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(上海工程技術大學 電子電氣工程學院，上海 201620)

0 引言

從世界冰箱技術的鼻祖Carl Munters和Baltzar von Platen發(fā)明了吸收式制冷技術以來，至今絕大多數(shù)制冷技術一直沒有跳出法國工程師尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾于提出的卡諾循環(huán)[1](Carnot cycle)的4個步驟：等溫吸熱，絕熱膨脹，等溫放熱，絕熱壓縮，所以壓縮機的噪音與功耗一直是懸而未決的難題，包括滾珠式壓縮機在內。文獻[2]提出利用冷凝管對半導體冰箱散熱方式進行改進，最終實現(xiàn)對半導體冰箱制冷效率的提高；文獻[3]通過測試在風冷、循環(huán)水和恒溫水條件下的制冷性能，最終建立水冷式半導體冰箱的制冷模型；文獻[4]使用雙限值控制方法，控制半導體制冷器、風機、水泵等執(zhí)行機構工作，實現(xiàn)對半導體制冷式果蔬配送箱保鮮環(huán)境的溫度調控和散熱系統(tǒng)高溫保護。

本次設計的半導體冰箱跳出了傳統(tǒng)冰箱的設計方法，借鑒卡諾循環(huán)的4個步驟，也設計了4個步驟：主動充電，放電回收，被動放熱，吸熱恢復。但是在長期研究半導體的過程中發(fā)現(xiàn)始終有兩個原因限制了半導體制冷的工作效率：一方面，給半導體通電時，二極管里的電阻會消耗的一部分的效率；另一方面，半導體冷面和熱面之間的環(huán)氧樹脂在實際中無法做到絕對絕熱，同樣降低了工作效率。為了解決這兩個問題，采用了推挽式供電方式和PID溫控的方法對所設計系統(tǒng)進行改進與控制，最終實驗結果表明所設計半導體冰箱系統(tǒng)具有良好的恒溫效果和較高的制冷效率。

1 半導體制冷原理

1834年，法國物理學家帕爾帖在銅絲的兩頭分別接了一根鉍絲，再將這兩根鉍絲分別接到直流電源的正、負極上，通電后發(fā)現(xiàn)一端發(fā)熱，一端變冷，這種現(xiàn)象稱為帕爾帖效應，它是熱電制冷的依據(jù)[5]。

圖1 制冷片工作原理

圖1是由一塊N型半導體和一塊P型半導體連接成的電偶通上直流電后制冷情況。由于N型半導體內的載流子和P型半導體內的載流子與金屬片中載流子的勢能不同，一定會在半導體材料和金屬片的接點上發(fā)生能量傳遞和轉換。因為空穴在P型半導體內具有的勢能高于其在金屬片內的勢能，在外電場作用下當空穴通過節(jié)點3時，需要從金屬片中吸取一定的熱量，用以提高自身的熱能才能進入P型半導體內。因而3處溫度就會降低形成冷節(jié)點。當空穴通過節(jié)點4時，需要將多余的一部分熱能留給節(jié)點，才能進入到金屬片中，這是節(jié)點4處溫度升高，形成熱節(jié)點。同理，在外電場作用下電子通過熱電偶回路，也將引起節(jié)點2降溫形成冷節(jié)點，節(jié)點1升溫形成熱節(jié)點。這就是半導體制冷的本質。

2 系統(tǒng)硬件設計

對于冰箱系統(tǒng)來說，制冷和加熱模塊的選擇直接決定了其恒溫控制效果的好壞，下面首先對兩種方案制冷加熱方案進行比較。

第一種方案：半導體+散熱風扇：

系統(tǒng)同時具有降溫和加熱功能,半導體芯片依據(jù)帕爾帖效應,當直流電通過兩種不同的半導體構成的電路時,節(jié)點金屬片接頭釋放熱量,最終通過改變電流方向來實現(xiàn)冷卻和加熱。半導體制冷片功耗低、結構簡單、故障率低、沒有振動、沒有噪聲。散熱風扇有助于冰箱箱內的降溫，并且智能節(jié)能，使半導體工作更加有效率。

