王成剛，許翻凡

（武漢工程大學(xué) 機電工程學(xué)院，武漢 430205）

半導(dǎo)體制冷技術(shù)，又稱熱電制冷或溫差電制冷，它同吸收式制冷、機械壓縮式制冷共稱為當今三大制冷方式。與后2種方式相比，半導(dǎo)體制冷尺寸小、重量輕，工作中無液態(tài)、氣態(tài)工作介質(zhì)，故此無污染，在制冷功率不高的應(yīng)用場合其制冷系數(shù)較高?；谝陨蟽?yōu)點，半導(dǎo)體制冷在一些特殊場合的應(yīng)用適合度遠高于其它方式[1-2]。半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，使人們在制冷方式的對比、選用中，有了更優(yōu)質(zhì)的選擇。

然而，經(jīng)調(diào)查測試，實際應(yīng)用中的半導(dǎo)體制冷溫控產(chǎn)品存在制冷功率不高，制造者過分在意成本問題，而忽視了溫控精度和使用過程中耗電量較高造成的效率低下等問題。為了解決半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)存在的上述短板，綜合考慮控制精度、工作效率等影響系統(tǒng)實際效果的主要因素，設(shè)計了半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)，在前人研究的基礎(chǔ)上設(shè)計了溫控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和控制程序。

1 半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷是以塞貝克效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)、珀爾貼效應(yīng)、傅里葉效應(yīng)和焦耳效應(yīng)為基礎(chǔ)建立起來的制冷方式。通以一定大小的直流電即可工作，在工作運行中伴隨著吸熱、放熱的熱傳遞效應(yīng)。根據(jù)溫差電效應(yīng)關(guān)系，即

其中

π＝αTc

式中：Qp為單位時間產(chǎn)冷量，J；π為珀爾貼系數(shù)；α為溫差電動勢率；Tc為冷端溫度，K；I為電流大小，A；R為制冷片阻值，Ω；K為半導(dǎo)體材料的傳熱系數(shù)；Th為熱端溫度，K。當改變直流電大小或通電時間時，其制冷強度和產(chǎn)冷量會同步改變，同時改變電流方向可以實現(xiàn)加熱和制冷2種工作狀態(tài)的切換，控制簡單，且將這2種相異的工作效應(yīng)集于同一半導(dǎo)體制冷元件上。

從微觀層面上分析，半導(dǎo)體制冷根本原理涉及電子能級躍遷理論。半導(dǎo)體制冷片由N型半導(dǎo)體材料和P型半導(dǎo)體材料組成，N型材料是在半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，有多余的電子產(chǎn)生負溫差電勢；P型材料是在半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)，因電子不足而產(chǎn)生大量空穴，從而為正溫差電勢。半導(dǎo)體制冷原理如圖1所示，當直流電從N型材料經(jīng)金屬導(dǎo)體流向P型材料時，即電子由低能級（P型）流向高能級（N型）發(fā)生能級躍遷，其務(wù)必會吸收外界能量以完成躍遷，故成為制冷端。在另一端電流從P型材料流向N型材料，微觀能級躍遷現(xiàn)象與制冷端相反，向外釋放能量成為放熱端[3-4]。

圖1 半導(dǎo)體制冷原理Fig.1 Schematic of semiconductor refrigeration

在實際應(yīng)用中，由多對P型、N型半導(dǎo)體電偶對組成熱電堆，以此滿足實際制冷量的需求，所設(shè)計的半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)使用TEC1-12706型號的單級半導(dǎo)體制冷片。其具有127對半導(dǎo)體電偶對，額定輸入電壓12.0 V，最大溫差電流6.0 A，最大溫差可達60～70℃。與其配套使用的還包括散熱風扇、導(dǎo)熱塊等散熱裝置。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在該系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計實現(xiàn)中，采用模塊化分解設(shè)計方法，將整個系統(tǒng)分為溫度檢測模塊檢測溫度，單片機控制模塊輸出控制信號，按鍵調(diào)整輸入模塊起到溫度設(shè)置完成人機交互的功能，1602液晶顯示模塊用于顯示設(shè)置溫度和實時溫度。同時，該系統(tǒng)還包括電源供能模塊、USB轉(zhuǎn)串口通信模塊和H橋驅(qū)動執(zhí)行模塊。各模塊的單獨設(shè)計與整體調(diào)試相互結(jié)合，共同構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)硬件部分[5]。為實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)正常工作，其最基本的硬件架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.2 System hardware structure

