半导体制冷器件原理及其应用

2015-10-17王丹

河南科技 2015年7期

王丹

（河南省许昌市生产力促进中心，河南许昌 46111161111）

随着科技的快速发展，半导体技术不断成熟，半导体制冷被广泛应用。半导体制冷又被称为温差电制冷或者热电制冷，由于半导体材料的热电能量转换特点是最佳的，它的运用让热电制冷更加实用。半导体冷却器根本不用别的制冷剂，控制简单方便，可以制热与制冷，没有噪音，也没有运动部件，也无需连续的工作，用多个半导体连在一起能够让制冷功率变大。由于具有上述优点，半导体冷却器获得广泛应用。在军事方面，半导体制冷得到了充分的应用，例如军用导航、通讯车、潜艇、导弹，医疗领域的冷力、白内障摘除器、血液分析仪等，实验室方面的电子低温测试装置、冷阱、各种高低温仪器，以及目前的研究热点，如早产婴儿保育箱、小型热电空调冰箱、小型恒温控制系统、CPU冷却装置，同样在航空航天方面，由于其杰出的特点，让半导体制冷应用也非常广泛[1-3]。

1 半导体制冷器件的原理

热电偶，也就是温差电偶时，半导体的基本结构单元，半导体制冷材料是通过半导体自身的温差电特性制成的固体电子器件，根据泊尔帖效应。如图1所示，为基础热电偶的结构，用P型半导体材料形成一个电偶臂，N型半导体材料形成另一个电偶臂。用金属电桥将两个电偶臂连接在一起。将直流电压加在电偶两端，载流子在外电场的作用下，按照一定方向运动在回路中。在金属中，电子的能量比N型半导体中的能量要低。电子能量流进N型臂从金属中，要将能量吸收进去，可以看到吸热效应在结点；一个结点的电子相遇空穴，在P型臂中，电子离开空穴在另一个结点。在相遇的时候，空穴和电子复合在一起，将能量放出来，然后导致热效应在结点的地方；离开空穴的时候，就要将能量吸收，从而导致电子空穴产生，然后导致吸热效应在结点的地方。总而言之，空穴、电子到达的时候，在结点放热，当离开的时候，就吸收热量。在图1中，制冷就是金属电桥1变冷；致热就是金属电桥2变热，整个回路是半导体制冷器的工作原理[4-7]。

图1 基本热电偶

2 STC12C5A60S2简介

2.1 STC12C5A60S2单片机内部结构

在一块电子芯片中，有基本的计数器/定时器，I/O端口、存储器（RAM和ROM）、集成有中央处理器（CPU）等部件并具有独立指令系统的智能器件，即在一块芯片上实现一台微型计算机的基本功能被称为单片机。不同种类的单片机有不一样的技术特征，由于其指令系统和硬件结构不同。单片机芯片的内部结构决定了单片机的硬件特征，设计人员一定要了解单片机芯片的性能是否能够达到系统所要求的特性指标和系统所需要的功能。技术特征主要包括：电气特性、控制特性、功能特性等，可以从生产厂商的技术手册中得到这些信息。指令特性就是单片机的输入输出特性，逻辑处理和数据处理方法，寻址方式等。开发环境包括硬件资源、软件资源、指令的可移植性和指令的兼容性。单片机及应用系统有以下特点：

2.1.1 系统体积小、控制功能强，可以非常方便地安装在被控设备中，让产品更加智能化。

2.1.2 应用系统所用存储器芯片可以进行批量应用和开发，由于其可以进行掩膜形式生产，而且应用系统所用存储器芯片可以选择OTP、E2PROM、EPROM芯片，很多单片机，例如51系列，扩展应用芯片配套于开发芯片，因此，可以让系统成本降低。

