華北水利水電大學(xué) 陳光輝 賈校磊

基于H橋驅(qū)動(dòng)電路的半導(dǎo)體制冷片恒溫器設(shè)計(jì)

華北水利水電大學(xué) 陳光輝 賈校磊

本設(shè)計(jì)以STC89LE52AD單片機(jī)和半導(dǎo)體制冷片為核心，采用H橋驅(qū)動(dòng)電路的核心方法，輔以微處理器模塊、鍵盤模塊、溫度采集和顯示模塊。根據(jù)傳感器采集的溫度與預(yù)設(shè)溫度間的對(duì)比結(jié)果，結(jié)合“弱電控制強(qiáng)電”的思想，控制半導(dǎo)體制冷片TEC1-12706的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒溫功能。

單片機(jī)；半導(dǎo)體制冷片；H橋驅(qū)動(dòng)電路；恒溫

1.引言

1834年，法國科學(xué)家帕爾貼發(fā)現(xiàn)了熱電制冷和熱電制熱現(xiàn)象－帕爾貼效應(yīng)。20世紀(jì)50年代末期，隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的大力發(fā)展，解決了早期系統(tǒng)制冷效率低的問題，特別是美，英，日等發(fā)達(dá)國家在這一領(lǐng)域做了大量的研究。60年代末熱電制冷即已達(dá)到實(shí)用化階段[1]。因其具有結(jié)構(gòu)簡單，無噪聲，無污染等優(yōu)點(diǎn)，自其出現(xiàn)以來便廣泛用于航空，航天，紅外探測，醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域[2-3]。

2.半導(dǎo)體制冷原理

利用連接在一起的N型和P型半導(dǎo)體之間的“帕爾貼效應(yīng)”進(jìn)行能量交換實(shí)現(xiàn)制冷或制熱。原理如圖一所示，把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體連成熱電偶對(duì)回路，在回路兩端加上直流電源，在外電場作用下，P型半導(dǎo)體需要從環(huán)境中吸收熱量實(shí)現(xiàn)空穴的能級(jí)躍遷，空穴在電場作用下在P型半導(dǎo)體內(nèi)的定向流動(dòng)，空穴流到達(dá)P型半導(dǎo)體另一端后釋放能量進(jìn)入到金屬片中;而N型半導(dǎo)體中的情況與P型半導(dǎo)體的情況相反，若外電場使回路中載流子定向流動(dòng)循環(huán)下去，就會(huì)使上部空間溫度降低，形成冷端，下部空間溫度升高，形成熱端[3]。綜合考慮，選用的半導(dǎo)體制冷片型號(hào)：TEC1-12706。

圖一 半導(dǎo)體制冷原理圖

3.H橋驅(qū)動(dòng)電路原理

通過單片機(jī)控制兩個(gè)開關(guān)管的通斷，使流過制冷片電流方向發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)制冷或制熱的功能。原理如圖二所示。因流過制冷片的電流較大，而且需要頻繁的開關(guān)，所以選擇過流能力強(qiáng),噪聲低,壓降小，中高頻特性較好的場效應(yīng)管作為開關(guān)管。

圖二 H橋驅(qū)動(dòng)電路原理圖

4.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過鍵盤模塊手動(dòng)預(yù)設(shè)一個(gè)溫度值，同時(shí)單片機(jī)不斷從溫度傳感器采集出當(dāng)前溫度并判斷溫度是否處在預(yù)設(shè)溫度區(qū)間內(nèi)，根據(jù)判斷結(jié)果控制制冷片的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒溫。同時(shí)，通過譯碼電路和數(shù)碼管來顯示當(dāng)前的溫度值。

圖三 系統(tǒng)框圖

4.1 微處理器模塊

選用STC89LE52AD單片機(jī)作為主控MCU。有定時(shí)器，中斷等片上資源，可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，繼電器等，并且P1端口有自帶的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可以直接和DS18B20數(shù)字型溫度傳感器相連。

