基于TEC 的溫控系統設計與實現

杜 帥

（遼寧大學信息學院，遼寧 沈陽 110000）

溫度是工業生產過程中常用的控制參數，在很多工業生產中直接影響著產品的質量。溫控系統是溫度控制系統的簡稱，是一種用于檢測和控制被控物體溫度的系統，通常包括溫度傳感器、控制器、執行器等。通過自動化的控制和監測，比較設定溫度和實際溫度的差值，實現溫度的調節和控制。溫控系統可以確保系統內部的溫度始終保持在預定的范圍內，以確保設備的正常運行和產品的質量穩定。實際應用中，溫度控制還需要考慮控制精度、控制穩定性、響應速度、控制范圍等因素，以實現溫度控制的最佳效果。近年來，隨著技術的不斷進步，溫控系統的設計越來越智能化和高效化，在各個領域的應用也越來越多樣，例如溫控器、恒溫水浴器、恒溫培養箱等，在科學實驗室、生物醫學、食品加工、化工企業等多領域得到了不可或缺的應用[1-4]。

光伏發電是指通過光伏效應將太陽能轉換為電能。太陽能電池板是光伏發電的核心，通常由硅等半導體制成。太陽能電池板通常采用多個組件串并聯組成一個電池組，以獲得所需電流或電壓的輸出。結合蓄電池，可用于存儲電能，在光照不充足的情況下，一定時間內持續提供電能。近些年，隨著國內外學者對光伏發電技術研究的不斷深入，光伏發電在家庭、公共交通、測量儀器能源系統等方面有了大量應用[5-8]。而在溫控的細分領域，光伏應用的研究還存在很大空間。因此，將光伏發電技術應用于溫控系統中依然具有很高的研究價值。

綜上所述，本文根據國內外研究現狀，設計了一種基于熱電制冷器（Thermo Electric Cooler，TEC）的小型溫控系統，利用光伏發電技術為溫控系統提供持續的能量，并對其工作原理進行了分析，最后通過仿真和實驗驗證了設計的正確性。與傳統的溫控系統相比，該系統無需外界供電即可實現對被控樣品的制熱或是制冷，系統內部通過太陽能發電及蓄電池組直接的能量交換即可實現電能的自給自足，具有可靠性高、體積小、成本低等優點。

1 熱電制冷器（TEC）原理

熱電制冷器（Thermoelectric cooler，TEC）是一種固態器件，它采用了珀爾帖效應，即法國科學家珀爾帖發現的熱電制冷和制熱現象（又稱溫差電效應），將能量從被控物體中轉移，以降低或增加被控物體的溫度。熱電制冷器的基本元件是P 型和N 型半導體元件連接而成的熱電偶對，這些半導體材料片之間通過金屬電極連接，形成一個熱電回路。當熱電偶對中通上電流，電子和空穴將分別從金屬片流進N 型和P 型半導體，而這個過程所吸收的熱量是要大于通過金屬片時產生的熱量的，從而使金屬片溫度降低，被控物體被降溫。而當電子和空穴從N 和P 型半導體流進金屬片時，電子和空穴結合釋放出的熱量則大于其帶走了的熱量，使金屬片溫度升高，從而加熱被控物體[9-10]。

TEC 可以用于制冷、加熱和穩定的溫度控制等領域。其具有諸多優點，如體積小、重量輕；操作靜音、無污染；穩定性好、調節溫度精度高；無需維護，壽命較長等。此外，熱電制冷器在某些特殊場合下也具有很好的應用前景，例如宇航技術中，由于宇宙中的真空環境，可以使用熱電制冷器來控制儀器溫度。需要注意的是，TEC 在高溫差下容易損壞，所以在應用TEC 時應根據其規格和工作條件等因素進行合理設計和控制，以保證其正常的工作和使用壽命。熱電制冷器通常用于小功率、低溫度的制冷應用，例如在微型冷卻器、溫度控制器和溫度補償器等方面得到廣泛應用。在未來，隨著人們對于環保和可持續發展的重視，熱電制冷器將成為一種具有重要應用價值的設備，將為各行各業帶來更多的創新和發展機遇。