2.1.3 单片机自身不具备开发能力，一般调试和开发系统都是利用专用的开发工具，最后形成的产品效益高、成本低、使用简单。

2.1.4 应用系统使用方便、可靠性高、抗干扰能力强，一般在片内（外）ROM中驻留程序。

2.1.5 系统配置能让系统拥有很高的性能价格，因为它的出发点是满足控制对象的要求。

2.1.6 单片机可以让产品更加智能化，充分体现设计思想，因为其具备独立的指令系统。

控制总线、地址总线、数据总线等三大总线，中断系统、串行接口、并行接口、定时/计数器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、中央处理器组成了89C51单片机。单片机的关键部分为中中央处理器（CPU），CPU完成的操作有输出、输入、运算功能，CPU对整个单元系统协调工作进行调度、指挥、控制，CPU能对八位二进制代码或者数据进行处理，CPU是八位数据的处理器。128个专用寄存器单元和128个8位用户数据存储单元共同组成89C51内部，数据存储器（RAM），专用寄存器单元和数据存储单元都是一起编的地址，但是专用寄存器不可以存放用户数据，用户只可以访问和存放控制指令数据。因此，只有128个RAM可以被用户使用，只能存放用户定义的字形表、运算的中间结果、读写的数据。常数表格和已调试完成的程序存放在程序存储器（ROM）中。为了提高系统可靠性，一般将应用程序固化在片内ROM中。程序计数器PC是一个专用寄存器，是由CPU设置的，用来存放将要执行的指令地址。

2.2 中断系统

由于计算机系统外部或者内部一些原因，计算机的中央处理器一定须暂停正运行程序，而自动执行之前已经安排的对这个事件进行处理的服务子程序，结束处理后，将已经中止的程序继续进行执行的过程，被称为中断。专门完成中断功能的软件和硬件系统被称作中断系统。89C51有着非常完善的中断功能，其优先级别选择有两级，它可以达到各种控制要求，包括：两个外中断、两个计数器/定时中断，一个串行中断。

2.3 时钟电路

STC12C5A60S2单片机必须要将振荡电容放在外面，STC12C5A60S2里面装置的频率的最大值可以获得12MHZ的时钟电路，可以用作单片机的脉冲时序。单片机有两种结构，一种是数据存储器和程序存储器共同组成的结构，即普林斯顿结构。另一种是数据存储器和程序存储器分开的形式，即哈佛结构。通常情况下，16位的MCS-96系列单片机一般选择普林斯顿结构，而INTEL的STC12C5A60S2系列单片机选择哈佛结构的形式。

2.4 STC12C5A60S2的引脚说明

STC12C5A60S2单片机中断接口和P3接口复用，有4组8位，共32个I/O口，外面有两根时钟线，放的石英振荡器，选择双列直接DIP结构，由40PIN封装。两根地线和正电源，40个引脚。下文说明一下这些引脚的功能。

2.4.1 时钟电路引脚（XTAL2）（18脚）。这个脚接微调电容和外部晶体的一段在STC12C5A60S2内部，振荡电路相反方向的放大器的输出端为这个脚。振荡电路的频率是固定的。当选择外部时钟电路时，这个引脚会输入外部脉冲。

2.4.2 时钟电路引脚（XTEL1）（19脚）。这个脚接在外部晶体和微调电容的另外一端。反相放大器的输入端就是这个脚，在选择外部时钟时，这个脚必须接地。

2.4.3 复位引脚（RESET）（9脚）。复位信号输入端就是复位引脚，复位引脚的高电平非常有效果，它能够完成复位操作，就是因为它的脚的机器周期有两个，也就是拥有24个时钟振荡周期。它还拥有第二个功能，即当主电源产生问题时，就在RST端自动接入5V电源，当降低到低电平规定值时，提供备用电源给单片机。这让电源恢复后，信息保持不丢失，正常工作。EA/VPP引脚（31脚）：外部存储器地址允许输入端，又称为访问程序存储器控制信号端。一是当EA引脚接高电平时，中央处理器对EPROM进行访问，并对内部程序存储器中的指令进行执行。二是当EA脚接低电平时，无论有没有片内程序存储器，中央处理器只对外部EPROM进行访问，并执行外部程序存储器中的指令。三是这个脚还拥有别的作用：作为施加较高编程电压输入端，在同化编程针对89C51片，就是输入21V的烧写电压通过这个脚，在STC12C5A60S2烧写内部EPROM时。PSEN（29脚）：外部程序存储器读选通信号端又叫程序存储器允许输入端。PSEN拥有有效的低电平，在读取外部ROM，就可以将实施读操作针对外部ROM单元：一是PSEN不会产生变化，当读取内部ROM。二是每个机器读取外部的ROM，都会进行两次动作。三是两个PSEN脉冲不会进行输出，只会被跳过，在读取外部RAM时。四是OE脚相接ROM当外接ROM时。