2.1 溫度檢測模塊

在溫度傳感器的選用上，綜合對比各類傳感器的測溫精度、使用便捷與否以及與所設(shè)計系統(tǒng)的契合程度等因素，以確定使用最為合適的測溫傳感器。當前使用最多的溫度傳感器有：熱電偶溫度傳感器、熱敏電阻溫度傳感器、IC溫度傳感器等。其中，熱電偶傳感器靈敏度低，易受環(huán)境干擾，精度不高，一般不宜用于檢測微小變化的溫度值；熱敏電阻傳感器接線復(fù)雜，不易讀取數(shù)值；IC溫度傳感器連線簡單，讀數(shù)方便，此類傳感器均能實現(xiàn)檢測、轉(zhuǎn)換和保存溫度值等功能，其眾多優(yōu)點是前兩者所無法比擬的，應(yīng)用非常廣泛。

故該系統(tǒng)選用美信Dallas公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，它屬于“一線總線”式接口IC溫度傳感器。使用時，只需將DS18B20的數(shù)據(jù)引線和單片機其中1個I/O接口接上，通過1-Wire協(xié)議與DS18B20進行通信即可將溫度讀出，其電路連接原理如圖3所示[6]。通過軟件程序的設(shè)定，直接輸出最低9位、最高12位分辨率可調(diào)的數(shù)字溫度值，無需外增A/D轉(zhuǎn)換，極大簡化了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計量。其測溫范圍-55～125℃，在-10～85℃內(nèi)測溫最可靠，工作電壓3～5 V。

圖3 DS18B20電路連接Fig.3 DS18B20 circuit connection

2.2 單片機控制模塊

單片機控制模塊是整個溫度控制系統(tǒng)的核心控制模塊，通過接收溫度傳感器傳來的溫度值并與設(shè)置的目標溫度進行分段式PID算法對比分析，輸出一定的控制信號作用于驅(qū)動執(zhí)行模塊控制制冷器的運行狀態(tài)[7]。在滿足本系統(tǒng)基本控制要求的同時考慮成本，選用STC89C52RC型單片機為主控芯片。該系列單片機具有低功耗、超低價、高速可靠和強抗干擾性等優(yōu)點。但由于所選單片機未內(nèi)置PWM模塊，故在此通過使用單片機內(nèi)部定時器T0定時改變P0.0的輸出來實現(xiàn)PWM控制：1個周期內(nèi)重載2次定時器初值，即用2個不同的初值來控制高低電平的不同持續(xù)時間，以此改變通過制冷片電流的方向和時間，進而改變其產(chǎn)冷量。

2.3 H橋驅(qū)動執(zhí)行模塊

H橋驅(qū)動電路經(jīng)常作為直流電動機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的驅(qū)動控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動能力強和適用范圍廣的優(yōu)點。經(jīng)研究比較發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體制冷片和直流電機有著眾多相似之處：工作中都通以直流電、工作性質(zhì)的轉(zhuǎn)變由直流電方向控制和直流電大小決定工作強度等。因此將H橋驅(qū)動電路引入半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)的驅(qū)動執(zhí)行模塊設(shè)計中。

典型的由4個MOS管（1對N溝道、1對P溝道MOS管）呈矩形，對角為不同溝道排列組成的H橋驅(qū)動電路，在接收到單片機輸出的PWM控制信號時會導(dǎo)通不同對角的2個MOS管，使得流過半導(dǎo)體制冷片的電流方向相異，進而完成制冷/制熱的切換。同時控制信號高低電平持續(xù)時間的改變可實現(xiàn)制冷制熱工作強度的控制[8-9]。在設(shè)計使用中，H橋驅(qū)動執(zhí)行模塊采用S-80-12型開關(guān)電源單獨供能，以此滿足半導(dǎo)體制冷片正常工作的功率要求。

