半导体制冷温度控制系统的设计研究

王成刚，许翻凡

（武汉工程大学 机电工程学院，武汉 430205）

半导体制冷技术，又称热电制冷或温差电制冷，它同吸收式制冷、机械压缩式制冷共称为当今三大制冷方式。与后2种方式相比，半导体制冷尺寸小、重量轻，工作中无液态、气态工作介质，故此无污染，在制冷功率不高的应用场合其制冷系数较高。基于以上优点，半导体制冷在一些特殊场合的应用适合度远高于其它方式[1-2]。半导体制冷技术的发现与应用，使人们在制冷方式的对比、选用中，有了更优质的选择。

然而，经调查测试，实际应用中的半导体制冷温控产品存在制冷功率不高，制造者过分在意成本问题，而忽视了温控精度和使用过程中耗电量较高造成的效率低下等问题。为了解决半导体制冷温控系统存在的上述短板，综合考虑控制精度、工作效率等影响系统实际效果的主要因素，设计了半导体制冷温度控制系统，在前人研究的基础上设计了温控系统硬件结构和控制程序。

1 半导体制冷原理

半导体制冷是以塞贝克效应、汤姆逊效应、珀尔贴效应、傅里叶效应和焦耳效应为基础建立起来的制冷方式。通以一定大小的直流电即可工作，在工作运行中伴随着吸热、放热的热传递效应。根据温差电效应关系，即

其中

π＝αTc

式中：Qp为单位时间产冷量，J；π为珀尔贴系数；α为温差电动势率；Tc为冷端温度，K；I为电流大小，A；R为制冷片阻值，Ω；K为半导体材料的传热系数；Th为热端温度，K。当改变直流电大小或通电时间时，其制冷强度和产冷量会同步改变，同时改变电流方向可以实现加热和制冷2种工作状态的切换，控制简单，且将这2种相异的工作效应集于同一半导体制冷元件上。

从微观层面上分析，半导体制冷根本原理涉及电子能级跃迁理论。半导体制冷片由N型半导体材料和P型半导体材料组成，N型材料是在半导体中掺入施主杂质，有多余的电子产生负温差电势；P型材料是在半导体中掺入受主杂质，因电子不足而产生大量空穴，从而为正温差电势。半导体制冷原理如图1所示，当直流电从N型材料经金属导体流向P型材料时，即电子由低能级（P型）流向高能级（N型）发生能级跃迁，其务必会吸收外界能量以完成跃迁，故成为制冷端。在另一端电流从P型材料流向N型材料，微观能级跃迁现象与制冷端相反，向外释放能量成为放热端[3-4]。

图1 半导体制冷原理Fig.1 Schematic of semiconductor refrigeration

在实际应用中，由多对P型、N型半导体电偶对组成热电堆，以此满足实际制冷量的需求，所设计的半导体制冷温度控制系统使用TEC1-12706型号的单级半导体制冷片。其具有127对半导体电偶对，额定输入电压12.0 V，最大温差电流6.0 A，最大温差可达60～70℃。与其配套使用的还包括散热风扇、导热块等散热装置。

2 系统硬件设计

在该系统硬件电路的设计实现中，采用模块化分解设计方法，将整个系统分为温度检测模块检测温度，单片机控制模块输出控制信号，按键调整输入模块起到温度设置完成人机交互的功能，1602液晶显示模块用于显示设置温度和实时温度。同时，该系统还包括电源供能模块、USB转串口通信模块和H桥驱动执行模块。各模块的单独设计与整体调试相互结合，共同构成温度控制系统硬件部分[5]。为实现设计系统正常工作，其最基本的硬件架构图如图2所示。

图2 系统硬件架构Fig.2 System hardware structure

2.1 温度检测模块

在温度传感器的选用上，综合对比各类传感器的测温精度、使用便捷与否以及与所设计系统的契合程度等因素，以确定使用最为合适的测温传感器。当前使用最多的温度传感器有：热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器、IC温度传感器等。其中，热电偶传感器灵敏度低，易受环境干扰，精度不高，一般不宜用于检测微小变化的温度值；热敏电阻传感器接线复杂，不易读取数值；IC温度传感器连线简单，读数方便，此类传感器均能实现检测、转换和保存温度值等功能，其众多优点是前两者所无法比拟的，应用非常广泛。

故该系统选用美信Dallas公司的数字化温度传感器DS18B20，它属于“一线总线”式接口IC温度传感器。使用时，只需将DS18B20的数据引线和单片机其中1个I/O接口接上，通过1-Wire协议与DS18B20进行通信即可将温度读出，其电路连接原理如图3所示[6]。通过软件程序的设定，直接输出最低9位、最高12位分辨率可调的数字温度值，无需外增A/D转换，极大简化了系统硬件电路的设计量。其测温范围-55～125℃，在-10～85℃内测温最可靠，工作电压3～5 V。

