基于單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷片溫度控制系統(tǒng)研究

陳曉雯

渤海大學(xué)工學(xué)院

?

基于單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷片溫度控制系統(tǒng)研究

陳曉雯

渤海大學(xué)工學(xué)院

本文的半導(dǎo)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(jī)型號(hào)選擇的是AT89S52，制冷的元件選擇的是半導(dǎo)體的制冷片。本系統(tǒng)主要介紹了相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并且給出了半導(dǎo)體制冷的原理介紹。

AT89S52單片機(jī) 半導(dǎo)體制冷片 PID

1　半導(dǎo)體制冷的概述

所謂的半導(dǎo)體制冷的另外一個(gè)稱呼是溫差電制冷或者也可以稱為熱電制冷。這個(gè)熱電制冷稱呼的來(lái)源是歸于當(dāng)有直流的電流經(jīng)過(guò)某種材料的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)制冷的功能，并且這種材料是含有某種特性的，就是能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)換熱電能量。考慮到具有這種熱能量轉(zhuǎn)換特性的有半導(dǎo)體，而且半導(dǎo)體的使用可以實(shí)現(xiàn)制冷效果的實(shí)用化，所以半導(dǎo)體制冷的稱呼是這樣來(lái)的。

相比于傳統(tǒng)的機(jī)械制冷而言，半導(dǎo)體制冷的不同點(diǎn)在于：1）運(yùn)動(dòng)的部件沒(méi)有，而且當(dāng)在震動(dòng)的時(shí)候，來(lái)自噪聲方面的聲音比較低2）不需要任何相關(guān)的制冷劑，而且不會(huì)造成環(huán)境方面的影響，進(jìn)行的從冷到熱的這個(gè)過(guò)程，操作起來(lái)比較容易實(shí)現(xiàn)3）當(dāng)制冷的時(shí)候選擇的是功率比較小的器件的時(shí)候，產(chǎn)生的制冷系數(shù)也是比較高的4）制冷的時(shí)候在速度方面是比較快的，同時(shí)做出反應(yīng)的速度也是相當(dāng)快速的，產(chǎn)生的溫度差是很大的5）適用于多種場(chǎng)合，可以做成系統(tǒng)所需要的形狀。所以從這里可以看出來(lái)，半導(dǎo)體制冷技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，并且在很多的領(lǐng)域中已經(jīng)得到了很大的廣泛應(yīng)用，半導(dǎo)體制冷在制冷方面所占的位置是重中之重。

圖1　半導(dǎo)體制冷的原理圖

半導(dǎo)體制冷的實(shí)現(xiàn)過(guò)程用到了珀?duì)柼?yīng)，這種效應(yīng)是屬于熱電效應(yīng)的范疇之中。所謂的珀?duì)柼?yīng)指的是在一個(gè)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(huì)產(chǎn)生放熱的現(xiàn)象也有可能出現(xiàn)吸熱的現(xiàn)象。所以回路中的兩種不同的半導(dǎo)體材質(zhì)就形成了P-N端，然后附帶電壓，這就形成了制冷的現(xiàn)象或者制熱的現(xiàn)象。半導(dǎo)體制冷的原理圖如圖1所示。

從圖1中可以看出來(lái)自電源負(fù)極產(chǎn)生的電子經(jīng)過(guò)圖中所有的金片和結(jié)點(diǎn)以及P，N級(jí)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(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷片溫度控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

這個(gè)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(jī)單元以及驅(qū)動(dòng)的電路設(shè)計(jì)等等。在這個(gè)系統(tǒng)中液晶屏的作用主要是顯示溫度的改變，而單片機(jī)的作用主要是整體上控制這個(gè)制冷片的溫度控制系統(tǒng)。

2.1控制電路

在控制電路的設(shè)計(jì)中的核心是單片機(jī)，控制電路的主要目的是檢測(cè)恒溫箱里面的溫度的改變，按照PID的控制電路的算將對(duì)應(yīng)的PWM傳送到驅(qū)動(dòng)的電路中，從而形成閉環(huán)的控制系統(tǒng)。其中最進(jìn)行溫度檢測(cè)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(duì)象是驅(qū)動(dòng)電路中產(chǎn)生的電壓。

2.2鍵盤電路

在鍵盤電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)了4個(gè)按鍵，這幾個(gè)按鍵的功能主要是設(shè)置溫度，而且通過(guò)晶體顯示屏將溫度顯示出來(lái)。鍵盤電路中的這4個(gè)按鍵是與單片機(jī)進(jìn)行連接的，這4個(gè)按鍵的意思是設(shè)定溫度，將溫度以1℃進(jìn)行遞增，將溫度以1℃進(jìn)行遞減，溫度設(shè)定終止。