4.2 溫度采集和顯示模塊

溫度采集選用DS18B20數(shù)字型溫度傳感器。其具有獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。測溫范圍 －55℃～+125℃，完全可以滿足對(duì)溫度范圍的要求。除此之外，它還具有功耗低，反應(yīng)快，精度高，可靠的特點(diǎn)。顯示模塊采用3位的數(shù)碼管顯示。

4.3 鍵盤模塊

鍵盤模塊的功能是確定操作面板是否有鍵按下，并保存下鍵值。為消除誤判造成重復(fù)讀取一個(gè)鍵值，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行防抖處理。

4.4 自動(dòng)恒溫模塊

單片機(jī)控制H橋驅(qū)動(dòng)電路可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷片制冷和制熱功能。如果當(dāng)前溫度小于預(yù)設(shè)溫度，單片機(jī)自動(dòng)控制H橋驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷片的制熱功能，然后實(shí)現(xiàn)恒溫;如果當(dāng)前溫度大于預(yù)設(shè)溫度，單片機(jī)自動(dòng)控制動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷片的制冷功能，最后實(shí)現(xiàn)恒溫。如果環(huán)境溫度發(fā)生變化，單片機(jī)通過溫度傳感器采集的溫度與預(yù)設(shè)溫度的比較，自動(dòng)控制H橋驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷片制冷和制熱功能，從而使系統(tǒng)溫度恒定。

5.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)后，經(jīng)過初始化，開始正常工作。首先通過鍵盤模塊設(shè)置一個(gè)初始溫度t0，然后單片機(jī)控制軟件發(fā)出指令通過DS18B20采樣讀取溫度t1,并送數(shù)碼管處實(shí)時(shí)顯示。然后將溫度t1和t0進(jìn)行比較。如果t1>t0,單片機(jī)控制半導(dǎo)體制冷片TEC1-12706進(jìn)行制冷；如果t1〈t0,單片機(jī)控制半導(dǎo)體制冷片TEC1-12706進(jìn)行制熱。當(dāng)溫度受環(huán)境變化而提高或降低時(shí)，單片機(jī)控制H橋驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷片制冷和制熱功能，從而使系統(tǒng)溫度恒定。

圖四 系統(tǒng)流程圖

6.結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用STC89LE52AD單片機(jī)作為主控MCU，使用制冷片TEC1-12706作為核心溫度加熱或制冷元件，通過DS18B20進(jìn)行采集溫度，利用H橋驅(qū)動(dòng)電路對(duì)半導(dǎo)體制冷元件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒溫功能。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的恒溫箱相比，解決了傳統(tǒng)繼電器控制的噪音及壽命問題。同時(shí)具有安全，便捷，無噪音，無污染，壽命長，維修方便,啟動(dòng)快，控制靈活等特點(diǎn)[5]，在醫(yī)療，軍事，農(nóng)業(yè)和家庭中有廣泛的用途。

[1]宣向春,王維揚(yáng).錐狀電臂半導(dǎo)體制冷器工作參數(shù)的理論分析[J].半導(dǎo)體技術(shù),2000,25(2):29-31.

[2]唐紅民,廖勝等.CCD芯片熱電制冷的非穩(wěn)態(tài)傳熱研究[J].制冷學(xué)報(bào),2009,30(6):52-56.

[3]Singh A,Ghosh A.A themoelectric model of material re-moval during electric discharge maching[J],International Journal of Machinetools and Manufacture,1999,30:669-682.

[4]徐德勝.半導(dǎo)體制冷與應(yīng)用技術(shù)(第二版),1-26.

[5]陳振林,孫中泉.半導(dǎo)體制冷器原理及應(yīng)用[J].微電子技術(shù),1997,27(5): 63-65.

陳光輝（1996-），本科，專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)。

賈校磊（1996-），本科，專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)。