雷挺，賀偉

（西安郵電大學 陜西 西安 710061）

半導體致冷又稱為溫差電致冷或熱電致冷，是以溫差電技術為基礎的制冷方法。主要利用珀爾帖效應的原理達到制冷的目的，即當直流電流經不同材料的導體連接形成的回路時，結點處會產生放熱和吸熱（制冷）的現象，而放熱或吸熱依電流方向不同而改變，放熱或吸熱量的大小也由電流的大小來決定。雖然據此原理制作了車載冰箱，但由于其制冷溫度不能達到所需而被忽略，其無污染、無噪聲、無磨損、體積小、壽命長的特點也因此埋沒。

針對以上特點，文中提出了一種基于半導體制冷技術的泊車用車內環(huán)境自調節(jié)系統(tǒng)，用于車載空調的輔助。彌補車載空調的諸多缺點的同時也充分發(fā)揮了半導體制冷技術的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)設計

在基于珀爾帖效應原理的基礎上，根據實際需求制作規(guī)格合適的半導體制冷模塊。再結合單片機最小系統(tǒng)、數字溫度傳感器DS18B20、LED顯示電路、按鍵等功能，自動檢測、自動工作、手動調整，并最終實現系統(tǒng)整體要求。

1.1 半導體制冷模塊設計

根據珀爾帖效應原理，將N型半導體和P型半導體[1]（主要成分是碲化鉍）間隔排列，而它們之間則使用一般的金屬（銅、鋁或其他金屬導體）相連接，在此稱為導流片，成為一個完整的回路，工作時回路由12 V直流電供電。組件的上下面板使用陶瓷片（95%的氧化鋁），起電絕緣、導熱和支撐的作用。如圖所示將很多對電偶對串聯成熱電堆（單級電熱堆），一般只能達到大約50℃的溫差。根據實際需要為獲得更低的冷端溫度，也可以將它們多級串聯、并聯、串并聯，也可以根據實際的需要控制模塊的大小、形狀[2]。

1.2 溫度檢測/控制模塊設計

圖1 溫度檢測/控制模塊方框圖Fig.1 Temperature detection/control module block diagram

利用數字溫度傳感器DS18B20完成對溫度數據的采集，直接讀取到被測溫度值，進行D/A轉換。結合系統(tǒng)以查詢方式、軟件消抖，設置的3個按鍵：報警溫度增加鍵、報警溫度減小鍵、當前溫度和設置報警溫度切換鍵。并結合通過軟件控制的蜂鳴器，當檢測溫度超過或低于報警溫度時產生報警動作。以及4位共陰極LED數碼管顯示動態(tài)數據。以上所有設備都通過單片機的I/O接口連接到主控制單片機，軟件控制實現相應功能。

1.3 工作參量規(guī)劃

在半導體[3]制冷模塊端，當電偶對通過直流電I時，因珀爾帖效應產生的吸熱量與電流I成正比：

其中：π=（αp-αN）Tc稱為珀爾帖系數。

當電流通過點偶對時，熱電元件內還需要放出焦耳熱：

除了焦耳熱以外，由于半導體的導熱，從電堆熱端還要傳給冷端一定的熱量：

因此，電偶對的制冷量應為珀爾帖熱量與傳回冷端的焦耳熱量與導熱量之差，即：

將上式對I取偏導數，并令其等于0，就可以得到最佳電流值和最大溫降：

將之前的R、k分別帶入以上公式，并假設兩電偶臂的幾何尺寸（λ1=λ2=λ）且有相同的導熱系數（S1=S2）及相同的電阻率（ρ1=ρ2=ρ）則：

由此可見，熱電制冷的最大溫差取決于材料的α、γ、λ組成的綜合系數及冷端溫度Tc。而此綜合系數稱為電偶對材料

電堆的制冷系數與供給熱電堆的電流值的關系：

將制冷系數ε，對電流取偏導數，并令其等于零，得到與最大制冷系數相對應的電流及電壓值。

故制冷系數ε與溫差Th-Tc以及材料的優(yōu)質系數Z有顯著關系。

因此，由以上的各關系式就可以確定出半導體制冷模塊的性質，并由此得到各模塊正常、穩(wěn)定工作時所需的最佳電流值和最佳電壓值以便于利用單片機對半導體制冷模塊進行控制。

