半导体车载冰箱的智能温控系统设计

王千贵，杨永跃

（合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009）

在车载冰箱市场的激烈竞争中，半导体冰箱[1]由于成本低，重量轻，无机械转动等优点而倍受消费者的青睐。然而市场上销售的这类冰箱要么功能单一，要么被国外公司所垄断。这里设计出一套智能温控制系统，使半导体冰箱不但具有加热和制冷功能，还能实时显示调整温度，具有很强的实用价值。

1 系统硬件设计

文中采用模块化电路设计方法，主控芯片选择STC90C516RD+单片机，整个系统由温度检测实时显示模块，温度控制模块，功能键盘等模块所构成。其原理框图如图1所示。

图1 车载冰箱智能温控系统原理框图Fig．1 The principle diagram for intelligent temperature control system of car refrigerator

单片机根据DS18B20测得冰箱内的温度[2]，与设定值相比较，经过PID控制算法调整DA的输出电压控制半导体制冷器进行制冷或加热[3-5]，从而实现需要的温度，同时有液晶屏实时显示当前温度，各主要模块简介如下。

1.1 STC90C516RD+单片机与温度检测温度实时显示模块

STC90C516RD+单片机是晶宏科技生产的新一代高速低功耗，指令代码完全兼容8051单片机，具有EEPROM功能，内部集成MAX810专用复位电路，可省专门复位电路的设计。

温度检测选用美国DALLAS公司的温度传感器DS18B20[6-7]。它具有独特的单总线接口方式，在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现与微处理器双向通讯，并且输入输出均为数字信号。实际应用中不需要任何外部器件就可实现测温，这使得其与单片机接口变的非常简单，克服了模拟式温度传感器与单片机接口需要AD转换及其他外围电路的缺点。“一线总线”的数字式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合车载冰箱内恶劣环境的现场温度测量。

主要性能指标：1）测温范围-55～125℃，测温分辨率达到0．062 5℃；2）无需任何外围元件，可以直接输出温度值的9～12位串行数字量；3）温度最大转换时间为750 ns；用户可以设定报警温度，存放于EEPROM中。

DS18B20可以采用两种方式供电：寄生电源供电和外部电源供电。为了保证转换精度和系统的抗干扰能力，这里选用外部电源供电方式。

实时显示选用液晶显示屏TDJM1602，能显示汉字和英文字符。这里选用16字X 1行的显示类型，可设置为“当前温度为XX℃”来显示。温度检测实时显示模块的电路原理图如图2所示。

图2 温度检测实时显示模块的电路原理图Fig．2 Temperature testing and real-time displaymodule circuit principle diagram

1.2 温度控制模块

本模块是智能温控系统的核心，主要由12位数模转换器AD7248A，大电流驱动器OPA549，半导体制冷器件TEC1-12706等构成。

AD7248A一种内置放大器和基准电源的12位低功耗并行DA转换器，其数据输出建立仅需30 ns，在双极性供电模式下，能产生±5 V的输出电压。考虑到半导体制冷器需要工作在双极性电压下，这里选用双极性工作模式。

由图1原理框图可以看出12位DA输出的电压要送往半导体制冷器，通过控制流过制冷器电流的大小进而控制温度。但从数模转换器输出的电流驱动能力不强，因此需要加入电流驱动电路。这里选择大电流驱动集成芯片OPA549，它可以提供峰值10 A连续8 A的驱动电流。本设计采用双极性供电模式，以配合DA转换器的双极性输出，驱动半导体制冷器加热或制冷。

基于Peltier效应的半导体制冷器不需要任何制剂，易安装，无污染源，工作无震动噪音，理论寿命可达30万小时；既能制冷又能加热，一个片件就能代替分立的加热系统和制冷系统；通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制；热惯性非常小，制冷加热时间快，在较短的时间内就能达到最大温差。因此它特别适合小热量，小空间的温控领域，在车载冰箱，医疗恒温箱，饮水机等器械中得到广泛应用，其原理图如图3所示。

图3 半导体制冷器工作原理图Fig．3 Principle diagram of semiconductor refrigeration system

从图3我们可以看出改变电流的极性可在制冷和加热间切换，而吸热和放热率则正比于电流的大小半导体制冷器的设定温度在不同于环境温度的一定范围内可调。这里选用半导体制冷器件 TEC1-12706，最大温差电压为15．4 V，最大温差电流为6 A，最大制冷功率为53W。温度控制模块原理图如图4所示。

图4 温度控制模块原理图Fig．4 Temperature controlmodule principle diagram

1.3 功能键盘模块

功能键盘模块完成对外用户键盘操作的识别，具有按键识别，按键值分析功能。按键识别操作的功能是确定操作面板上是否有键按下，并保存下键值。为消除误判造成重复读取一个键值，软件设计时考虑进行防抖处理。通过按键输入需要调整的温度值与单片机检测到的温度比较后进行PID控制[8-10]。由于车载冰箱常要求控制箱体温度在2～25℃，控制范围有限，这里设计出仅用电源开关，温度加一，温度减一，温度显示转换4个按键。

2 系统软件设计

系统复位后开始工作，首先单片机控制软件发出指令通过DS18B20采样读取温度T1并送液晶显示屏TJMD1602实时显示。然后将测量值T1与设定的值T2相比较，其差值T送PID控制器。PID控制器输出的控制量经数模转换后变电压控制量，再经0PA549放大后，控制半导体制冷器件TEC1-12706的工作状态。TEC1-12706处于加热还是制冷取决于其上所加电压的极性。当T1＞T2，其差值大于零，此时输出电压为正，制冷器 TEC1-12706 制冷；当 T1＜T2，其差值小于零，输出电压为负，制冷器TEC1-12706加热。温度采样—计算温差—PID调节—信号放大输出—半导体制冷器周而复始，控制箱体内的温度在设定的值处附近上下波动。这一过程不断循环，直至达到设定的温度。为了更快达到调控效果，在PID控制前加了一段温差判断程序。当温差T大于阈值t时[4]，制冷器全功率制冷；当温差值T小于-t时，全功率加热。只有当温差界于两者之间时才启用PID控制。图4为主程序的软件流程图。

3 试 验

图5 主程序流程图Fig．5 Themain program flow chart

购买保温箱，散热设备，安装制冷器TEC1-12706和温度传感器DS18B20，利用实验室的关电源进行供电，对所设计的智能温控系统进行检测试验。制冷试验中，在30℃的室温下，1分钟左右箱内温度能降到设置的20℃，3min左右温度能降到设置的10℃，5分钟左右温度能降到设置的5℃．虽然DS18B20精度是±0．1℃，但受到保温散热环境温度波动等条件的限制，只能维持在所设定的温度值±0．5℃。由于TEC1-12706制冷功率有限，箱内很难降到0℃以下，但车载冰箱常用于冷藏而非冷冻的已满足用户要求。加热试验中，只需要1分钟左右就能升到最高温度65℃，这是因为加热效率远高于制冷效率。

4 结 论

文中设计的智能温控系统不但能实现车载冰箱的制冷和加热，还能实时显示当前温度，并且具有一定的控制精度，可在车载冰箱中应用，也能推广到饮水机，医疗恒温箱的应用中。

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