基于TEC1-12703的恒溫系統(tǒng)設計

歐陽文 曾專武 汪藝 歐陽從江 黎瑾 陳婉清

摘要：本文論述了以熱電致冷芯片TEC1-12703為基礎且安全可靠的恒溫系統(tǒng)設計。系統(tǒng)中溫度傳感器DS18B20芯片對溫度進行測量，將接收的模擬信號轉換為數(shù)字信號輸入微處理器模塊，8086微處理器將實測值與設定值進行對比，通過輸出指令控制TEC1-12703芯片加熱或制冷，以實現(xiàn)恒溫的效果。本系統(tǒng)采用繼電器換向電路，快速實現(xiàn)冷熱交替，適用于不同的場合，具有一定的推廣價值。

關鍵詞： 熱電致冷芯片;8086微處理器; DS18B20芯片。

1 引言

在日常生活中，恒溫系統(tǒng)應用廣泛：恒溫箱、中央空調、飲水機、電冰箱等，本文以熱電致冷芯片（TEC）為核心，設計了一個小型恒溫系統(tǒng)。TEC由半導體組成，通過一面吸熱一面散熱的原理同時實現(xiàn)制熱和制冷，具有結構簡單、體積小、無污染、工作環(huán)境要求低、容易控制等優(yōu)點。

2硬件系統(tǒng)設計

2.1硬件模塊介紹

本系統(tǒng)由四大模塊組成，分別是溫度采集模塊，選用溫度傳感器DS18B20;微處理器控制模塊，選用8086微處理器;溫度控制模塊，選用熱電致冷芯片TEC1-12703;散熱模塊，通過使用散熱片、風扇等進行物理散熱。系統(tǒng)的框架如圖1所示。

2.1溫度采集模塊

通過對比芯片的體積大小、對溫度測量的精確度、抗干擾能力和開銷問題，選取了DS18B20傳感器。芯片由三個引腳，分別是VDD、DQ、GND。GND接地;DQ是數(shù)據(jù)輸入或輸出引腳，VDD是電源引腳。溫度測量范圍是-55℃～+125℃。傳感器每次測溫時必須有初始化、傳送命令和數(shù)據(jù)交換3個過程。

DS18B20芯片接通電源后將處于低功耗的等待狀態(tài)，當輸入指令[44H]，溫度傳感器將進行一次溫度轉換，將測量的溫度值以2個字節(jié)存儲到RAM里面。

DS18B20數(shù)據(jù)引線和I/O端口連接，通過1-Wire協(xié)議和DS18B20通信，將測量結果輸出給8255A。

2.2微處理器控制模塊

中央控制核心采用8086CPU處理，它負責對端口進行初始化管理和數(shù)據(jù)計算及對外設進行控制，保障外設隨溫度變化而改變動作。8255A借口傳遞來自溫度傳感器的信號，控制電源的通斷來使熱電制冷片工作，達到恒溫控制的效果。在使用8255A前，需設置其控制字來確定工作方式，我們將控制字設為90H，即A組工作在方式0，與溫度傳感器端相連作為輸入接口，B組工作在方式0，與電源端相連作為輸出接口。當溫度一直處于設定溫度之上時，輸入端一直接收高電平，輸出端一直使電源工作，直到溫度在設定溫度之下。由于輸入端的信號是連續(xù)的，所以這里不需要用到鎖存器。在8086CPU與8255之間還需要一個譯碼器，我們選用74HC138，接入8255A片選信號輸入端，選中8255A運行。

由于8086CPU輸出的控制信號是數(shù)字信號，此時需要通過數(shù)模轉換器（D/A）將輸出的數(shù)字信號轉換成控制熱電致冷片所需的電壓信號。

2.3溫度控制模塊

熱電制冷是利用溫差效應進行制冷的，在芯片內部通過電極串聯(lián)把n對P型和N型半導體連接在一起組成電偶對。當電子和空穴組成電偶對，并通以直流電時，電路中的能量發(fā)生轉移，熱量會從芯片的一端流向另一端。這個時候，制冷芯片的一端溫度降低為“冷端”，另一端溫度升高為“熱端”。將加載在兩端的直流電流反向時，熱量逆向流動改變傳輸方向，冷熱端也發(fā)生交替改變。因為熱電制冷芯片可以同時實現(xiàn)發(fā)熱和制冷，所以熱電制冷芯片可以用于比較精確的溫度控制。在此我們選用TEC1-12703芯片。

TEC1-12703芯片的尺寸大小為40*40*3.6mm，最大工作電流為3A，額定電壓為12V，溫度范圍是-55℃至+83℃。我們采用的是模塊化分解設計方法，所有模塊的連接和控制都基于8086微處器。溫度采集器DS18B20采集環(huán)境中的溫度，轉換成8086微處理器可以識別的信號，然后8086微處理器再與設定的溫度值進行比較，超出了設定的范圍8086將智能控制8255A連接直流電源使熱電制冷芯片工作。當測量溫度高于設定值時熱端與散熱器相連接，電流由N型半導體流向P型半導體，根據(jù)原理芯片將會從外界吸收能量，環(huán)境中的溫度自然而然就降低了。當測量溫度溫度低于設定值時，反向導通直流電流。電流從P型半導體流向N型半導體，釋放能量，環(huán)境溫度升高。但是由于半導體自身存在電阻，當電流經過半導體時就會產生熱量，從而會影響熱傳遞。而且兩個極板之間的熱量也會通過空氣和半導體材料自身進行逆向熱傳遞。當冷熱端達到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時，就會達到一個平衡點，正逆向熱傳遞相互抵消。此時冷熱端的溫度就不會繼續(xù)發(fā)生變化。為了達到更低的溫度，可以采取散熱等方式降低熱端的溫度來實現(xiàn)。8086微處理器對熱電制冷芯片采用PID控制原理對整個控制系統(tǒng)進行偏差調節(jié)，從而實現(xiàn)恒溫的目的。

3軟件系統(tǒng)設計

圖2是軟件系統(tǒng)流程圖，TH、HL、為給設定的溫度值區(qū)間上下限，T為溫度傳感器的測量結果。

4結語

本文設計的以TEC1-12703為核心的恒溫系統(tǒng)，突出的特點就是體積小，性能高，可實現(xiàn)快速溫控的效果。因此，該系統(tǒng)應用范圍比較廣泛，具有較強的推廣意義。