基于单片机和半导体制冷片的热敏电阻实验

薛洪涛，李载亭

（南京邮电大学，江苏 南京 210046）

随着半导体热敏电阻在工业中的应用日益广泛，大学物理实验中有必要了解它们的一些特性[1－3]。热敏电阻是一种电阻值随着电阻体的温度变化呈显著变化的热敏感电阻，一般多由金属氧化物半导体材料制成，也有由单晶半导体、玻璃或塑料制成。由于热敏电阻具有体积小、结构简单、灵敏度高、稳定性好、易于实现远距离测量及控制等优点，被广泛应用于测温、控温、温度补偿等领域。本文设计完成了基于单片机和半导体制冷片的热敏电阻温度特性研究实验，探讨了单片机和半导体制冷片在物理实验教学中的应用。

1 热敏电阻温度特性研究实验原理

本设计可用于测量各种热敏电阻、热电偶等各种材料的温度特性，本设计中采用负温度系数热敏电阻[1]，它是以锰、钻、镍、铝、锌等两种或两种以上高纯度金属氧化物为主要材料，经共同沉淀或水热法合成的纳米粉体材料，后经球磨混合、等静压成型、高温烧结、半导体切片、划片、玻璃封装或环氧包封等封结工艺制成的接近理论密度结构的半导体陶瓷材料，这些金属氧化物都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗硅等半导体材料。它具有电阻值随着温度的变化而相应变化的特性。低温时，这些氧化物材料的载流子数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。负温度系数热敏电阻的阻值在一般室温下的变化范围为10～1 500 000Ω，其电阻率和材料参数随着材料成分比例、烧结温度、烧结气氛和结构状不同而变化。本设计中所用热敏电阻的温度特性[1]公式为：

热敏电阻的温度系数定义为：

对于负温度系数热敏电阻，其温度系数是温度的函数，可表示为：

由上式可以看出负温度系数热敏电阻的αT随温度升高而迅速减小。对式（1）线性化得：

2 系统的工作原理及总体结构设计

本设计采用单片机作为温度控制的核心部件，实现基于AT89C52做控制的温度控制系统。系统的硬件方案如1所示，硬件电路主要由单片机系统、温度采样调节电路、驱动控制电路组成。其中单片机系统由单片机、A／D及D／A转换器、键盘接口和LED显示接口等组成，用于完成对温度数据的读取、显示、处理、输出控制以及温度的设定；温度采样调节电路包括温度采样电路和调节电阻，用于完成对观测系统的温度采样测量及调节；驱动控制模块由制冷片驱动电路组成，用于对半导体制冷片的驱动。半导体制冷片与热敏电阻结构采用三明治结构，如图1所示，热敏电阻夹在两片半导体制冷片之间形成一个小的加热／制冷空间。

图1 系统硬件示意图

系统的软件部分包括监控程序程序、A／D和D／A转换程序、PID控制程序、键盘接口及LED显示程序、串口通信等，实现系统的温度测量、显示和控制的功能。

3 系统硬件结构及软件设计

图2 半导体制冷片结构示意图

半导体制冷又称为热电制冷或温差电制冷，半导体的P节及N节在通过直流电后，将产生5种热电效应[2，4]。其中塞贝克（Seeback）、珀尔帖（Peltier）和汤姆逊（Thomson）3种效应表征电能和热能相互转换是直接可逆的，另外两种效应是不可逆的热效应，即焦耳效应和傅立叶效应。半导体制冷主要是珀尔帖效应的应用，它是由法国科学家珀尔帖于1834年发现。半导体制冷器的基本元件是热电偶对，即把一只N型半导体和一只P型半导体连接成热电偶，在电路上串联起若干对半导体热电偶对，而在传热方面是并联的，这样就构成了一个常见的制冷热电堆（如图2）。当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，节点上将产生吸热或放热现象，这就是珀尔帖效应。对于半导体热电材料来说，当电流方向从空穴半导体流向电子半导体（电流方向为P→N）时，接头处的温度升高并放出热量；反之，接头处温度降低并从外界吸收热量。因其具有加热制冷双向工作、无震动、无噪音、可靠性高、安装容易、热惯性小等特点[2，3，5]。

