二個功能，即當主電源產(chǎn)生問題時，就在RST端自動接入5V電源，當降低到低電平規(guī)定值時，提供備用電源給單片機。這讓電源恢復后，信息保持不丟失，正常工作。EA/VPP引腳（31腳）：外部存儲器地址允許輸入端，又稱為訪問程序存儲器控制信號端。一是當EA引腳接高電平時，中央處理器對EPROM進行訪問，并對內(nèi)部程序存儲器中的指令進行執(zhí)行。二是當EA腳接低電平時，無論有沒有片內(nèi)程序存儲器，中央處理器只對外部EPROM進行訪問，并執(zhí)行外部程序存儲器中的指令。三是這個腳還擁有別的作用：作為施加較高編程電壓輸入端，在同化編程針對89C51片，就是輸入21V的燒寫電壓通過這個腳，在STC12C5A60S2燒寫內(nèi)部EPROM時。PSEN（29腳）：外部程序存儲器讀選通信號端又叫程序存儲器允許輸入端。PSEN擁有有效的低電平，在讀取外部ROM，就可以將實施讀操作針對外部ROM單元：一是PSEN不會產(chǎn)生變化，當讀取內(nèi)部ROM。二是每個機器讀取外部的ROM，都會進行兩次動作。三是兩個PSEN脈沖不會進行輸出，只會被跳過，在讀取外部RAM時。四是OE腳相接ROM當外接ROM時。

當STC12C5A60S2的小系統(tǒng)接上電后，認真檢查指令讀取是否正確，可以看PSEN端有無脈沖通過示波器，如果有，就證明工作是正確的。ALE（30腳）：地址對控制信號端進行鎖存。當89C51工作是正確的時候，頻率為振蕩器頻率FOSC的1/6的正脈沖信號向外輸出從ALE腳。當中央處理器對外部存儲器進行訪問時，ALE將八位地址的控制信號鎖存。所以，ALE信號能夠輸出定時信號或者時鐘。同時P0接口有4個八位的并行通訊端口，也就是P0接口、P1接口、P2接口、P3接口。P0接口，就是P0.0-P0.7，39-32引腳，由八位雙方向的I/O端口。P1接口：就是P1.0—P1.7，1—8引腳，八位雙方向的I/O端口。P2接口：就是P2.0—P2.7，21—28引腳，就是八位雙方向的I/O端口。P3接口：就是P3.0—P3.7，10—17引腳，就是八位雙方向的I/O端口。P0接口有三個功能：①P0接口不擴展時，內(nèi)部沒有上拉電阻，可以作為普通的I/O使用，當外部接上上拉電阻，可以作為輸入或輸出時。②當外部擴展存儲器時，可以當作地址總線。③當作外部擴展存儲器時，可以當作數(shù)據(jù)總線。P1接口：由于其內(nèi)部有上拉電阻，因此僅僅作為I/O口使用。P2接口的功能有兩個：①當內(nèi)部有上拉電阻時，就作為普通的I/O口使用。②當擴展外部存儲器時，可以當作地址總線。P3接口的功能有一個：當內(nèi)部有上拉電阻時，就作為普通的I/O使用。因為P3接口有內(nèi)部的EPROM的單片機芯片。

3 半導體制冷控溫系統(tǒng)的組成

半導體溫度控制圖如圖2所示，溫度信號被半導體的溫度傳感器或者變送電路轉(zhuǎn)化為電信號，直接輸入單片機STC12C5A60S2控制系統(tǒng)，控制廂體溫度[8]。

3.1 溫度信號的傳感及變送

為了讓溫度的控制更加精細、準確，一定要設計更高精度的溫度傳感器和變送電路，系統(tǒng)的溫度傳感元件是鉑熱電阻，轉(zhuǎn)化溫度信號為電壓信號，主要是通過恒流激勵手段，當溫度大于0℃，小于600℃，鉑熱電阻方程可用式（1）表示：

式中：t為溫度；R0為t=0℃時的鉑電阻值；A，B為鉑電阻的溫度系數(shù)，A=3.208 2×10-3/℃，B=-5.802 96×10-7/℃。

圖2 半導體致冷控溫系統(tǒng)

根據(jù)公式（1）可知，鉑電阻恒流工作時，為了讓輸出的電信號是線性的，鉑電阻恒流工作時輸出電壓的二次式系數(shù)為負值，作非線性補償時一定要選擇正反饋的方法在變送電路中，溫度變送電路如圖3。

令正反饋系數(shù)

式（3）代入式（4）可得：

從公式（6）可以知道，當溫度大于0℃，小于t℃，取測溫起點連接終點輸出電壓的連接線為擬合直線。如圖4，輸出電壓V1的溫度特性曲線擁有S形非線性誤差，對擬合直線[9]。

圖3 溫度傳感及變送電路

V1對t的二階導數(shù)為

在溫度拐點處有：

由此可得：當t=tp時，

3.2 半導體制冷驅(qū)動電路

半導體制冷的輸出信號直接輸入單片機STC12C5A60S2中，單片機在作了PID算法控制后，就會將PWM信號從P1.5、P1.6口輸出，從而讓整個驅(qū)動電路的工作情形得到控制。當RB2口為低電平時，P1.1口為高電平，就會導通T1.T3.T4，讓T2.T5.T6截止，就會有正向電流I從半導體制冷器件流過，半導體器件就會制冷。而出現(xiàn)相反的情況，半導體制冷器件就會停止工作。PID算法將它工作時間的長短控制住了，從而可以控制溫度。

3.3 測試結(jié)果

圖5 半導體致冷器件驅(qū)動電路

本文對體積約為1m3的密封廂體（有隔熱保護層）進行控溫，在20～40℃，采用Pt1000作為傳感頭，據(jù)式（6），可求得在拐點溫度30℃處，其最佳正反饋系數(shù)F=1.4042×10-4。據(jù)此可取電阻R3=R4=10kΩ，代入式（2）可得（R2+W1）的阻值為24.74kΩ，取R2=24kΩ，W1=1kΩ.為減少鉑電阻的自熱效應，取恒流I0=1mA，據(jù)式（5）可計算出在20～40℃內(nèi)，V1的輸出為-1.2697～1.3789V。系統(tǒng)單片機STC12C5A60S2內(nèi)嵌有A/D轉(zhuǎn)換，它的模擬電壓大于0V，小于2.5V，為了讓V0的輸出范圍在大于0V，小于2.5V之間，對W2、W3進行調(diào)節(jié)。13468模塊為半導體制冷器件選擇的模塊，額定電流為4.5A，它的工作電壓為12V，平衡時間在幾分鐘內(nèi)，它的控溫精度為0.02℃，工作溫度范圍在大于20℃，小于40℃之間。

4 結(jié)語

本文主要以單片機STC12C5A60S2為主控芯片，控制溫度的元件是半導體制冷器件，控溫系統(tǒng)是由精度非常高的溫度變送電路組成，半導體制冷器件通過改變電流方向完成加熱和冷卻，這樣控制溫度的精度高、使用方便、不污染環(huán)境、速度快。

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