第2種方案：壓縮機+輔助電加熱：

壓縮機是傳統(tǒng)冰箱采用的技術，雖然它有著制冷效率高，能冷凍、保鮮以及體積大容量大的優(yōu)點，但是使用壓縮機的缺點也同樣比較明顯：體積大、重量大、不易搬運、不利于環(huán)保使用成本高(耗電)而且購買價格比較高。同時還采用陶瓷電加熱，主要是由陶瓷材料鎳鉻合金絲組成，實現(xiàn)對溫度的升高。加熱和降溫的功能是分開的，并且本身不易進行自動化控制。

因此，通過對上述兩種方案的優(yōu)缺點對比，最終選擇第一種方案，即采用半導體和散熱風扇作為系統(tǒng)硬件設計的核心部件。本設計是以STM32微控制器為核心的恒溫控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括：溫度采集模塊、繼電器模塊、電機驅動模塊、制冷片控制模塊、散熱風扇控制模塊。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

首先，由DS18B20溫度傳感器采集實時的溫度并以數(shù)字信號的形式傳入單片機，然后將采集到的實際溫度和理想溫度作對比，最后STM32微控制器通過輸出PWM脈沖信號來控制繼電器進而實現(xiàn)對制冷片的溫度控制。基于同樣的原理，STM32微控制器通過輸出PWM脈沖信號來控制散熱風扇的轉速來給半導體冰箱進行散熱，以達到最佳的恒溫效果。

2.1 推挽式供電控制電路

STM32微控制器輸出PWM脈沖調制信號控制繼電器，通過繼電器實現(xiàn)對制冷片變電壓制冷的功能。采用推挽式供電[6]方式，給兩個制冷片供電以提高制冷效率，控制電路如圖3所示。

圖3 推挽式供電控制電路

2.2 散熱模塊

本系統(tǒng)采用的散熱風扇是直流電機驅動的，其驅動電壓是12V的直流電壓。在電壓不超過12V的情況下，縮短高電平時間可以減慢散熱器的轉速，增加高電平時間可以加快轉速。因此設計過程中可以采用PWM的方式來對電機進行速度控制，只要PWM的頻率合適就能夠像直流電壓一樣控制直流電機的轉速。為了使得單片機輸出的PWM信號可以驅動電機，本系統(tǒng)將PWM經過電機驅動模塊后，對散熱風扇的轉速進行控制。電機驅動模塊原理如圖4所示。

圖4 電機驅動電路

2.3 溫度采集模塊

本系統(tǒng)設計溫度采集的目的是實時的讀取散熱片上的溫度，以及時地調整散熱風扇的轉速，從而達到最好的散熱效果。因為人的極限感溫能力為0.1 ℃，根據(jù)實際情況，系統(tǒng)采用精度為0.5 ℃的數(shù)字溫度傳感器—DS18B20。它工作電壓范圍寬，為3.3～5 V，檢測溫度范圍在-55～+125 ℃，精度可達0.5 ℃。具有與眾不同的單線接口方式，僅通過一條線就能夠實現(xiàn)MCU與DS18B20之間的雙向通訊。溫度傳感器DS18B20將采集到的溫度以數(shù)字輸出的方式傳入單片機，CRC校驗碼可一起傳輸，抗干擾糾錯能力非常強[7]。

為了系統(tǒng)硬件的統(tǒng)一性和兼容性，設計中采用了模塊化的硬件設計模式，將溫度采集設計為單獨的模塊，通過串口輸出溫度數(shù)據(jù)，以便供其他設備讀取溫度數(shù)據(jù)。這樣設計的好處是主機不用關心使用的是何種溫度傳感器，何種硬件，只需要讀取輸出的串口數(shù)據(jù)即可得到溫度數(shù)據(jù)。另外，改成其他的溫度傳感器也可以不用修改單片機端的軟件代碼，大大方便了硬件系統(tǒng)的移植性[8]。設計的模塊通過串口輸出溫度數(shù)據(jù)，為什么選擇串口是因為通常需要采集溫度的地方可能離數(shù)據(jù)處理單元比較遠，幾米或者更遠，在15米范圍內可以使用異步串口通信來傳輸數(shù)據(jù)，超過15米的通訊距離就需要考慮RS485通信或者網(wǎng)絡通信的方式來傳輸數(shù)據(jù)[9]。

