基于單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷智能控制

黃鈔

摘要：隨著半導(dǎo)體材料和相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的制冷設(shè)備采用半導(dǎo)體材料制冷，半導(dǎo)體材料具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，單片機(jī)控制技術(shù)能夠與電腦的串口通信連接，實(shí)現(xiàn)制冷設(shè)備的智能控制。本文主要研究基于單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷設(shè)備的智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制冷設(shè)備控制的智能化，更好實(shí)現(xiàn)制冷效果，最大限度的節(jié)約能源。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；半導(dǎo)體制冷；智能控制

中圖分類號(hào)：TP316.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）01-0006-02

基于單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷智能控制系統(tǒng)，融合了單片機(jī)控制技術(shù)和半導(dǎo)體制冷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制冷設(shè)備溫度控制的智能化，具有體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 基于單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

半導(dǎo)體制冷器是一種利用珀?duì)柼?yīng)來(lái)進(jìn)行制冷的器件，它具有體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、沒(méi)有噪音、無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)、加熱制冷迅速、控制精度高、不需要制冷劑、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，實(shí)現(xiàn)模塊化；可靠性高，處理功能強(qiáng)，速度快；低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品；控制功能強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，將單片機(jī)與半導(dǎo)體制冷技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)制冷設(shè)備的智能控制。

1.1 基于單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

基于單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷智能控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括處理器、溫度傳感器、數(shù)碼管顯示、按鍵調(diào)節(jié)電路、控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、半導(dǎo)體制冷執(zhí)行器連接電路，其結(jié)果圖如下圖1所示。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，當(dāng)溫度低于（或高于）設(shè)定溫度時(shí)，通過(guò)溫度傳感器感受溫度，形成反饋信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部模糊控制算法處理，形成單片機(jī)I/O口輸出的PWM信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的程序和反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器發(fā)射啟動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器控制半導(dǎo)體制冷器運(yùn)轉(zhuǎn)制冷，使得密封箱體的溫度升高（或降低），同時(shí)，在溫度反饋電路中，及時(shí)反饋溫度值，通過(guò)單片機(jī)的控制運(yùn)算達(dá)到設(shè)定溫度，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)半導(dǎo)體制冷設(shè)備的智能控制。

1.2 半導(dǎo)體制冷設(shè)備的原理

半導(dǎo)體制冷設(shè)備的原理固體材料所具有的珀?duì)柼?yīng)。珀?duì)柼?yīng)是指由于固體材料的原子能級(jí)都不相同，材料中的載流子所具有的勢(shì)能也不同。在外加電場(chǎng)作用下，載流子開始流動(dòng)，流動(dòng)方向從低勢(shì)能材料流向高勢(shì)能材料，流動(dòng)過(guò)程中吸收熱量，從而導(dǎo)致兩種不同材料的連結(jié)處出現(xiàn)致冷現(xiàn)象。

半導(dǎo)體制冷又叫熱電制冷，主要利用了熱電效應(yīng)的原理。當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同的材料組成的回路時(shí)，在兩種材料的接觸面會(huì)產(chǎn)生能量交換的現(xiàn)象。通過(guò)直流電的時(shí)候，由P型半導(dǎo)體材料和N型半導(dǎo)體材料組成的半導(dǎo)體，當(dāng)PN接觸就會(huì)產(chǎn)生電子由一種材料向另一種材料遷移的現(xiàn)象，在遷移的過(guò)程中，電子會(huì)把多余的能量釋放出來(lái)，因此該接觸面會(huì)產(chǎn)生熱量。同時(shí)，在另一個(gè)接觸面電子由一種材料進(jìn)入到另一種材料的過(guò)程中，會(huì)吸收外界的能量，來(lái)保證它完成這種遷移，因此在該接觸面會(huì)產(chǎn)生吸收熱量的現(xiàn)象。

如圖2所示為半導(dǎo)體制冷原理圖，當(dāng)線路通電流時(shí)，電子由上金屬板通過(guò)結(jié)點(diǎn)a流向N型半導(dǎo)體，電子勢(shì)能增大，并從上金屬板吸熱，使之變冷。當(dāng)N型半導(dǎo)體中的電子通過(guò)結(jié)點(diǎn)d進(jìn)入下金屬板時(shí)，勢(shì)能由大變小，于是放出熱量（能量），使下金屬板變熱。同理，當(dāng)電流由上金屬板流向P型半導(dǎo)體時(shí)，空穴由上金屬板通過(guò)結(jié)點(diǎn)b流入P型半導(dǎo)體，勢(shì)能增大，并從金屬吸收熱量（能量），使之變冷；隨之，空穴通過(guò)結(jié)點(diǎn)c到達(dá)下金屬板時(shí)，勢(shì)能由大變小，放出熱量（能量），使下金屬板變熱。