2.3半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

溫度控制設(shè)備中對(duì)功率進(jìn)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(xiàn)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(duì)輸出的電壓進(jìn)行控制的時(shí)候是將脈沖的寬度進(jìn)行改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PWM是脈寬調(diào)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(guān)的關(guān)閉和打開的情況，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生幅值一樣的脈沖，然后把輸出端產(chǎn)生的這些脈沖去替換系統(tǒng)要求的波。也可以認(rèn)為是在輸出端產(chǎn)生的信號(hào)的半個(gè)周期以內(nèi)形成的脈沖的數(shù)目是多個(gè)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(jù)特定的規(guī)律調(diào)整脈寬，就能夠?qū)⒃撾娐分械碾妷狠敵鲋蹈淖儯瑫r(shí)可以對(duì)產(chǎn)生的頻率進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)窄脈沖的沖量是相同而形狀是不同的時(shí)候，產(chǎn)生的結(jié)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(chǎn)生的結(jié)果一樣指的是波形的輸出響應(yīng)是一樣的。如果采用傅里葉變換對(duì)所有輸出的波形進(jìn)行分析的話，那么就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些波形中低頻段處產(chǎn)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(dāng)溫度處于臨界區(qū)域的時(shí)候，穩(wěn)定性是最強(qiáng)的。這是PWM的一個(gè)重大的優(yōu)勢(shì)。電流控制方式相比于PWM而言控制起來(lái)比較容易，而且驅(qū)動(dòng)力允許變化很大的頻率。系統(tǒng)測(cè)試驅(qū)動(dòng)電路測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　驅(qū)動(dòng)電路測(cè)量數(shù)據(jù)表

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(jīng)設(shè)置好的目標(biāo)值做個(gè)對(duì)比，然后把這對(duì)比結(jié)果的差值當(dāng)作是PID的控制模塊中的輸入值，根據(jù)一定的系數(shù)，比例運(yùn)用PID算法將控制量計(jì)算出來(lái)，PID控制的特點(diǎn)是成本比較低，簡(jiǎn)單易操作，所以在許多的領(lǐng)域中都會(huì)應(yīng)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(huì)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(biāo)的溫度之間的差值，而kp在這里表示的是對(duì)應(yīng)的比例的系數(shù)，ie指的是所有采樣之后將溫度差進(jìn)行相加后的結(jié)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(gè)值確定下來(lái)之后就可以代入進(jìn)去求出V值。

3.2溫度的采集程序

溫度的采集過(guò)程中包括了通過(guò)溫度傳感器進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的讀取，首先是通過(guò)溫度傳感器把數(shù)據(jù)讀取出來(lái)，本文的溫度傳感器選擇的是DS18B20，在進(jìn)行溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)讀取的過(guò)程中，需要先調(diào)用相關(guān)的初始化程序，這個(gè)初始化程序主要是用來(lái)進(jìn)行傳感器是否存在的驗(yàn)證，當(dāng)檢測(cè)的結(jié)果是存在傳感器的時(shí)候，就可以進(jìn)行溫度啟動(dòng)，接著就讀取數(shù)據(jù)，并將結(jié)果進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換，溫度傳感器讀取數(shù)據(jù)的流程圖如圖3所示。

圖3　度傳感器讀取數(shù)據(jù)的流程圖

4　結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，電子信息技術(shù)的不斷進(jìn)步 ，半導(dǎo)體的制冷技術(shù)已經(jīng)取得了很大的突破，半導(dǎo)體制冷技術(shù)的實(shí)用性很高，而且應(yīng)用范圍也很廣泛，在保護(hù)環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)這些方面，半導(dǎo)體制冷技術(shù)起到了很大的作用。本論文中基于單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷片溫度控制系統(tǒng)選取的重要控制元件是單片機(jī)，而制冷元件選擇的是半導(dǎo)體制冷片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備溫度的控制以及測(cè)量。本論文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)操作性強(qiáng)，應(yīng)用價(jià)值高，可以適應(yīng)很多領(lǐng)域使用，發(fā)展的空間很廣闊。

［1］ 齊臣杰，卞之，劉杰.半導(dǎo)體制冷器優(yōu)化設(shè)計(jì)工作狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.低溫工程，2007，155（1）：43-46

［2］ 井緒忠，元夫軍. 基于半導(dǎo)體制冷片的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（12）：9-10

［3］ 呂劍虹，陳來(lái)九.模糊PID控制器及在氣溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 1995（1）： 16

［4］ 劉康.功率二極管勢(shì)壘整流二極管性能及工藝特點(diǎn).半導(dǎo)體技術(shù)［M］，1998 ，23（5）：58 -60

［5］ 孫宏海，李澤學(xué)，紀(jì)華，等.半導(dǎo)體制冷型高幀頻CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)及其成像噪聲分析［J］.光學(xué)精密工程，2008，16（10）：2038-2044

［6］ 陳立兵，樊瑜瑾，代杰.基于 AT89S52 單片機(jī)的溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械與電子，2011（2）：65-67