淺談半導體制冷溫度控制系統的設計研究

侯衛衛

（山東經貿職業學院，山東 濰坊 261011）

在半導體制冷技術使用中，發現半導體制冷溫控產品還存在制冷功率不高的問題，并且在進行產品制造時，制作者過于重視成本問題，而對溫度把控的準確度和使用中出現耗電較高的問題并沒有及時進行解決。因此，為了更高效對半導體制冷溫度控制系統中所出現的問題進行解決，嘗試基于前人研究成果，從系統溫度把控準確度與縮減耗能等方面著手，構建更完善的半導體制冷溫度控制系統，為我國半導體體制冷技術的研發與推廣作出積極貢獻。

1 半導體制冷原理

半導體制冷技術并非憑空產生，在研究湯姆遜效應、傅里葉效應等效應且積累較多成果與經驗前提下，根據實際需求所建立的制冷技術，該技術是通過一定大小的電流控制有效確保半導體制冷系統的正常運轉，在整個系統運轉中往往會出現放熱、吸熱等熱量傳遞情況。結合客觀存在的溫差電效應關系，得出等式：Qp=πI- I2R-K (Th-Tc)，在這個等式中π=aTc，其中Qp為主要單位時間的總體產量，J；π 為珀爾貼系數；a 為溫差中的電動勢率；Tc為主要的冷端溫度，K；I 主要是電流大小的顯示，A；R 是制冷片的阻值，Ω；K 主要是半導體采制的傳熱主要系數；Th主要是熱端溫度，K。可以改動的條件共計兩點，一是直流電大小，二是通電時長，隨之發生改變的是產冷量和制冷強度，并且往往會造成電流方式的變化，從而有效實現電流加熱和電流制冷兩種檔位的靈活轉變。這種控制步驟整體來講比較簡單，且兩種相異工作狀態，可以通過半導體制冷系統來實現。P 勢材料的應用會導致半導體出現主雜質，造成這種現狀的緣由是較多空穴密切，通常將這種情況稱為正溫差電勢。基于半導體制冷原理圖1，能夠明顯地看出，當直流電從N 型半導體材料通過導體流入到P 型材料中，會出現電子從低能級(P 型)轉變為高能級(N 型)的狀況，且在這一轉變中會出現一定的能級躍遷，所以勢必會對外界的能力進行吸納用以完成躍遷活動，最終形成制冷端。同時，相對的一端電流，通過P 型材料流入N 型材料，在微觀制冷端相反和能級躍遷現象加持下，對外釋放能力則視為放熱端。

圖1 半導體制冷原理示意圖

在實踐運行中，主要是通過對P 型和N 型的半導電偶從而變成熱點堆，這樣可以有效對制冷量進行控制，單機半導體制冷片需要酌情選用，多數時候使用TEC1-12706 型號。之所以選擇該型號，與其具備127 對半導體電偶對相關，可輸入12.0 v 電壓，以滿足實際需求，而最大溫差電流最高可達到6.0A,溫度最大值在60-70℃。在單級半導體制冷片共同參與下，還有導熱塊、散熱風扇等多種散熱設備。

2 系統硬件設計

在半導體制冷溫度控制系統中的硬件設施，主要是通過系統設計將整個溫度檢測系統進行劃分，在使用中主要通過單片機控制模塊，完成整個信號的輸出管控；利用溫度檢測模塊，完成整體的溫度管控設置，通過按鍵有效進行人機交互功能轉換，在1602 液晶顯示中主要通過設置溫度和實時溫度完成監控。另外，單片機控制模塊主要包含電源供能模塊，其中USB 轉口可以與通信模塊以及H 橋驅動執行模塊進行整合使用。其中每一個模塊都擁有單獨設計，且能與整體實現調整與融合，組合成更具穩定性與操作性的溫度控制系統硬件部分。為了更加有效保證該設計系統的正常運轉，基本的硬件構建圖具體見圖2。