2 系統簡析

如圖1 所示，本系統由以下幾個部分組成：光伏發電電路模塊、蓄電池雙向變換電路模塊、控制電路模塊、TEC 電路模塊、人機交互平臺模塊。

圖1 系統框圖

1.光伏發電電路模塊：包括光伏陣列以及后面的降壓穩壓模塊。光伏陣列由4 塊12V，50W 的太陽能電池板串聯而成，經過降壓穩壓電路，穩定輸出12V電流。

2.蓄電池雙向變換電路模塊：主要包括蓄電池組和充放電電路，蓄電池組由一節12V，30Ah 蓄電池構成。在光照充足且蓄電池電量不足的情況下從光伏陣列為蓄電池充電，在光照不足的情況下作為電源放電，以保證在一定時間內持續的電能供應。

3.控制電路模塊：包括單片機MSP430、溫度傳感器等，負責采集被控物體的實時溫度數據，并根據與設定溫度的差值來控制系統的升降溫。通過對收集到的電壓、溫度信號進行處理與判斷，單片機會對系統中的各個模塊發送控制信號，控制各個模塊的工作狀態，并通過人機交互平臺顯示出當前系統的狀態。MSP430 采集光伏陣列兩端的電壓，當其大于40V 時，說明此時光照充足，降壓穩壓模塊開始工作，為系統提供所需電能[11-12]。之后，檢測蓄電池組兩端電壓，當其小于10V（蓄電池組由一節12V，30Ah 蓄電池構成）且太陽能電池板光照充足時，開啟充電電路，光伏陣列在為TEC 供電的同時也將多余的能量存入蓄電池中；當蓄電池電壓大于10V 且太陽能電池板光照充足時，蓄電池雙向變換電路暫不工作，系統的供電由光伏陣列提供；當蓄電池兩端電壓大于10V，光伏陣列兩端電壓小于40V 時，說明此時光照不足以提供系統所需電能，此時通過單片機控制蓄電池組放電電路開始工作，系統不足的能量由蓄電池提供；當光伏陣列兩端電壓小于40V，蓄電池電壓小于10V 時，說明整個系統進入欠壓狀態，TEC 電路停止工作并通過顯示屏提示此時系統狀態[13]。

4.TEC 電路模塊：它是本系統的溫控模塊，由TEC電路組成。因TEC 器件需要穩定可靠的直流電源，通過控制模塊對光伏發電電路及蓄電池雙向變換電路的控制，可以使母線電壓穩定為12V 直流。包括熱電制冷器及其驅動器，在控制模塊的控制下，實現系統的制冷或制熱。使用鍵盤輸入被控樣品的待控溫度，并將此值送入單片機當中。同時，系統通過溫度采集，將被控樣品的實時溫度轉化成數字量后送入單片機當中。在單片機中，通過比較采集到的預置溫度的數字量與樣品實時溫度的數字量，來判定對樣品的加熱或是制冷[14-15]。

5.人機交互平臺模塊：包括顯示屏及控制鍵盤。用于顯示被控樣品實時溫度數據、設定預期溫度值等參數，以及進行操作和控制。圖2 為實驗室條件下整體系統實物模型，此實物模型目前僅用于實驗測試溫控數據。

圖2 系統實物模型

3 實驗結果

在實驗室環境溫度25℃，并且太陽能電池板受到充足光照的情況下，調試系統的硬件及軟件，使用示波器測試光伏陣列電壓為48V，蓄電池兩端電壓為12V，母線電壓穩定為12V。

通過對圖2 中鍵盤的設置，分別對水、冰紅茶、洗潔精三種樣品（各100mL）進行升降溫實驗，由于TEC 器件在高溫差下容易損壞，設置上限溫度60℃，下限溫度20℃。各樣品在升溫、降溫過程中，均能夠較好地完成升溫到60℃以下或降溫到20℃以上的任務，控制偏差穩定在±1℃之內。與傳統的水浴加熱法相比，不僅控溫速度快，還能進行小范圍精確的降溫處理。但是由于該系統受其硬件方面及軟件方面的制約，超過此溫度范圍的快速、準確的溫控暫無法實現。除液體樣品外，本系統同樣適用于導熱良好的固體物品的溫控。

4 結論

本文提出了一種基于熱電制冷器（TEC）的小型光伏溫控系統，并通過理論分析和實驗驗證，證明本系統能快速實現一定范圍內的升溫和降溫，與傳統的溫控模塊相比，具有體積小、成本低、可靠性高等優點。并且，該系統應用光伏發電技術為系統提供所需能量，在光照不足時可由蓄電池釋放能量，可在一定時間內實現系統能量的自給自足。