基于單片機的半導體制冷智能控制

黃鈔

摘要：隨著半導體材料和相關技術的不斷發展，越來越多的制冷設備采用半導體材料制冷，半導體材料具有體積小、重量輕等特點，單片機控制技術能夠與電腦的串口通信連接，實現制冷設備的智能控制。本文主要研究基于單片機的半導體制冷設備的智能控制技術，實現制冷設備控制的智能化，更好實現制冷效果，最大限度的節約能源。

關鍵詞：單片機；半導體制冷；智能控制

中圖分類號：TP316.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）01-0006-02

基于單片機的半導體制冷智能控制系統，融合了單片機控制技術和半導體制冷技術，實現制冷設備溫度控制的智能化，具有體積小、重量輕、使用壽命長等優點。

1 基于單片機的半導體制冷智能控制系統的結構及原理

半導體制冷器是一種利用珀爾帖效應來進行制冷的器件，它具有體積小、重量輕、使用壽命長、沒有噪音、無機械運動、加熱制冷迅速、控制精度高、不需要制冷劑、無污染等優點。單片機具有系統結構簡單，使用方便，實現模塊化；可靠性高，處理功能強，速度快；低電壓，低功耗，便于生產便攜式產品；控制功能強，環境適應能力強等優點，將單片機與半導體制冷技術結合起來，實現制冷設備的智能控制。

1.1 基于單片機的半導體制冷智能控制系統的結構

基于單片機的半導體制冷智能控制系統的主要結構包括處理器、溫度傳感器、數碼管顯示、按鍵調節電路、控制信號驅動電路、半導體制冷執行器連接電路，其結果圖如下圖1所示。

從系統結構圖系統結構圖中可以看出，當溫度低于（或高于）設定溫度時，通過溫度傳感器感受溫度，形成反饋信號，經過單片機內部模糊控制算法處理，形成單片機I/O口輸出的PWM信號，單片機根據設定的程序和反饋信號給驅動器發射啟動信號，驅動器控制半導體制冷器運轉制冷，使得密封箱體的溫度升高（或降低），同時，在溫度反饋電路中，及時反饋溫度值，通過單片機的控制運算達到設定溫度，從而實現單片機半導體制冷設備的智能控制。

1.2 半導體制冷設備的原理

半導體制冷設備的原理固體材料所具有的珀爾帖效應。珀爾帖效應是指由于固體材料的原子能級都不相同，材料中的載流子所具有的勢能也不同。在外加電場作用下，載流子開始流動，流動方向從低勢能材料流向高勢能材料，流動過程中吸收熱量，從而導致兩種不同材料的連結處出現致冷現象。

半導體制冷又叫熱電制冷，主要利用了熱電效應的原理。當直流電通過兩種不同的材料組成的回路時，在兩種材料的接觸面會產生能量交換的現象。通過直流電的時候，由P型半導體材料和N型半導體材料組成的半導體，當PN接觸就會產生電子由一種材料向另一種材料遷移的現象，在遷移的過程中，電子會把多余的能量釋放出來，因此該接觸面會產生熱量。同時，在另一個接觸面電子由一種材料進入到另一種材料的過程中，會吸收外界的能量，來保證它完成這種遷移，因此在該接觸面會產生吸收熱量的現象。

如圖2所示為半導體制冷原理圖，當線路通電流時，電子由上金屬板通過結點a流向N型半導體，電子勢能增大，并從上金屬板吸熱，使之變冷。當N型半導體中的電子通過結點d進入下金屬板時，勢能由大變小，于是放出熱量（能量），使下金屬板變熱。同理，當電流由上金屬板流向P型半導體時，空穴由上金屬板通過結點b流入P型半導體，勢能增大，并從金屬吸收熱量（能量），使之變冷；隨之，空穴通過結點c到達下金屬板時，勢能由大變小，放出熱量（能量），使下金屬板變熱。

2 基于單片機的半導體制冷智能控制系統

2.1 單片機

單片機簡單點說就是芯片，具有集成電路的芯片，將中央處理器CPU、A/D轉換器、只讀存儲器ROM、模擬多路轉換器、定時器/計數器等功能，利用集成電路技術把這些功能集成到微小的硅片上，從而構成一個微型計算機系統。根據具體的控制系統情況，選擇適當類型的單片機，一般采用STC12C5A16S2作為核心芯片，使用TEC1-12706半導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，通過上位機和單片機通訊，上位機可以顯示實時溫度值，并且可以進行溫度設置，半導體制冷片控制部分采用H橋驅動控制電路進行電壓翻轉H橋的導通和截止采用三極管開關電路進行控制，從而達到加熱和制冷的自動控制目的。

2.2 半導體制冷片

半導體制冷片選用TEC12706，TEC即半導體制冷器，它的工作原理是基于珀爾貼效應，即當電流以不同方向通過雙金屬片所構成H橋的結構時能對與其接觸的物體制冷或加熱。其工作原理圖如圖1所示。

半導體制冷設備的優點如下：（1）半導體制冷器的規格尺寸非常小，最小的制冷器可以到達1cm；（2）半導體制冷設備重量也非常輕，微型制冷器的重量往往只有幾克或幾十克。（3）機械傳動少甚至沒有，環保性能好，工作過程中無噪音，無液、氣工作介質，不存在污染環境，（4）制冷參數穩定，不受空間方向以及重力影響，即使機在械過載的條件下，也能夠正常地工作；（5）調節方便，電路電流控制制冷效果，通過調節工作電流的大小來調節制冷速率；通過切換電流方向，來快速完成制冷、制熱工作狀態的轉換；（6）作用速度快，使用壽命長，且易于控制。

2.3 數字溫度傳感器

數字溫度傳感器就是能把檢測設備采集到的溫度通過相應的轉換設備將溫度信號轉換為數字信號并通過數字現實屏幕現實出來。數字溫度傳感器的組成部件有溫、濕度敏感元件，信號轉換計算機、PLC、智能儀表、LED數字顯示器等等。起初，數字溫度傳感器處于關閉狀態，當供電之后，數字溫度傳感器進入連續轉換溫度模式或者單一轉換模式，用戶根據自己的需要選擇相應的工作模式，在連續轉換模式下，數字溫度傳感器可以連續轉換溫度并將結果存于溫度寄存器中，讀溫度寄存器中的內容不影響其溫度轉換；在單一轉換模式，數字溫度傳感器執行一次溫度轉換，結果存于溫度寄存器中，然后回到關閉模式，這種轉換模式適用于對溫度敏感的應用場合。在實際應用中，數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，五種分辨率分別對應溫度分辨率分別為1.0℃、0.5℃、0.25℃、0.125℃或0.0625℃，溫度轉換結果的默認分辨率為9位。

3 結語

本文主要研究基于單片機的半導體制冷智能控制系統，分析了基于單片機的半導體制冷智能控制系統的結構和工作原理，重點分析了半導體制冷設備的工作原理。就基于單片機的半導體制冷智能控制系統的主要組成部分單片機、半導體制冷片、數字溫度傳感器進行了研究，有利于制冷設備智能控制的研究。

參考文獻

[1]李恩章.基于單片機的半導體制冷智能控制[D].華北電力大學，2015.

[2]高坤.基于單片機的半導體制冷溫度控制儀[J].吉首大學學報（自然科學版），2009，04：69-72+77.