2.4 繼電器模塊

繼電器是一種非常常見的開關元件，具有操作方便，能當成理想開關器件的特性。但是缺點也是明顯的，開關響應慢，通常是百ms級的響應速度，而且驅動繼電器的開關需要比較高的電壓，與單片機的TTL電平是不匹配的，但是可以通過驅動電路來解決?？紤]到本次設計中對制冷片的推挽式變壓供電控制不需要很快頻率的開關速度，所以使用繼電器是非常合理的一個方案。

本設計采用一路5 V繼電器模塊，具有高低電平觸發(fā)方式。跳線與HIGH短接時為高電平觸發(fā)：高電平觸發(fā)指的是用VCC端的正極電壓與觸發(fā)端連接的一種觸發(fā)方式，當觸發(fā)端有正極電壓或達到觸發(fā)的電壓時，繼電器則吸合。跳線與LOW短接時為低電平觸發(fā)，低電平觸發(fā)指的是用GND端的負極電壓與觸發(fā)端連接的一種觸發(fā)方式，當觸發(fā)端有0V電壓或電壓低到可以觸發(fā)時，繼電器則吸合。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計的主要流程是首先利用溫度傳感器模塊獲取散熱片的溫度，之后單片機解析出實際的溫度，然后與理想的溫度值作對比，最后通過PID算法來控制散熱器的轉速或者繼電器對制冷片供電，將制冷片的溫度控制在一定范圍內。PID算法能夠對系統(tǒng)溫度的控制做出合理的判斷，通過比例、積分、微分對誤差進行計算從而得到當前最合適的控制值來調節(jié)系統(tǒng)溫度。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 推挽式供電算法

本系統(tǒng)的半導體冰箱為小型冰箱，根據(jù)實際情況，將制冷強度分為低冷(節(jié)能冷)、中冷和強冷三檔。低冷的目的是節(jié)約能源，到達理想的制冷溫度需要2小時；需要快速制冷的情況下，可以調節(jié)到強冷檔，半小時就可以滿足需求，缺點是耗電太快；一般工作狀態(tài)保持在中冷，1小時可達到理想制冷溫度。

基于Fourier Transform[10]的理論，使各諧波分量盡可能的小，計算出大概的制冷時間。再通過實驗，找到最佳的制冷時間，以達到最佳效果。本設計采用推挽式供電方式，以提高半導體的冷熱分離效率。3個繼電器的打開時間分別定義為t秒、δ秒和r秒。將繼電器K1的打開時間t分別設為10、20、30秒這3個低、中、高三檔；繼電器K2打開時間δ設定在0～32秒的可變范圍內。通過輸出的脈沖信號，根據(jù)圖6的時序依次控制繼電器的啟停。

圖6 繼電器啟停時序圖

3.2 恒溫PID算法

本系統(tǒng)采用PID算法主要是將傳感器采集到的溫度和理想溫度進行對比，將溫差反饋給單片機，根據(jù)情況進行制冷或者調節(jié)散熱風扇轉速，提高恒溫系統(tǒng)的性能。

PID算法是控制理論中非常重要的算法[11]。如何穩(wěn)定又高效的控制溫度，采用PID算法是非常可取的一種方案。PID是比例積分微分控制，比例用來調節(jié)系統(tǒng)的響應速度，微分用來穩(wěn)定系統(tǒng)的散熱過程，防止比例系數(shù)不當造成的散熱過沖或者散熱過慢這樣的情況，而積分可以準確將系統(tǒng)控制到理想的溫度。三者相結合就是非常理想且高效的控制算法[12]。具體的PID溫控算法的數(shù)學模型如下：

比例算法：

Pout=(Kp*Ek)+Out0

(1)

積分算法：

(2)

微分算法：

Dout=Kp*(Td(de/dt))+Out0(3)

