基于單片機半導體溫度控制系統的研究

唐啟見

（湖南軟件職業學院 湖南 湘潭 411100）

1 半導體制冷技術的發展

半導體制冷也稱為熱制冷，利用半導體材料通過電流的作用，一端可以吸收熱量，另一端可以釋放熱量的效應（帕爾帖效應）實現制冷或制熱的效果。

早在19世紀初期，德國物理學家塞貝克和法國科學家珀爾貼相繼發現了溫差電效應，即在電流的作用下，半導體的兩端可以實現一端制冷，一端制熱的效應，也就是后來的塞貝克效應和珀爾貼效應。由于當時半導體材料的限制，導致塞貝克系數和珀爾貼系數都很小，半導體制冷技術并沒有得到大力的發展和廣泛的應用。直到20世紀初，德國一位科學家提出了更好的熱電效應，指出要求有較高塞貝克系數的半導體材料，并提出了相關的熱電制冷理論。20世紀30年代，半導體材料與技術的不斷發展進步，半導體制冷與制熱性能逐漸被人們重視，并開始進入到應用階段。尤其在二戰期間，因軍事需要，西方各國科學紛紛開始對半導體制冷進行研究，如原蘇聯就利用了半導體制冷原理研究出了一臺冰箱。由于被廣泛的關注與研究，半導體制冷技術越來越成熟，在軍事、醫療、汽車、酒柜、藥柜等局部范圍制冷的領域得到了廣泛應用。

我國半導體制冷技術的發展起步相對較晚，但是發展十分迅猛，這主要是得益于半導體制冷技術已經在歐洲有了大量的研究理論與實踐應用。20世紀70年代開始認識這門前沿技術，80年開始初步應用，出現了簡單的小型冷藏箱，用來保存食品。90年代后，半導體制冷技術得到了大力的推廣，已經在日常生活、軍事、醫療等方面進行了廣泛的應用。

當然目前半導體制冷技術還存在一些不足，如半導體材料的研究近年來沒有太大的突破、半導體制冷系統熱端散熱不足等問題，制約著半導體制冷技術的發展與應用。

2 半導體溫度控制系統的設計

隨著材料技術的不斷發展，半導體制冷技術逐漸成為材料技術發展中的熱門技術。半導體制冷結構簡單，由于沒有機械運動，幾乎無磨損、無噪音、無污染，且壽命長，方便控制。因此，半導體制冷技術在小范圍局部制冷方面有著天然的研究價值與應用價值。

2.1 系統概述

本系統利用了半導體制冷技術、溫度傳感器數據采集技術以及單片機的智能控制技術進行設計的。產品主要由半導體制冷片、溫度傳感器、單片機等主要元件組成，按功能劃分為五大模塊：制冷模塊、電源模塊、控制模塊、散熱模塊、溫度采集模塊。

電源模塊為整個系統供電，溫度采集模塊把采集溫度并轉換成電信號，供控制模塊處理，控制模塊主要是通過收到的溫度是否在預設區間內，然后發出是否開啟制冷片制冷的指令，從而實現某一固定空間的溫度始終保持在一定的區間，達到溫度控制的目的。散熱模塊主要帶走制冷片在制冷過程中產生的熱量，以保證系統工作的穩定性。

2.2 溫度采集模塊

溫度采集模塊主要用于監控溫度，把采集到的溫度及時地反饋給單片機，單片機通過讀取到的溫度傳感器采集到的數據，進行分析處理。控制制冷片電源電路。溫度傳感器可選用DS18B20芯片，該芯片為單總線設計，電路簡單，體積小，成本低，抗干擾能力強，精度高，軟件設計比較成熟等特點。能夠準確地為單片機實時控制制冷片制冷效果提供依據。

2.3 控制模塊

控制模塊主要是通過分析溫度傳感器采集到的溫度信息，實時發出控制指令，控制制冷片在制冷與制熱工作模式間切換，從而保證某一固定區域達到恒溫的效果。單片機芯片選用STC12C2052AD單片機，該芯片是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼兼容傳統的8051，但速度卻快了8～12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速8位A/D轉換，控制功能強大。滿足本系統的功能需求。

2.4 制冷模塊

本系統的制冷原理是利用半導體的溫差電效應，半導體在電流的作用下會出現吸熱、放熱的現象，通過科學的方法處理好吸熱、放熱就可以實現制冷或制熱的目的。半導體制冷片的制冷效果可以通過輸入電流進行高精度控制，所以，利用半導體制冷片便于實現溫度控制系統。制冷片技術在我國的發展起步相對較晚，由于半導體制冷的優越性，我們也有很一部分科研人員對這項目技術進行了大量的研究與應用嘗試，也出現在一系列應用產品，如車載冰箱、飲水機等設備上。本系統選用的半導體制冷片為TES1-00701，該半導體制冷片具有無回轉效應，制冷快，溫差大，體積小，噪音小，無震動等特點。

2.5 散熱模塊

本系統主要是利用半導體的溫差電效應的制冷效果來精確控制溫度，如果不能科學合理地處理制熱端的散熱問題，制冷效果就會大打折扣。因此，散熱的處理是本系統的一個非常重要的模塊。本系統的散熱方式采用液冷式散熱，利用水泵使散熱管中的冷卻液循環并進行散熱。散熱管采用直徑0.3mm、長度為1m的硅膠管，在系統內部形成一個封閉的循環管道，通過冷卻液的循環流動帶走制冷片產生的熱量，冷卻液在散熱管中流動不斷將熱量擴散到空氣中，從而達到散熱的目的。液冷散熱具有散熱效果好、環保等特點。

3 結語

本文采用模塊化的設計方法，從硬件方面提出了一種基于單片機控制、制冷片制冷的溫度調節系統的設計，系統所用到的元件容易購買，電路簡易，效果明顯，成本低廉，具有較強的適應性，應用價值可觀。