3 軟件算法設(shè)計

在系統(tǒng)電路搭建完成的前提下設(shè)計使用分段式PID控制算法。該算法以PID算法為基礎(chǔ)進行優(yōu)化改進而實現(xiàn)。PID控制全稱比例-積分-微分控制，這3部分相互結(jié)合對系統(tǒng)誤差和誤差變化率進行計算，得出相應(yīng)控制量，分別在響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)特性（如超調(diào)量）方面對系統(tǒng)響應(yīng)進行改善。PID控制算法離散化的數(shù)學(xué)表達式為

式中：u（k）為算法輸出的控制量；Kp為比例系數(shù)；e（k）為設(shè)置溫度與第k次測得溫度的差值；k為采樣次數(shù)，k=0，1，2，3，…；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)。經(jīng)分析測定，所設(shè)計算法在系統(tǒng)運行工作中可以顯著提升系統(tǒng)響應(yīng)速度，降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時間，有效地減小系統(tǒng)超調(diào)量等。

在算法設(shè)計中，設(shè)定了一個溫度范圍（-a，a）。當e（k）在此范圍內(nèi)時采用PID控制算法，提升系統(tǒng)在小溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性；若e（k）不在此范圍內(nèi)時系統(tǒng)將輸出全脈寬進行制冷制熱調(diào)節(jié)，以此加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，及時對溫度進行有效調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)的整體軟件程序使用Keil μVision4進行編寫調(diào)試，其主要包括：主程序、DS18B20驅(qū)動讀取程序、1602液晶顯示程序、按鍵驅(qū)動程序和PWM波配置程序等。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程Fig.4 System flow chart

4 實測結(jié)果

在實際測試中，室內(nèi)溫度難以精確控制，而經(jīng)實測其大致穩(wěn)定在26℃左右，故以此為初始溫度進行制冷控制試驗。以設(shè)置溫度為變量（15，10，5，0℃等），測得所設(shè)計半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)最終基本可以穩(wěn)定在設(shè)置溫度±0.05℃內(nèi)。發(fā)現(xiàn)在設(shè)置溫度低于0℃的情況下，系統(tǒng)制冷效果會大大減弱，這主要是由于隨著系統(tǒng)制冷量的增加，散熱端散熱不及時，所采用的散熱方式變得不再合理所造成的；系統(tǒng)的最大超調(diào)量在5℃以內(nèi)，足以滿足各領(lǐng)域在此方面的應(yīng)用需求。此外，系統(tǒng)制冷響應(yīng)迅速，可在短時間內(nèi)產(chǎn)生較大的制冷量，這也是半導(dǎo)體制冷與其他制冷方式最大的優(yōu)勢所在。

經(jīng)試驗測試與應(yīng)用的結(jié)果顯示，所設(shè)計制冷控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用方便，控溫效果優(yōu)良，并且由于制冷過程迅速，在相同條件下能耗較低等優(yōu)點。基于其在實測過程中各項基礎(chǔ)性能的表現(xiàn)之上的分析，該系統(tǒng)適用于小型恒溫箱、實驗儀器恒溫控制（如激光器）、血液儲存設(shè)備等眾多領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用推廣性。

5 結(jié)語

所設(shè)計半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)集測溫、顯示、設(shè)置、控溫于一體，使用STC89C52RC單片機作為控制核心芯片，DS18B20溫度傳感器為溫度檢測元件，引入H橋驅(qū)動電路來驅(qū)動半導(dǎo)體制冷片工作，同時使用分段式PID控制算法實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控溫。實測結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單易行，操作方便，工作性能優(yōu)良。由于系統(tǒng)的主要集中在系統(tǒng)構(gòu)造實現(xiàn)上，而在半導(dǎo)體制冷片散熱端散熱方式的選擇上使用了最為實用的強制風冷散熱，未考慮最佳散熱方式來提高制冷片的制冷強度，如水冷散熱或熱管式散熱等。此方面的設(shè)計試驗可作為今后研究的指導(dǎo)方向，以彌補不足。