其中，Ek為最近一次采樣溫度值與系統(tǒng)溫度設定值之間的差值，Kp是比例因子，Ti是積分時間常數(shù)，Td叫微分時間常數(shù)，Out0為一非零常數(shù)，作用是為了保證無論何時系統(tǒng)都會有輸出值而避免失控。由此得到PID算法的數(shù)學模型：

OUT=Pout+Iout+Dout

(4)

將上述公式(1)(2)(3)中的Out0合并記為OUT0，得到：

Td*(de/dt)) +OUT0

(5)

OUT即為PID溫控算法的結果，通過OUT產生應的控制信號來控制PWM信號的寬度，進而來控制繼電器，最終實現(xiàn)對系統(tǒng)的制冷控制。

PID算法其中最重要的是系統(tǒng)是閉環(huán)的，溫度數(shù)據(jù)是算法的數(shù)據(jù)，并且溫度數(shù)據(jù)也是系統(tǒng)的反饋，在運放中，反饋可以做出比較理想的放大器，而在控制理論中，反饋同樣適用。有了輸入，然后與想要的理想溫度值作對比，得出系統(tǒng)的誤差e，之后誤差e送入PID控制器中，經過運算得出輸出，然后根據(jù)輸出來控制電風扇的轉速降溫或者是控制制冷片的制冷[13]，框圖如7所示。

圖7 PID溫度調節(jié)原理圖

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 溫度采集測試

溫度的采集與調試是系統(tǒng)調試環(huán)節(jié)中必不可少的一部分，溫度采集模塊周期發(fā)送溫度數(shù)據(jù)到STM32，然后經由STM32解算出當前溫度值。模塊輸出的串口數(shù)據(jù)是周期性的，而實際儀器內部具有當前溫度顯示的指示，將溫度串口模塊輸出的信息通過PC端的串口調試助手顯示出來，可以看到經過自定義的協(xié)議處理后的串口數(shù)據(jù)，如圖8所示，而STM32之后就將每10個字節(jié)為一包的數(shù)據(jù)解析出來，做溫控算法。

圖8 上位機溫度數(shù)據(jù)

4.2 整體系統(tǒng)測試

根據(jù)3.1中介紹，該半導體冰箱系統(tǒng)共有3種制冷強度，設計和調試完成后，為了驗證設計效果，分別在環(huán)境溫度為27 ℃左右的條件下選擇低檔和中檔進行了兩次測試：

1)低檔、設置恒定溫度為19 ℃：結果如圖9所示，從測試結果可以看出，溫度穩(wěn)定時，箱內溫度基本恒定在19 ℃左右，上下浮動不超過0.5度，并且達到設定溫度的時間大約為2小時，與上述3.1所描述時間相符合。

圖9 低檔、恒定溫度為19 ℃時的溫度曲線

2)中檔、設置恒定溫度為15 ℃：結果如圖10所示，從測試結果可以看出，溫度穩(wěn)定時，箱內溫度基本恒定在15 ℃左右，上下浮動不超過0.5度，并且達到設定溫度的時間大約為1小時，同樣與上述3.1所描述時間相符合。

圖10 中檔、恒定溫度為15 ℃時的溫度曲線

5 結束語

在進行該冰箱系統(tǒng)的整體設計之前，給出了系統(tǒng)核心組件即制冷加熱模塊的兩種設計方案：半導體+散熱風扇和壓縮機+輔助電加熱，經過兩者的優(yōu)缺點對比分析，最終選擇了半導體加散熱風扇的組合方式。經過實驗室多次的實驗，該半導體冰箱系統(tǒng)可以連續(xù)穩(wěn)定的運行，設置好恒定值和制冷強度之后，系統(tǒng)可以在工作一段時間后最終使溫度穩(wěn)定在所設置的恒定值附近，上下浮動范圍不超過0.5 ℃，并且所用時間符合預期時間，成功的實現(xiàn)了所設計系統(tǒng)的預期功能。該半導體冰箱系統(tǒng)可以用在日常生活的各個方面，比如：快餐派送，斷電保溫和疫苗派送等等，給人們的生活帶來極大的幫助和便利。