圖2 系統硬件結構示意圖

2.1 溫度檢測模塊

在溫度檢測模塊的使用選擇上，通過對各種傳感器的測溫準確度、使用方便以及該設計系統適合度進行綜合性對比分析，整合出最佳的傳感器影響因素，方可便利后續在測溫傳感器上選擇，可更輕松找到合適型號。一般情況下，生活中多選用三種溫度傳感器，即熱電偶溫度傳感器、熱敏電阻溫度傳感器、IC 溫度傳感器。就靈敏度而言，不建議選用熱電偶溫度傳感器，并且特別容易被工作環境影響，從而導致測量的溫度數值準確度并不高，往往用在微小變化溫度值測量工作上，并不會用于較大傳感器的使用；熱敏電阻溫度傳感器，通常連接的線路較為龐大復雜，在工作使用中并不容易對數值完成有效識別；IC 溫度傳感器，整體線路的連接屬于較為簡單系列，并且在工作使用中數值讀數相對來講比較方便、直觀。在實際檢測中采用IC 溫度傳感器可以高質量完成測試、轉換以及對溫度值的保存等功能，這些優勢都是前兩種傳感器所不能比肩的。也正是因為IC 溫度傳感器的這些優勢，使得其應用推廣前景相對更好，更受人們歡迎。

基于此，設計的系統建議將輾選結果確定為美信Dallas公司生產的DS18B20 數字化溫度傳感器，該型號的IC 溫度傳感器接口為“一線總線”樣式，便捷系數更高。IC 溫度傳感器在實踐應用中，只需簡單將DS18B20 數據引線連接單片機中的任意一個I/O 接口，借助1-wire 協議與DS18B20 達成通信目的，這樣可以對測試溫度進行有效讀數，詳細狀況可以透過對電路連接原理的解讀去發現。在軟件程序的特定設置前提下，即可對最低的9 位以及最高12 位輸出進行辨別，在明確分辨率基礎上科學設置數字溫度值，在整個調節過程中并不需要進行外A/D 轉換，從而有效的將系統硬件電路設計量進行了全面簡化。整體有效測溫范圍主要集中在-55-125℃，在-10-85℃范圍內所得出的測溫最為明確、可靠，相對應所需工作電壓集中在3-5V。

2.2 單片機控制模塊

以單片機控制模板為關鍵元件，能夠高效管理溫度控制系統。在溫度傳感器提示的溫度值中，選用分段式算法對數值進行綜合對比分析，以保證單片機控制模板來有效管控信號輸出，自可加強對驅動執行模塊全面把控，如此才可對系統制冷器運轉狀態加強管控。另外，在單片機控制模板系統正常運轉下，還需要在使用中對單片機控制模板系統的成本進行合理控制，該設計系統在成本核算范圍內，選擇STC89C52RC 型單片機為主的控制芯片。這一類型的單片機控制模板具有高速可靠、較低功耗、超低價等諸多優勢，這些優勢值得肯定。但是，在這一類型單片機在設計中并沒有安裝對應的PM模塊，所以需要借助單片機內部的定制器來確保系統正常運轉，通過TO 轉變使對應輸出進行有效改變，進而實現對PWM的控制，并且在一周之內對定時器初值進行2 次的重載，主要是通過對兩個不同的初值來對高低電平實現差異持續時間的控制，這樣可以有效的對制冷片電流方向以及電流時間進行改變，從而使其產冷量發生變化。

2.3 H 橋驅動執行模塊

H 橋驅動執行模塊在使用中，往往都是以直流定動機轉向和轉速的驅動控制來完成把控，并且H 橋驅動執行模塊具備結構簡單、驅動能力較高以及使用范圍較為廣泛的特點。在對H 橋驅動執行模塊使用中發現，半導體制冷片和直流電機中存在較多類似情況，主要表現在使用中均可以直接通過直流電和工作性質發生關系，并通過直流電方式和直流電大小情況來進行工作強度的綜合控制。所以在半導體制冷溫度控制系統中進行H 橋驅動電路的融入，可以通過驅動執行設計來進行有效運用。

在半導體制冷溫度控制系統中，主要是通過4 個MOS管(1 對N 溝道、1 對p 溝道MOS 管)所形成的性轉，來對不是溝道組成的H 橋驅動驅動電路進行控制。并且在進行單片的傳輸和信號的控制接收環節中，可能會因為導通的不同導致對角的MOS 管無法正常使用。這樣能夠使半導體制冷片中的電流的方向出現相異情況，從而更加有效完成制冷和制熱兩種狀態的變換。在輸出信號出現變化過程中，需要對持續時間進行有效控制，并根據實際情況對制冷制熱工作強度進行實時監控。在利用H 橋驅動執行模塊系統工作時，模塊主要是利用對應型號開關電源完成獨立供電功能，這樣可以更有效滿足半導體制冷片對工作效率的需求，提高系統整體運行水平。

