半導(dǎo)體車載冰箱的智能溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王千貴，楊永躍

（合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

在車載冰箱市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中，半導(dǎo)體冰箱[1]由于成本低，重量輕，無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)而倍受消費(fèi)者的青睞。然而市場(chǎng)上銷售的這類冰箱要么功能單一，要么被國(guó)外公司所壟斷。這里設(shè)計(jì)出一套智能溫控制系統(tǒng)，使半導(dǎo)體冰箱不但具有加熱和制冷功能，還能實(shí)時(shí)顯示調(diào)整溫度，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

文中采用模塊化電路設(shè)計(jì)方法，主控芯片選擇STC90C516RD+單片機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)由溫度檢測(cè)實(shí)時(shí)顯示模塊，溫度控制模塊，功能鍵盤等模塊所構(gòu)成。其原理框圖如圖1所示。

圖1 車載冰箱智能溫控系統(tǒng)原理框圖Fig．1 The principle diagram for intelligent temperature control system of car refrigerator

單片機(jī)根據(jù)DS18B20測(cè)得冰箱內(nèi)的溫度[2]，與設(shè)定值相比較，經(jīng)過PID控制算法調(diào)整DA的輸出電壓控制半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行制冷或加熱[3-5]，從而實(shí)現(xiàn)需要的溫度，同時(shí)有液晶屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度，各主要模塊簡(jiǎn)介如下。

1.1 STC90C516RD+單片機(jī)與溫度檢測(cè)溫度實(shí)時(shí)顯示模塊

STC90C516RD+單片機(jī)是晶宏科技生產(chǎn)的新一代高速低功耗，指令代碼完全兼容8051單片機(jī)，具有EEPROM功能，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，可省專門復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。

溫度檢測(cè)選用美國(guó)DALLAS公司的溫度傳感器DS18B20[6-7]。它具有獨(dú)特的單總線接口方式，在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器雙向通訊，并且輸入輸出均為數(shù)字信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中不需要任何外部器件就可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫，這使得其與單片機(jī)接口變的非常簡(jiǎn)單，克服了模擬式溫度傳感器與單片機(jī)接口需要AD轉(zhuǎn)換及其他外圍電路的缺點(diǎn)?！耙痪€總線”的數(shù)字式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合車載冰箱內(nèi)惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。

主要性能指標(biāo)：1）測(cè)溫范圍-55～125℃，測(cè)溫分辨率達(dá)到0．062 5℃；2）無需任何外圍元件，可以直接輸出溫度值的9～12位串行數(shù)字量；3）溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為750 ns；用戶可以設(shè)定報(bào)警溫度，存放于EEPROM中。

DS18B20可以采用兩種方式供電：寄生電源供電和外部電源供電。為了保證轉(zhuǎn)換精度和系統(tǒng)的抗干擾能力，這里選用外部電源供電方式。

實(shí)時(shí)顯示選用液晶顯示屏TDJM1602，能顯示漢字和英文字符。這里選用16字X 1行的顯示類型，可設(shè)置為“當(dāng)前溫度為XX℃”來顯示。溫度檢測(cè)實(shí)時(shí)顯示模塊的電路原理圖如圖2所示。

圖2 溫度檢測(cè)實(shí)時(shí)顯示模塊的電路原理圖Fig．2 Temperature testing and real-time displaymodule circuit principle diagram

1.2 溫度控制模塊

本模塊是智能溫控系統(tǒng)的核心，主要由12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7248A，大電流驅(qū)動(dòng)器OPA549，半導(dǎo)體制冷器件TEC1-12706等構(gòu)成。

AD7248A一種內(nèi)置放大器和基準(zhǔn)電源的12位低功耗并行DA轉(zhuǎn)換器，其數(shù)據(jù)輸出建立僅需30 ns，在雙極性供電模式下，能產(chǎn)生±5 V的輸出電壓。考慮到半導(dǎo)體制冷器需要工作在雙極性電壓下，這里選用雙極性工作模式。

由圖1原理框圖可以看出12位DA輸出的電壓要送往半導(dǎo)體制冷器，通過控制流過制冷器電流的大小進(jìn)而控制溫度。但從數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的電流驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)，因此需要加入電流驅(qū)動(dòng)電路。這里選擇大電流驅(qū)動(dòng)集成芯片OPA549，它可以提供峰值10 A連續(xù)8 A的驅(qū)動(dòng)電流。本設(shè)計(jì)采用雙極性供電模式，以配合DA轉(zhuǎn)換器的雙極性輸出，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷器加熱或制冷。