图3 DS18B20电路连接Fig.3 DS18B20 circuit connection

2.2 单片机控制模块

单片机控制模块是整个温度控制系统的核心控制模块，通过接收温度传感器传来的温度值并与设置的目标温度进行分段式PID算法对比分析，输出一定的控制信号作用于驱动执行模块控制制冷器的运行状态[7]。在满足本系统基本控制要求的同时考虑成本，选用STC89C52RC型单片机为主控芯片。该系列单片机具有低功耗、超低价、高速可靠和强抗干扰性等优点。但由于所选单片机未内置PWM模块，故在此通过使用单片机内部定时器T0定时改变P0.0的输出来实现PWM控制：1个周期内重载2次定时器初值，即用2个不同的初值来控制高低电平的不同持续时间，以此改变通过制冷片电流的方向和时间，进而改变其产冷量。

2.3 H桥驱动执行模块

H桥驱动电路经常作为直流电动机转向和转速的驱动控制，具有结构简单、驱动能力强和适用范围广的优点。经研究比较发现，半导体制冷片和直流电机有着众多相似之处：工作中都通以直流电、工作性质的转变由直流电方向控制和直流电大小决定工作强度等。因此将H桥驱动电路引入半导体制冷温度控制系统的驱动执行模块设计中。

典型的由4个MOS管（1对N沟道、1对P沟道MOS管）呈矩形，对角为不同沟道排列组成的H桥驱动电路，在接收到单片机输出的PWM控制信号时会导通不同对角的2个MOS管，使得流过半导体制冷片的电流方向相异，进而完成制冷/制热的切换。同时控制信号高低电平持续时间的改变可实现制冷制热工作强度的控制[8-9]。在设计使用中，H桥驱动执行模块采用S-80-12型开关电源单独供能，以此满足半导体制冷片正常工作的功率要求。

3 软件算法设计

在系统电路搭建完成的前提下设计使用分段式PID控制算法。该算法以PID算法为基础进行优化改进而实现。PID控制全称比例-积分-微分控制，这3部分相互结合对系统误差和误差变化率进行计算，得出相应控制量，分别在响应速度、稳态误差和动态特性（如超调量）方面对系统响应进行改善。PID控制算法离散化的数学表达式为

式中：u（k）为算法输出的控制量；Kp为比例系数；e（k）为设置温度与第k次测得温度的差值；k为采样次数，k=0，1，2，3，…；KI为积分系数；KD为微分系数。经分析测定，所设计算法在系统运行工作中可以显著提升系统响应速度，降低系统稳态时间，有效地减小系统超调量等。

在算法设计中，设定了一个温度范围（-a，a）。当e（k）在此范围内时采用PID控制算法，提升系统在小温度范围内的稳定性；若e（k）不在此范围内时系统将输出全脉宽进行制冷制热调节，以此加快系统响应速度，及时对温度进行有效调节。该系统的整体软件程序使用Keil μVision4进行编写调试，其主要包括：主程序、DS18B20驱动读取程序、1602液晶显示程序、按键驱动程序和PWM波配置程序等。系统主程序流程如图4所示。

图4 系统流程Fig.4 System flow chart

4 实测结果

在实际测试中，室内温度难以精确控制，而经实测其大致稳定在26℃左右，故以此为初始温度进行制冷控制试验。以设置温度为变量（15，10，5，0℃等），测得所设计半导体制冷温度控制系统最终基本可以稳定在设置温度±0.05℃内。发现在设置温度低于0℃的情况下，系统制冷效果会大大减弱，这主要是由于随着系统制冷量的增加，散热端散热不及时，所采用的散热方式变得不再合理所造成的；系统的最大超调量在5℃以内，足以满足各领域在此方面的应用需求。此外，系统制冷响应迅速，可在短时间内产生较大的制冷量，这也是半导体制冷与其他制冷方式最大的优势所在。

经试验测试与应用的结果显示，所设计制冷控制系统具有结构简单，应用方便，控温效果优良，并且由于制冷过程迅速，在相同条件下能耗较低等优点。基于其在实测过程中各项基础性能的表现之上的分析，该系统适用于小型恒温箱、实验仪器恒温控制（如激光器）、血液储存设备等众多领域，具有很好的应用推广性。

5 结语

所设计半导体制冷温度控制系统集测温、显示、设置、控温于一体，使用STC89C52RC单片机作为控制核心芯片，DS18B20温度传感器为温度检测元件，引入H桥驱动电路来驱动半导体制冷片工作，同时使用分段式PID控制算法实现系统的自动控温。实测结果表明，该系统结构简单易行，操作方便，工作性能优良。由于系统的主要集中在系统构造实现上，而在半导体制冷片散热端散热方式的选择上使用了最为实用的强制风冷散热，未考虑最佳散热方式来提高制冷片的制冷强度，如水冷散热或热管式散热等。此方面的设计试验可作为今后研究的指导方向，以弥补不足。