当STC12C5A60S2的小系统接上电后，认真检查指令读取是否正确，可以看PSEN端有无脉冲通过示波器，如果有，就证明工作是正确的。ALE（30脚）：地址对控制信号端进行锁存。当89C51工作是正确的时候，频率为振荡器频率FOSC的1/6的正脉冲信号向外输出从ALE脚。当中央处理器对外部存储器进行访问时，ALE将八位地址的控制信号锁存。所以，ALE信号能够输出定时信号或者时钟。同时P0接口有4个八位的并行通讯端口，也就是P0接口、P1接口、P2接口、P3接口。P0接口，就是P0.0-P0.7，39-32引脚，由八位双方向的I/O端口。P1接口：就是P1.0—P1.7，1—8引脚，八位双方向的I/O端口。P2接口：就是P2.0—P2.7，21—28引脚，就是八位双方向的I/O端口。P3接口：就是P3.0—P3.7，10—17引脚，就是八位双方向的I/O端口。P0接口有三个功能：①P0接口不扩展时，内部没有上拉电阻，可以作为普通的I/O使用，当外部接上上拉电阻，可以作为输入或输出时。②当外部扩展存储器时，可以当作地址总线。③当作外部扩展存储器时，可以当作数据总线。P1接口：由于其内部有上拉电阻，因此仅仅作为I/O口使用。P2接口的功能有两个：①当内部有上拉电阻时，就作为普通的I/O口使用。②当扩展外部存储器时，可以当作地址总线。P3接口的功能有一个：当内部有上拉电阻时，就作为普通的I/O使用。因为P3接口有内部的EPROM的单片机芯片。

3 半导体制冷控温系统的组成

半导体温度控制图如图2所示，温度信号被半导体的温度传感器或者变送电路转化为电信号，直接输入单片机STC12C5A60S2控制系统，控制厢体温度[8]。

3.1 温度信号的传感及变送

为了让温度的控制更加精细、准确，一定要设计更高精度的温度传感器和变送电路，系统的温度传感元件是铂热电阻，转化温度信号为电压信号，主要是通过恒流激励手段，当温度大于0℃，小于600℃，铂热电阻方程可用式（1）表示：

式中：t为温度；R0为t=0℃时的铂电阻值；A，B为铂电阻的温度系数，A=3.208 2×10-3/℃，B=-5.802 96×10-7/℃。

图2 半导体致冷控温系统

根据公式（1）可知，铂电阻恒流工作时，为了让输出的电信号是线性的，铂电阻恒流工作时输出电压的二次式系数为负值，作非线性补偿时一定要选择正反馈的方法在变送电路中，温度变送电路如图3。

令正反馈系数

式（3）代入式（4）可得：

从公式（6）可以知道，当温度大于0℃，小于t℃，取测温起点连接终点输出电压的连接线为拟合直线。如图4，输出电压V1的温度特性曲线拥有S形非线性误差，对拟合直线[9]。

图3 温度传感及变送电路

V1对t的二阶导数为

在温度拐点处有：

由此可得：当t=tp时，

3.2 半导体制冷驱动电路

半导体制冷的输出信号直接输入单片机STC12C5A60S2中，单片机在作了PID算法控制后，就会将PWM信号从P1.5、P1.6口输出，从而让整个驱动电路的工作情形得到控制。当RB2口为低电平时，P1.1口为高电平，就会导通T1.T3.T4，让T2.T5.T6截止，就会有正向电流I从半导体制冷器件流过，半导体器件就会制冷。而出现相反的情况，半导体制冷器件就会停止工作。PID算法将它工作时间的长短控制住了，从而可以控制温度。

3.3 测试结果

图5 半导体致冷器件驱动电路

本文对体积约为1m3的密封厢体（有隔热保护层）进行控温，在20～40℃，采用Pt1000作为传感头，据式（6），可求得在拐点温度30℃处，其最佳正反馈系数F=1.4042×10-4。据此可取电阻R3=R4=10kΩ，代入式（2）可得（R2+W1）的阻值为24.74kΩ，取R2=24kΩ，W1=1kΩ.为减少铂电阻的自热效应，取恒流I0=1mA，据式（5）可计算出在20～40℃内，V1的输出为-1.2697～1.3789V。系统单片机STC12C5A60S2内嵌有A/D转换，它的模拟电压大于0V，小于2.5V，为了让V0的输出范围在大于0V，小于2.5V之间，对W2、W3进行调节。13468模块为半导体制冷器件选择的模块，额定电流为4.5A，它的工作电压为12V，平衡时间在几分钟内，它的控温精度为0.02℃，工作温度范围在大于20℃，小于40℃之间。