基于Peltier效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷器不需要任何制劑，易安裝，無污染源，工作無震動(dòng)噪音，理論壽命可達(dá)30萬小時(shí)；既能制冷又能加熱，一個(gè)片件就能代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)；通過輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制；熱慣性非常小，制冷加熱時(shí)間快，在較短的時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到最大溫差。因此它特別適合小熱量，小空間的溫控領(lǐng)域，在車載冰箱，醫(yī)療恒溫箱，飲水機(jī)等器械中得到廣泛應(yīng)用，其原理圖如圖3所示。

圖3 半導(dǎo)體制冷器工作原理圖Fig．3 Principle diagram of semiconductor refrigeration system

從圖3我們可以看出改變電流的極性可在制冷和加熱間切換，而吸熱和放熱率則正比于電流的大小半導(dǎo)體制冷器的設(shè)定溫度在不同于環(huán)境溫度的一定范圍內(nèi)可調(diào)。這里選用半導(dǎo)體制冷器件 TEC1-12706，最大溫差電壓為15．4 V，最大溫差電流為6 A，最大制冷功率為53W。溫度控制模塊原理圖如圖4所示。

圖4 溫度控制模塊原理圖Fig．4 Temperature controlmodule principle diagram

1.3 功能鍵盤模塊

功能鍵盤模塊完成對(duì)外用戶鍵盤操作的識(shí)別，具有按鍵識(shí)別，按鍵值分析功能。按鍵識(shí)別操作的功能是確定操作面板上是否有鍵按下，并保存下鍵值。為消除誤判造成重復(fù)讀取一個(gè)鍵值，軟件設(shè)計(jì)時(shí)考慮進(jìn)行防抖處理。通過按鍵輸入需要調(diào)整的溫度值與單片機(jī)檢測(cè)到的溫度比較后進(jìn)行PID控制[8-10]。由于車載冰箱常要求控制箱體溫度在2～25℃，控制范圍有限，這里設(shè)計(jì)出僅用電源開關(guān)，溫度加一，溫度減一，溫度顯示轉(zhuǎn)換4個(gè)按鍵。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)復(fù)位后開始工作，首先單片機(jī)控制軟件發(fā)出指令通過DS18B20采樣讀取溫度T1并送液晶顯示屏TJMD1602實(shí)時(shí)顯示。然后將測(cè)量值T1與設(shè)定的值T2相比較，其差值T送PID控制器。PID控制器輸出的控制量經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后變電壓控制量，再經(jīng)0PA549放大后，控制半導(dǎo)體制冷器件TEC1-12706的工作狀態(tài)。TEC1-12706處于加熱還是制冷取決于其上所加電壓的極性。當(dāng)T1＞T2，其差值大于零，此時(shí)輸出電壓為正，制冷器 TEC1-12706 制冷；當(dāng) T1＜T2，其差值小于零，輸出電壓為負(fù)，制冷器TEC1-12706加熱。溫度采樣—計(jì)算溫差—PID調(diào)節(jié)—信號(hào)放大輸出—半導(dǎo)體制冷器周而復(fù)始，控制箱體內(nèi)的溫度在設(shè)定的值處附近上下波動(dòng)。這一過程不斷循環(huán)，直至達(dá)到設(shè)定的溫度。為了更快達(dá)到調(diào)控效果，在PID控制前加了一段溫差判斷程序。當(dāng)溫差T大于閾值t時(shí)[4]，制冷器全功率制冷；當(dāng)溫差值T小于-t時(shí)，全功率加熱。只有當(dāng)溫差界于兩者之間時(shí)才啟用PID控制。圖4為主程序的軟件流程圖。

3 試 驗(yàn)

圖5 主程序流程圖Fig．5 Themain program flow chart

購(gòu)買保溫箱，散熱設(shè)備，安裝制冷器TEC1-12706和溫度傳感器DS18B20，利用實(shí)驗(yàn)室的關(guān)電源進(jìn)行供電，對(duì)所設(shè)計(jì)的智能溫控系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。制冷試驗(yàn)中，在30℃的室溫下，1分鐘左右箱內(nèi)溫度能降到設(shè)置的20℃，3min左右溫度能降到設(shè)置的10℃，5分鐘左右溫度能降到設(shè)置的5℃．雖然DS18B20精度是±0．1℃，但受到保溫散熱環(huán)境溫度波動(dòng)等條件的限制，只能維持在所設(shè)定的溫度值±0．5℃。由于TEC1-12706制冷功率有限，箱內(nèi)很難降到0℃以下，但車載冰箱常用于冷藏而非冷凍的已滿足用戶要求。加熱試驗(yàn)中，只需要1分鐘左右就能升到最高溫度65℃，這是因?yàn)榧訜嵝蔬h(yuǎn)高于制冷效率。

4 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)的智能溫控系統(tǒng)不但能實(shí)現(xiàn)車載冰箱的制冷和加熱，還能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度，并且具有一定的控制精度，可在車載冰箱中應(yīng)用，也能推廣到飲水機(jī)，醫(yī)療恒溫箱的應(yīng)用中。

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