張立凱，姜永恒，何春鳳，馮 毅

（吉林大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130021）

1 引 言

1834年法國科學(xué)家佩爾捷發(fā)現(xiàn)了熱電致冷、致熱的現(xiàn)象．由N型及P型半導(dǎo)體材料組成的熱電元件，當(dāng)通過直流電流時(shí)，因其電流的方向不同，將在熱電元件N型及P型半導(dǎo)體材料的結(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象，該現(xiàn)象就稱為佩爾捷效應(yīng)．對(duì)佩爾捷效應(yīng)的物理解釋是：電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)形成電流．由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級(jí)，當(dāng)它從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)釋放出多余的能量；相反從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)將會(huì)從外界吸收能量．能量在熱電元件交界面處以熱的形式吸收或放出．

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的佩爾捷效應(yīng)演示儀器，該儀器帶有LED數(shù)碼管顯示和溫度傳感器，使學(xué)生能直觀地看到佩爾捷元件兩表面溫度的變化過程，而且通過手動(dòng)改變電流的方向，可以實(shí)現(xiàn)溫度變化的轉(zhuǎn)換．通過演示可以讓學(xué)生更好地了解佩爾捷效應(yīng)．

2 佩爾捷效應(yīng)演示儀器的設(shè)計(jì)思想

佩爾捷效應(yīng)演示儀器是以單片機(jī)為核心的智能化的演示裝置．儀器的電路框圖如圖1所示．

2．1 佩爾捷元件介紹

圖1 儀器的電路結(jié)構(gòu)框圖

采用如圖2所示的佩爾捷半導(dǎo)體元件，半導(dǎo)體通過金屬導(dǎo)流片連接構(gòu)成回路，對(duì)該元件加以直流電壓，當(dāng)電流由N型半導(dǎo)體到P型半導(dǎo)體時(shí)，電場(chǎng)使N中的電子和P中的空穴反向流動(dòng)，它們產(chǎn)生的能量來自晶格的熱能，于是在導(dǎo)流片的上端面吸熱，而其下端面放熱，故產(chǎn)生溫度差．當(dāng)電流換向后吸熱和放熱的端面將發(fā)生改變．

圖2 佩爾捷元件示意圖

在佩爾捷元件兩側(cè)加上散熱片，一方面可讓學(xué)生通過兩側(cè)散熱片的冷熱來判斷吸熱和放熱，另一方面也方便溫度傳感器的安裝．

2．2 電流換向及控溫電路

采用如圖3所示的電流換向及控溫電路．繼電器由單片機(jī)的I／O口通過三極管來控制通斷．

圖3 電流換向及控溫電路框圖

為了防止放熱面的溫度過高帶來危險(xiǎn)，在實(shí)驗(yàn)中，用控溫繼電器來保證溫度，當(dāng)溫度達(dá)到42℃時(shí)，繼電器斷開使佩爾捷元件斷電，放熱面的溫度將不會(huì)再升高；當(dāng)溫度降到36℃時(shí)，控溫繼電器接通使佩爾捷元件重新上電，放熱面的溫度將會(huì)上升，由此來保證安全．

用換向繼電器來控制電流的方向，由鍵盤來轉(zhuǎn)換并用數(shù)碼管來顯示電流的流向，使流過佩爾捷元件的電流能按照要求來變化．

2．3 溫度傳感器及電路

使用溫度傳感器DS18B20，該傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，是3管腳小體積封裝方式，可以方便地固定在儀器的散熱片上，傳感器的溫度測(cè)量范圍為－55～＋125℃，測(cè)溫分辨率可達(dá)0．062 5℃，滿足儀器的使用要求．傳感器的連線采用4芯屏蔽雙絞線，其中一組為接信號(hào)線和地線，另一組為電源和地線，屏蔽層在電源端單點(diǎn)接地，信號(hào)線通過上拉電阻直接輸入到89S51的I／O端口．其電路框圖如圖4所示．

圖4 溫度傳感器電路框圖

2．4 鍵盤顯示電路

儀器中采用的顯示鍵盤器件是HD7279A，該芯片與單片機(jī)具有串行接口連接，可最大程度的減少連線，器件同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式LED數(shù)碼管和64鍵的鍵盤矩陣，單芯片就可以完成顯示、鍵盤接口的全部功能．儀器中采用的是該芯片提供的標(biāo)準(zhǔn)電路，如圖5所示．

圖5 HD7279A顯示鍵盤電路圖

使用8位LED數(shù)碼管，其高3位和低3位顯示佩爾捷元件兩面的溫度，顯示格式為：38．1一三21．5，溫度精度為0．1℃，中間的兩位數(shù)碼管用于顯示電流的方向．一三表示電流方向?yàn)檎颍谘菔狙b置的主機(jī)上看是從左向右；三一表示電流方向?yàn)榉聪颍谘菔狙b置的主機(jī)上看是從右向左，這樣可以讓學(xué)生直觀地看到電流方向和溫度變化之間的關(guān)系．

儀器鍵盤為3個(gè)，用于改變電流的方向及啟動(dòng)、停止運(yùn)行．

演示裝置的主機(jī)如圖6所示．

圖6 演示裝置主機(jī)圖

3 結(jié)束語

通過演示實(shí)驗(yàn)儀器可以將語言描述的內(nèi)容以形象化、數(shù)字化、直觀化的方式展示在學(xué)生面前，提高學(xué)生的理解能力．而演示實(shí)驗(yàn)儀器的研制開發(fā)，不僅可以豐富演示內(nèi)容，還可以讓學(xué)生參與到科技制作活動(dòng)中，既培養(yǎng)了學(xué)生解決問題的能力，又使得學(xué)生的綜合素質(zhì)得到提高．而單片機(jī)、數(shù)碼顯示在演示實(shí)驗(yàn)儀器中的使用，使得演示的內(nèi)容可以用數(shù)字化的方式定量的表現(xiàn)出來，加深學(xué)生對(duì)物理概念的理解．通過智能佩爾捷效應(yīng)演示儀器可以讓學(xué)生更好的了解佩爾捷效應(yīng)．

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