基于TEC1-12703的恒温系统设计

欧阳文 曾专武 汪艺 欧阳从江 黎瑾 陈婉清

摘要：本文论述了以热电致冷芯片TEC1-12703为基础且安全可靠的恒温系统设计。系统中温度传感器DS18B20芯片对温度进行测量，将接收的模拟信号转换为数字信号输入微处理器模块，8086微处理器将实测值与设定值进行对比，通过输出指令控制TEC1-12703芯片加热或制冷，以实现恒温的效果。本系统采用继电器换向电路，快速实现冷热交替，适用于不同的场合，具有一定的推广价值。

关键词： 热电致冷芯片;8086微处理器; DS18B20芯片。

1 引言

在日常生活中，恒温系统应用广泛：恒温箱、中央空调、饮水机、电冰箱等，本文以热电致冷芯片（TEC）为核心，设计了一个小型恒温系统。TEC由半导体组成，通过一面吸热一面散热的原理同时实现制热和制冷，具有结构简单、体积小、无污染、工作环境要求低、容易控制等优点。

2硬件系统设计

2.1硬件模块介绍

本系统由四大模块组成，分别是温度采集模块，选用温度传感器DS18B20;微处理器控制模块，选用8086微处理器;温度控制模块，选用热电致冷芯片TEC1-12703;散热模块，通过使用散热片、风扇等进行物理散热。系统的框架如图1所示。

2.1温度采集模块

通过对比芯片的体积大小、对温度测量的精确度、抗干扰能力和开销问题，选取了DS18B20传感器。芯片由三个引脚，分别是VDD、DQ、GND。GND接地;DQ是数据输入或输出引脚，VDD是电源引脚。温度测量范围是-55℃～+125℃。传感器每次测温时必须有初始化、传送命令和数据交换3个过程。

DS18B20芯片接通电源后将处于低功耗的等待状态，当输入指令[44H]，温度传感器将进行一次温度转换，将测量的温度值以2个字节存储到RAM里面。

DS18B20数据引线和I/O端口连接，通过1-Wire协议和DS18B20通信，将测量结果输出给8255A。

2.2微处理器控制模块

中央控制核心采用8086CPU处理，它负责对端口進行初始化管理和数据计算及对外设进行控制，保障外设随温度变化而改变动作。8255A借口传递来自温度传感器的信号，控制电源的通断来使热电制冷片工作，达到恒温控制的效果。在使用8255A前，需设置其控制字来确定工作方式，我们将控制字设为90H，即A组工作在方式0，与温度传感器端相连作为输入接口，B组工作在方式0，与电源端相连作为输出接口。当温度一直处于设定温度之上时，输入端一直接收高电平，输出端一直使电源工作，直到温度在设定温度之下。由于输入端的信号是连续的，所以这里不需要用到锁存器。在8086CPU与8255之间还需要一个译码器，我们选用74HC138，接入8255A片选信号输入端，选中8255A运行。

由于8086CPU输出的控制信号是数字信号，此时需要通过数模转换器（D/A）将输出的数字信号转换成控制热电致冷片所需的电压信号。

2.3温度控制模块

热电制冷是利用温差效应进行制冷的，在芯片内部通过电极串联把n对P型和N型半导体连接在一起组成电偶对。当电子和空穴组成电偶对，并通以直流电时，电路中的能量发生转移，热量会从芯片的一端流向另一端。这个时候，制冷芯片的一端温度降低为“冷端”，另一端温度升高为“热端”。将加载在两端的直流电流反向时，热量逆向流动改变传输方向，冷热端也发生交替改变。因为热电制冷芯片可以同时实现发热和制冷，所以热电制冷芯片可以用于比较精确的温度控制。在此我们选用TEC1-12703芯片。

TEC1-12703芯片的尺寸大小为40*40*3.6mm，最大工作电流为3A，额定电压为12V，温度范围是-55℃至+83℃。我们采用的是模块化分解设计方法，所有模块的连接和控制都基于8086微处器。温度采集器DS18B20采集环境中的温度，转换成8086微处理器可以识别的信号，然后8086微处理器再与设定的温度值进行比较，超出了设定的范围8086将智能控制8255A连接直流电源使热电制冷芯片工作。当测量温度高于设定值时热端与散热器相连接，电流由N型半导体流向P型半导体，根据原理芯片将会从外界吸收能量，环境中的温度自然而然就降低了。当测量温度温度低于设定值时，反向导通直流电流。电流从P型半导体流向N型半导体，释放能量，环境温度升高。但是由于半导体自身存在电阻，当电流经过半导体时就会产生热量，从而会影响热传递。而且两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。为了达到更低的温度，可以采取散热等方式降低热端的温度来实现。8086微处理器对热电制冷芯片采用PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而实现恒温的目的。

3软件系统设计

图2是软件系统流程图，TH、HL、为给设定的温度值区间上下限，T为温度传感器的测量结果。

4结语

本文设计的以TEC1-12703为核心的恒温系统，突出的特点就是体积小，性能高，可实现快速温控的效果。因此，该系统应用范围比较广泛，具有较强的推广意义。