2 基于單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷智能控制系統(tǒng)

2.1 單片機(jī)

單片機(jī)簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是芯片，具有集成電路的芯片，將中央處理器CPU、A/D轉(zhuǎn)換器、只讀存儲(chǔ)器ROM、模擬多路轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能，利用集成電路技術(shù)把這些功能集成到微小的硅片上，從而構(gòu)成一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)具體的控制系統(tǒng)情況，選擇適當(dāng)類型的單片機(jī)，一般采用STC12C5A16S2作為核心芯片，使用TEC1-12706半導(dǎo)體制冷片作為核心加熱制冷與案件，采用DS18B20溫度傳感器采集溫度，通過(guò)上位機(jī)和單片機(jī)通訊，上位機(jī)可以顯示實(shí)時(shí)溫度值，并且可以進(jìn)行溫度設(shè)置，半導(dǎo)體制冷片控制部分采用H橋驅(qū)動(dòng)控制電路進(jìn)行電壓翻轉(zhuǎn)H橋的導(dǎo)通和截止采用三極管開關(guān)電路進(jìn)行控制，從而達(dá)到加熱和制冷的自動(dòng)控制目的。

2.2 半導(dǎo)體制冷片

半導(dǎo)體制冷片選用TEC12706，TEC即半導(dǎo)體制冷器，它的工作原理是基于珀?duì)栙N效應(yīng)，即當(dāng)電流以不同方向通過(guò)雙金屬片所構(gòu)成H橋的結(jié)構(gòu)時(shí)能對(duì)與其接觸的物體制冷或加熱。其工作原理圖如圖1所示。

半導(dǎo)體制冷設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）半導(dǎo)體制冷器的規(guī)格尺寸非常小，最小的制冷器可以到達(dá)1cm；（2）半導(dǎo)體制冷設(shè)備重量也非常輕，微型制冷器的重量往往只有幾克或幾十克。（3）機(jī)械傳動(dòng)少甚至沒(méi)有，環(huán)保性能好，工作過(guò)程中無(wú)噪音，無(wú)液、氣工作介質(zhì)，不存在污染環(huán)境，（4）制冷參數(shù)穩(wěn)定，不受空間方向以及重力影響，即使機(jī)在械過(guò)載的條件下，也能夠正常地工作；（5）調(diào)節(jié)方便，電路電流控制制冷效果，通過(guò)調(diào)節(jié)工作電流的大小來(lái)調(diào)節(jié)制冷速率；通過(guò)切換電流方向，來(lái)快速完成制冷、制熱工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；（6）作用速度快，使用壽命長(zhǎng)，且易于控制。

2.3 數(shù)字溫度傳感器

數(shù)字溫度傳感器就是能把檢測(cè)設(shè)備采集到的溫度通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換設(shè)備將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并通過(guò)數(shù)字現(xiàn)實(shí)屏幕現(xiàn)實(shí)出來(lái)。數(shù)字溫度傳感器的組成部件有溫、濕度敏感元件，信號(hào)轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)、PLC、智能儀表、LED數(shù)字顯示器等等。起初，數(shù)字溫度傳感器處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)供電之后，數(shù)字溫度傳感器進(jìn)入連續(xù)轉(zhuǎn)換溫度模式或者單一轉(zhuǎn)換模式，用戶根據(jù)自己的需要選擇相應(yīng)的工作模式，在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，數(shù)字溫度傳感器可以連續(xù)轉(zhuǎn)換溫度并將結(jié)果存于溫度寄存器中，讀溫度寄存器中的內(nèi)容不影響其溫度轉(zhuǎn)換；在單一轉(zhuǎn)換模式，數(shù)字溫度傳感器執(zhí)行一次溫度轉(zhuǎn)換，結(jié)果存于溫度寄存器中，然后回到關(guān)閉模式，這種轉(zhuǎn)換模式適用于對(duì)溫度敏感的應(yīng)用場(chǎng)合。在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字溫度傳感器有多種分辨率可供選擇：8位、9位、10位、11位或12位，五種分辨率分別對(duì)應(yīng)溫度分辨率分別為1.0℃、0.5℃、0.25℃、0.125℃或0.0625℃，溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果的默認(rèn)分辨率為9位。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究基于單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷智能控制系統(tǒng)，分析了基于單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，重點(diǎn)分析了半導(dǎo)體制冷設(shè)備的工作原理。就基于單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷智能控制系統(tǒng)的主要組成部分單片機(jī)、半導(dǎo)體制冷片、數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行了研究，有利于制冷設(shè)備智能控制的研究。

參考文獻(xiàn)

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