基于单片机的半导体制冷片温度控制系统研究

陈晓雯

渤海大学工学院



基于单片机的半导体制冷片温度控制系统研究

陈晓雯

渤海大学工学院

本文的半导体制冷片温度控制系统采用的温度控制算法是PID算法，选择的核心控制器件是单片机型号选择的是AT89S52，制冷的元件选择的是半导体的制冷片。本系统主要介绍了相关的硬件设计和软件设计，并且给出了半导体制冷的原理介绍。

AT89S52单片机 半导体制冷片 PID

1　半导体制冷的概述

所谓的半导体制冷的另外一个称呼是温差电制冷或者也可以称为热电制冷。这个热电制冷称呼的来源是归于当有直流的电流经过某种材料的时候会出现制冷的功能，并且这种材料是含有某种特性的，就是能够进行转换热电能量。考虑到具有这种热能量转换特性的有半导体，而且半导体的使用可以实现制冷效果的实用化，所以半导体制冷的称呼是这样来的。

相比于传统的机械制冷而言，半导体制冷的不同点在于：1）运动的部件没有，而且当在震动的时候，来自噪声方面的声音比较低2）不需要任何相关的制冷剂，而且不会造成环境方面的影响，进行的从冷到热的这个过程，操作起来比较容易实现3）当制冷的时候选择的是功率比较小的器件的时候，产生的制冷系数也是比较高的4）制冷的时候在速度方面是比较快的，同时做出反应的速度也是相当快速的，产生的温度差是很大的5）适用于多种场合，可以做成系统所需要的形状。所以从这里可以看出来，半导体制冷技术已经取得了很大的进步，并且在很多的领域中已经得到了很大的广泛应用，半导体制冷在制冷方面所占的位置是重中之重。

图1　半导体制冷的原理图

半导体制冷的实现过程用到了珀尔帖效应，这种效应是属于热电效应的范畴之中。所谓的珀尔帖效应指的是在一个回路中电源用到的是直流的电压，另外再加上不同的两种材料。然后在电路的相交的地方会产生放热的现象也有可能出现吸热的现象。所以回路中的两种不同的半导体材质就形成了P-N端，然后附带电压，这就形成了制冷的现象或者制热的现象。半导体制冷的原理图如图1所示。

从图1中可以看出来自电源负极产生的电子经过图中所有的金片和结点以及P，N级后回到了正极，由于P型处的那端空穴比较多，所以此处的电流的方向是和电子相反的。

2　硬件系统设计

基于单片机的半导体制冷片温度控制系统的总体结构图如图2所示。

图2　该系统的总体结构图

这个系统中包括的部件主要有液晶的显示电路，键盘的输入，温度传感器，单片机单元以及驱动的电路设计等等。在这个系统中液晶屏的作用主要是显示温度的改变，而单片机的作用主要是整体上控制这个制冷片的温度控制系统。

2.1控制电路

在控制电路的设计中的核心是单片机，控制电路的主要目的是检测恒温箱里面的温度的改变，按照PID的控制电路的算将对应的PWM传送到驱动的电路中，从而形成闭环的控制系统。其中最进行温度检测的这部分选择的元件是NIC电阻。系统中采用了AD采样，采样的对象是驱动电路中产生的电压。

2.2键盘电路

在键盘电路的设计过程中设计了4个按键，这几个按键的功能主要是设置温度，而且通过晶体显示屏将温度显示出来。键盘电路中的这4个按键是与单片机进行连接的，这4个按键的意思是设定温度，将温度以1℃进行递增，将温度以1℃进行递减，温度设定终止。

2.3半导体制冷片驱动电路设计

温度控制设备中对功率进行控制的电路中温度的控制系统中有着很重要的作用，现今控制方式采取的比较多的一般是PWM和电流的控制。

PWM在对输出的电压进行控制的时候是将脉冲的宽度进行改变来实现的。PWM是脉宽调制的缩写。所谓的控制方式是控制逆变电路中所包括的开关的关闭和打开的情况，从而实现产生幅值一样的脉冲，然后把输出端产生的这些脉冲去替换系统要求的波。也可以认为是在输出端产生的信号的半个周期以内形成的脉冲的数目是多个的，让形成的脉冲和正弦波形成的电压值是一样的，这样得到的谐波是平滑的而且是低次的。根据特定的规律调整脉宽，就能够将该电路中的电压输出值改变，同时可以对产生的频率进行调整。

当窄脉冲的冲量是相同而形状是不同的时候，产生的结果可以是一样的，这里提到的冲量就是窄脉冲所包含的面积，而产生的结果一样指的是波形的输出响应是一样的。如果采用傅里叶变换对所有输出的波形进行分析的话，那么就会发现这些波形中低频段处产生的特性是十分类似的，而且特性之间所具有的区别仅仅是在高频段地方。

PWM控制方式相比于其他的控制方式而言，当温度处于临界区域的时候，稳定性是最强的。这是PWM的一个重大的优势。电流控制方式相比于PWM而言控制起来比较容易，而且驱动力允许变化很大的频率。系统测试驱动电路测量数据如表1所示。

表1　驱动电路测量数据表

3　系统软件设计

3.1温度的控制算法

PID控制也可以称为是微分控制，主要的温度控制的原理就是把采集到的温度值和已经设置好的目标值做个对比，然后把这对比结果的差值当作是PID的控制模块中的输入值，根据一定的系数，比例运用PID算法将控制量计算出来，PID控制的特点是成本比较低，简单易操作，所以在许多的领域中都会应用到PID的控制方式。

温度控制电路中用到的重要的程序是PID程序。在PID的算法中通常会用到的公式如下：

公式中的e1代表的是采集到的温度和目标的温度之间的差值，而kp在这里表示的是对应的比例的系数，ie指的是所有采样之后将温度差进行相加后的结果。de表示的是第一次采样的温度与第二次采样的温度之间的差值。将kp和ki以及kd这几个值确定下来之后就可以代入进去求出V值。

3.2温度的采集程序

温度的采集过程中包括了通过温度传感器进行温度数据的读取，首先是通过温度传感器把数据读取出来，本文的温度传感器选择的是DS18B20，在进行温度的相关数据读取的过程中，需要先调用相关的初始化程序，这个初始化程序主要是用来进行传感器是否存在的验证，当检测的结果是存在传感器的时候，就可以进行温度启动，接着就读取数据，并将结果进一步的转换，温度传感器读取数据的流程图如图3所示。

图3　度传感器读取数据的流程图

4　结语

随着社会的发展，电子信息技术的不断进步 ，半导体的制冷技术已经取得了很大的突破，半导体制冷技术的实用性很高，而且应用范围也很广泛，在保护环境以及经济建设这些方面，半导体制冷技术起到了很大的作用。本论文中基于单片机的半导体制冷片温度控制系统选取的重要控制元件是单片机，而制冷元件选择的是半导体制冷片，实现了对设备温度的控制以及测量。本论文设计的系统操作性强，应用价值高，可以适应很多领域使用，发展的空间很广阔。

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