1.4 可行性規(guī)劃

1.4.1 可行性問題

由于實際中的具體情況，需要進一步考慮系統(tǒng)的可行性問題[4]。

首先，考慮系統(tǒng)供電部分。由于車輛自帶的電瓶一般情況下主要是用于車輛啟動、防盜報警、照明等低功耗器件，而車載電瓶在車輛運行工程中是充電狀態(tài)的，但在泊車時用于半導體制冷模塊且工作時間不確定會影響到車輛啟動時的正常點火。為此需要考慮另行加載小型化12 V可充電電瓶為系統(tǒng)供電。

其次，考慮系統(tǒng)的整體功耗。顯然半導體制冷模塊為主要耗能原件，且因為車內空間的不同，工作時間越長耗能越大。以此考慮使用多大容量的電瓶以滿足實際的需求。

最后，考慮半導體制冷模塊的散熱問題。根據實際需求確定出制冷量于制熱量比值大的模塊以供使用。比值足夠大時，可考慮直接在車內散熱。但比值不好確定時，就需要考慮將模塊的散熱部分置于車外，方便散熱同時保證車內制冷效果。

1.4.2 可行性實現

1.4.2.1 電源可行性實現

以一般的中型轎車為例展開分析。車輛正常使用時夜晚是電量消耗最大的，包括：2只/4只60 W左右的前照燈、2只35 W的霧燈、2只28 W的倒車燈、10 W的牌照燈、8 W的頂燈、8 W的儀表燈、8 W的踏步燈、20 W的工具燈等等照明設備，雖然不會同時使用，但由此可以估算該車輛照明設備大致的電功率介于218～500 W （前者為車輛正常工作最小值，后者為最大值）之間。此處取均值PO=360 W，按照國際通行的德國DIN蓄電池標準、美國BCI蓄電池標準的參數（此處按前者）。以61017型號蓄電池為準（額定容量約為150 Ah），國際標準20小時為基準在25℃下可持續(xù)放出IO=7.5 A的電流20 h。

當然，在此需要強調，工作溫度、電解質溫度、設備開啟關閉、LED、蜂鳴器等都會影響電池的容量，以上的數據是理想狀態(tài)下的。

由電功率：P=UI

可得到此時工作電壓為48 V。

再由電功：W=Pt=UIt

可得到電功為 2.592×107J。

實際中，當然會有焦耳熱（Q=I2Rt）的問題，此處為了便于計算省去。但純電阻的電路時：Q=W=UIt=I2Rt。

根據1.3工作參量規(guī)劃中公式（1）中得到的最大制冷系數相對應的電流Iεopt、電壓值Uεopt以及我們實際中需要的設備單次續(xù)航時間T，再由以上規(guī)劃過程就可以逆推出需要多少容量的蓄電池（有一定的冗余量）或者在計算的可能性之類考慮車載電瓶。

1.4.2.2 制冷量可行性實現

參考某中型轎車的車內空間，為了便于計算近似的看成矩形，則 V=l×b×h。 再由熱量公式 Q車內=C MΔT（C 為介質比熱容，M=ρV為對應體積內的介質質量，ΔT為前后溫差）計算得到從該體積內為達到設計要求所要除去的熱量[5]Q總=Qj+Qk+Q車內+Q吸收+…（需要通過大量的實驗獲得）。

一般，電壓的單位是：1 V=1 J/C，電流的單位是：1 A=1 C/S，功率的單位是：單位功率=單位電壓×單位電流=1 V×1 A=1 J/S。因此1 W=3 600 J/h。由此再和熱量建立聯系。由于熱的功當量是：1 J=0.24 cal，1 kJ=2.4×10-4kcal。 從而熱量的功率為：1 kW=860 kcal/h，與此同時1 cal=4.186 J，再結合系統(tǒng)工作時間T的要求、需要除去的車內熱量Q總，即可以推算出需要多大制冷功率的制冷模塊，即制冷功率多少W、制冷量多少W。（在此可借鑒空調參數：1 P（匹）額定制冷功率735.35瓦，制冷量為2 324 W來標定）此處只做推導不作具體計算。依所得數據自行制作或直接購買，由于實際情況的變化性，最好有足夠的冗余度或者使用足夠數量的模塊以滿足系統(tǒng)要求。