3 軟件算法設計

在完成系統電流搭建以后，采取分段式PID 控制算法。分段式PID 控制算法的使用，主要是以PID 算法為主完成整個環節的完善和改進。在分段式PID 控制算法主要是對其中的比例、積分以及微分三大維度進行有機整合，通過對系統中出現的誤差進行測量與計算，算出最為合理的控制量，進而得出相對應的穩態誤差等層面的響應控制結果，實現對整個系統誤差的優化。其中計算的主要數學表達式是：u(k)=Kpe(k)+KI∑e(j)+KD[e(k)-e(k-1)]。在等式中，u(k)主要是算法進行一定輸出的控制量；Kp主要是比例的系數；e(k)主要是在進行溫度設置中和第K 次進行測試溫度之間的差值；K 為采集樣本的次數，k=0,1,2,3, …；KI主要是積分的對應系數；KD是微分對應系數。在測試中可以得出，在設計算法系統使用中能夠明顯提高整個系統的應答效果，有效縮減系統進行穩定的時間，確保系統中潛在問題的及時發現與解決。

在對系統進行有效計算時，需要設定一定溫度范圍并在此范圍內進行計算。比如在一定范圍中進行控制算法的運用，這樣可以有效提高系統在溫度中的穩定性：如果e(k)并沒有在一定范圍內進行計算，系統將對制冷制熱調節輸入全脈寬，從而有效提高系統運行的效果，還可以實現對溫度進行精準控制。在對系統進行調整時，可以通過使用KeiluVision4 方式進行轉變，對主程序、DS18B20 驅動讀取程序、1602 液晶顯示程序、按鍵驅動程序和PWM波配置程序等進行有效融合。整體系統的流程圖可以從圖3 中看出。

圖3 系統流程圖

4 實測結果

在進行測試時，室內溫度無法準確進行控制，在實際進行測試中通常穩定在26℃上下，所以在進行實驗時初始溫度可控制在該溫度值上開展制冷控制實驗。并且一般將溫度控制變量選擇在15-0 攝氏度范圍內，進而得出半導體制冷溫度控制系統溫度設定通常穩固在0.05 攝氏度左右。同時在進行測試中可以看出，如果設定溫度比0℃溫度低時，半導體制冷溫度控制系統所產生的制冷效果會嚴重下降，這種情況的出現主要是因為半導體制冷溫度控制系統制冷量的提高，會產生大量的熱能，散熱段并沒有及時進行散熱，導致系統散熱的方式不再合理，最終使得無法達到預期效果；半導體制冷溫度控制系統最大的超調量主要是在5℃以內，可以有效滿足各種領域中對這一方面的使用要求。除此之外，半導體制冷溫度控制系統響速度較快，并且在短時間中可以形成大量的制冷量，這也是半導體制冷和其他制冷方式中最具有優勢的地方。

經過對半導體制冷溫度控制系統進行有效的測試實驗能夠發現，該設計制冷控制系統整體結構較為簡單，并且在使用中較為方便，具有較為顯著的控溫效果，且制冷過程較為快速，與其他制冷方式相對具有能耗低、控溫能力強的特點。本次進行實測過程中通過對各種基礎性能的對比分析，半導體制冷溫度控制系統適合在較小的恒溫實驗、血液儲備保存、激光實驗儀器等諸多領域，在日常生活中可以進行較為廣泛地使用。

結束語

綜上所述，本文中設計的半導體冷溫度控制系統，是集溫度測量、數值顯示、溫度控制等不同功能于一身，選擇對應型號單片機為主要控制核心芯片，同時使用相應型號溫度傳感器為主要溫度測量軟件，并選擇H 橋驅動電路作為電力驅動半導體制冷進行使用，采用分段式的計算方式來對整個自動控溫系統進行計算。從上述實際測試結果中可以看出，所設計的半導體制冷溫度控制系統的結構較為簡單，并且在日常運行工作中操作相對較為便捷，具備較好的工作性能，更能滿足人們對不同工作環境的需求，期望通過設計研究能夠為后續工作提供有益參考。