图3 制冷片驱动电路模块图

本设计中选用的半导体制冷片是TEC－12703见图3，控制流入制冷片的电流方向实现制冷片制热与制冷的变换，其最大温差电流为3A，最大制冷功率为28W，最大温差为70℃，最大工作电压为15.5V。制冷片的工作电流选用Burr－Brown公司的功率放大器OPA548，驱动电路[3，6]如图3所示，可将 D／A输出0～2.5V的电压转换为制冷片所需的 2.5～2.5A的电流。Uin是来自单片机的D／A信号为0～2.5V，Uref为参考电压为2.5V。U1设计为加法电路，U2构成分压电路，U3设计成电压跟随器，U4为OPA548构成的功率放大器。功率电阻Rf和R8分别为0.5Ω和3Ω，计算可得各电阻有以下关系：

半导体片的电阻及通过电流为RTEC和ITEC，则输入电压Uin和电流ITEC有以下运算关系：

代入Uref及Rf可得：

由式（8）可知，当输入电压Uin为0～1.25V时，通过半导体片的电流为负方向，当输入电压Uin为1.25～2.5V时，通过半导体片的电流为正方向。通过半导体片的电流会随着输入电压Uin改变而发生换向，从而实现半导体片制冷与制热功能的变换。

图4 铂电阻Pt100电路模块图

温度检测方法根据敏感元件和被测介质接触程度，选用铂电阻Pt100作为本系统的温度传感器，铂电阻具有精度高、线性度好，性能稳定可靠的特点，尤其在氧化性介质中，高温、低温下的物理化学性质都很稳定[7]。基于铂电阻本设计中采用PID控温方法，PID是基于经典控制理论中的调节器控制原理，由于其算法简单、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，非常适合于可建立精确数学模型的确定性控制系统[5，8，9]。测温电路采用非平衡电桥电路和仪表放大器电路[1，3]。如图4所示，R21及R22为相同电阻，R20为精密电位器，与PT100组成非平衡测量电桥。通过调节电位器R20的阻值大小可改变温度的零点设定，当PT100的阻值和R20的阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差，电压U＋和进入后端的差分放大器，放大器输出电压信号U0，送到单片机进行A／D转换处理。

单片机系统以STC89C52为控制核心，A／D转换器和D／A转换器分别采用AD1674和DAC0832。单片机STC89C52最小系统是由电源、复位及时钟振荡电路、RS232串口电路等部分组成。复位电路使单片机处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，使程序从程序存储器的0000H地址单元开始执行程序，时钟电路为CPU提供时钟脉冲。采用4只共阳极的LED数码管显示系统温度或设定预期温度。根据设计的需要，键盘输入采用4个按键，实现对预期温度的设定。

温度控制采用PID控制算法，单片机为控制器，在温度与设定温度相差较大时不需要引入PID控制算法调节，全功率制冷或制热，当温度相差较小时，引入PID控制算法调节[5，7，8]，经 过PID算法处理后输出至D／A转换器转换为模拟电压量，这个电压量再经制冷片驱动电路加载到半导体制冷片上，实现系统加热或制冷。

4 小 结

本设计很好地实现基于AT89C52单片机做控制和半导体制冷片的热敏电阻温度特性研究实验仪，设计完成了温度特性研究系统的硬件电路和软件构造，介绍了半导体制冷片的基本结构，探讨了单片机和半导体制冷片在物理实验中的应用。此实验平台具有很好的可扩张性，可方便地用于设计组成各种如热电偶温差电势、半导体热电性质等方面温度控制类的实验内容，同时还具有集成度高、体积小、使用方便等特点，非常适合普通物理实验教学日常需要。本工作得到南京邮电大学项目NY211145和教改研究项目JG00709JX14的支持。

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