1.4.2.3 模塊散熱可行性實現

散熱問題對于絕大部分的電子設備都是極其重要也是及其棘手的問題。該設計中采用的半導體制冷模塊由于其特殊的工作原理，制冷和制熱時同時進行的，并且由于選材的不同兩邊極板的溫差也會存在顯著的不同。模塊是通過熱交換的原理使車內的溫度降下來的，因此需要盡可能的避免其它熱源產生的熱量對系統(tǒng)的影響并引起實際制冷量的減少。

實際應用中需要具體考慮半導體制冷模塊以及溫度檢測模塊的安放問題，既不能影響車內空間的整體效果，又可以有效地實現系統(tǒng)最佳功能。實驗中半導體制冷模塊曾安放于中控平臺右側空調出風口附近及駕駛艙后擋風玻璃下端中部，溫度檢測模塊則安放于車頂中部。

2 硬件設計

2.1 主要材料及芯片

本設計中，系統(tǒng)主要由半導體制冷模塊及溫度傳感器模塊組成。半導體制冷（制熱）模塊，根據制冷量來確定并由控制芯片L298N通過改變電流方向實現制冷、制熱。溫度傳感器模塊，由 DS18B20檢測、單片機控制等動作來實現。

AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，內部的EEPROM可以反復擦除1 000次，集合了多功能8位CPU和閃爍存儲器。采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術且與MCS-51相兼容。為很多的智能控制系統(tǒng)提供了靈活、價廉的控制方案[6]。

DS18B20是美國Dallas半導體公司DS18xx系列的數字化溫度傳感器，采用獨特的單總線接口方式，且支持多結點。工作時無需任何外圍元件，可以通過數據線直接供電，具有超低功耗工作方式?？芍苯訉囟绒D換值以16位二進制數字碼的方式串行輸出，不需要放大器和A/D轉換器，具有可靠性高、成本低、體積小等特點。測溫范圍為—55～+125℃，精度為 0.5 ℃[7]。

2.2 電路整體設計

整個硬件電路包括單片機控制模塊、溫度傳感器模塊、半導體制冷模塊、電流方向控制及按鍵、LED顯示等。溫度傳感器DS18B20檢測車內溫度并傳回主控制芯片AT89C51與之前通過按鍵設定的系統(tǒng)最高溫度及最低溫度進行比對，并通過LED直觀顯示。如果實際檢測溫度高于系統(tǒng)預設最高溫度，則蜂鳴器首先報警與此同時單片機通過L298N輸出正向電流，使半導體制冷模塊制冷降溫，反之增溫。

圖2 系統(tǒng)整體結構圖Fig.2 Overall system structure

2.3 半導體制冷模塊連接

由半導體模塊工作原理，利用L298N芯片實現對電流方向的控制[8]。此處，當一個芯片連接兩個半導體制冷模塊時，主要通過與單片機連接的芯片上的 IN1、IN2、IN3、IN4引腳的電瓶高低來控制模塊實現制冷、制熱。模塊的連接[9]如圖3所示。

圖3 半導體制冷模塊連接圖Fig.3 Semiconductor refrigeration module connection diagram

參照L298N的邏輯功能表，圖中的兩個半導體模塊工作狀態(tài)與引腳關系如表1所示。

表1 L298N引腳狀態(tài)與半導體模塊狀態(tài)關系Tab.1 L298N pin and the semiconductor module state relations

2.4 DS18B20連接

DS18B20一般有兩種工作方式，寄生電源工作方式和外接電源工作方式。此設計由于實際需要采用外接電源工作方式，而由于其獨特的單線接口僅需要一個DQ端口與主控單片機進行通信，工作電壓使用+5 V[7]。

2.5 供電電源設計

系統(tǒng)中需要供電的部分包括：DS18B20溫度傳感器、L298N、AT89C51單片機、3個按鍵（報警溫度增加鍵、報警溫度減小鍵、當前溫度和設置報警溫度切換鍵）、4位共陰極LED數碼管以及半導體制冷模塊。除半導體制冷模塊需要12 V的工作電壓，并且通過L298N與主控芯片連接之外，剩下的部分都統(tǒng)一使用+5 V供電電壓。由于L298N芯片的結構特點，其端口VS可直接接入+12 V電壓為半導體制冷模塊供電。為此考慮主電源使用車載電瓶提供12 V的電壓，并以普通開關控制其開斷，之后一路直接為半導體制冷模塊供電，另一路則通過采用TO-220封裝形式的7805三端正電源穩(wěn)壓模塊使輸出電壓降到+5 V，再供其他部分使用。

2.5.1 半導體制冷模塊供電

半導體制冷模塊與L298N芯片連接，由端口VS連接+12 V電壓為其提供穩(wěn)定的工作電壓。其連接方式在圖4中已經給出。

圖4 DS18B20與單片機的連接圖Fig.4 Connection diagram of DS18B20 and single chip microcomputer

2.5.2 單片機部分供電

由于系統(tǒng)整體使用12 V的車載電瓶供電，而只有半導體制冷模塊可以直接使用，其余的包括：DS18B20溫度傳感器、L298N、AT89C51單片機等部分只能使用5 V電壓供電。為此采用7805穩(wěn)壓模塊[1]將電壓降至5 V供這部分使用。

圖5 穩(wěn)壓模塊調節(jié)電壓圖Fig.5 Voltage regulator module to adjust the voltage

3 軟件設計

3.1 總體設計

系統(tǒng)主要由穩(wěn)壓調節(jié)模塊、主控制模塊（單片機、晶振電路、復位電路）、溫度檢測模塊（包含DS18B20溫度傳感器、3個按鍵、4位共陰極LED數碼管）、半導體制冷模塊 （包含L298N）組成。而實際需要進行編程的主要是溫度檢測模塊和半導體制冷模塊，并通過I/O口與單片機連接，分別控制實現各自的功能。

3.2 溫度傳感器檢測與控制部分程序

這部分的主要功能是間隔性的通過DS18B20測量車內環(huán)境溫度、顯示及時溫度，并暫定為1秒測量一次。其程序的流程圖如圖6所示。

圖6 溫度檢測、顯示部分主流程圖Fig.6 Temperature detection，display part of the main process diagram

讀取溫度、顯示溫度、設置報警溫度，都是由它們各自的子程序完成的。其中讀取溫度子程序主要是由DS18B20復位命令開始，通過讀取RAM中的數據并進行校驗判斷后存入溫度暫存器中。之后，將已保存的數據進行BCD轉換運算，并通過對BCD碼數據的標志位置“0”、置“1”進行溫度零上、零下的區(qū)別。顯示溫度子程序，則直接將之前讀取溫度所獲得的BCD碼移入顯示寄存器中，對應點亮相應的數碼管進行顯示[10]即可。

設置報警溫度時，軟硬結合，利用簡易的鍵盤掃描方式，檢測設置鍵是否被按下，如果被按下接著通過“+”、“—”鍵設置溫度上、下線，設置時溫度的上、下線初始值均顯示為“0”。否則，只顯示當前所測溫度不執(zhí)行任何動作。

圖7 報警溫度設置流程圖Fig.7 Set alarm temperature flow chart

3.3 半導體制冷（制熱）控制程序

半導體制冷（制熱）部分的主要由外部驅動程序以及內部驅動程序兩部分做成。其中外部的驅動程序主要流程圖如圖8所示。

圖8 半導體制冷模塊外部驅動流程圖Fig.8 Semiconductor refrigeration module flow chart of external drive

針對于內部驅動問題，則主要在于如何利用主控單片機控制L298N芯片控制電流方向，并由此實現對半導體制冷模塊工作方式（制冷、制熱）的控制。

圖9 半導體制冷模塊內部驅動流程圖Fig.9 Semiconductor refrigeration module flow chart of internal drive

4 結 論

經過對實際需求的研究與分析，且由于車內空間的特殊情況，所以放棄了濕度檢測及調節(jié)模塊，但根據實際需求可以取舍。最終模塊使用成熟的溫度檢測模塊及諸多優(yōu)點的半導體制冷模塊組成，且根據半導體制冷模塊的自身特性量身制定其最佳工作電流、電壓，并同時借鑒單片機通過L298N芯片控制直流電機的原理實現對半導體制冷模塊工作方式的控制，系統(tǒng)也可以根據實際的需求，增加更多的半導體制冷模塊及其他設備。利用成熟的技術原理，通過組合、改造等方式實現了部分及整體模塊的大部分要求，但實際中要根據實際的需求作進一步的動態(tài)驗證和改進，使系統(tǒng)更加完善成熟并得到普及應用。

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