基于DS18B20温度传感器的半导体制冷装置研制

王怀光，任国全，范红波

（军械工程学院，河北 石家庄 050003）

基于DS18B20温度传感器的半导体制冷装置研制

王怀光，任国全，范红波

（军械工程学院，河北 石家庄 050003）

针对大空间半导体制冷装置设计问题，研制半导体制冷系统和温度监测系统。系统采用分布式DS18B20温度传感器，实现制冷装置温度的智能控制与调节，得到在不同电流下制冷片两端的温差及箱体内平均温度随制冷片工作时间的变化情况。试验结果表明：温度监测系统实时性好，控制精度高，为分析半导体制冷片制冷性能提供数据依据，为研制装甲车辆驾驶舱半导体制冷装置奠定理论与试验基础。

半导体技术；制冷装置；分布式温度控制；DS18B20温度传感器；制冷效率

0 引言

半导体制冷也叫温差制冷、热电制冷或电子制冷，是利用“珀尔帖效应”进行制冷的一种方法[1]。与传统的制冷技术相比，热电制冷具有结构简单、无任何机械运动部件、无噪声、无磨损、可靠性高、寿命长、维修方便、体积小、重量轻、启动快、控制灵活、操作具有可逆性等特点[2-4]。在半导体制冷技术研究方面，上海交通大学、海南师范大学围绕太阳能半导体冰箱的实验与性能分析开展了大量研究[5-6]。在发达国家，半导体制冷片已用于汽车冰箱、宇航员及坦克乘员的空调服等方面[7-8]，如日本松下电器公司开发了半导体电冰箱。但从目前研究情况来看，太阳能半导体制冷技术的应用仍在能量损失、功率输出的有效控制和优化匹配、温度的智能控制与调节等方面有问题。尤其是半导体制冷多应用于小空间制冷领域，而对于相对较大空间，如在军用装甲车辆驾驶室，半导体制冷装置如何设计才能有效提高驾驶员的舒适性，还需进一步探讨。本文设计基于分布式DS18B20温度传感器的半导体制冷系统，实现了大空间下温度的监控和调节，分析了半导体制冷片制冷性能的影响因素，为实现装甲车辆驾驶室半导体制冷装置奠定一定的理论与试验基础。

1 半导体制冷装置的设计

1.1 总体设计

半导体制冷系统由制冷部分和温度测量控制部分组成，如图1所示[9]。制冷部分由太阳能电池、控制匹配器、储能设备和半导体制冷装置组成。温度测量与控制部分由DS18B20温度传感器、温度采集电路、PC机组成。

图1 半导体制冷系统组成

太阳能电池输出直流电，一部分直接供给半导体制冷装置，另一部分进入储能设备储存，以供阴天或晚上使用，使系统可以全天候正常运行。太阳能电池选择单晶硅太阳能电池，按照制冷装置所需功率选择电池板的数量与型号。控制匹配器使整个系统的能量传输始终处于最佳匹配状态，同时对储能设备（蓄电池）的过充、过放进行控制，并可以调节供电时间，从而控制半导体制冷量。

温度测量与控制部分利用串口通信和单片机控制技术，在PC机上设定和实时显示温度。系统上电初始化后，单片机采集来自DS18B20温度传感器的温度值，经串口送往PC机实时显示。当需要把温度控制在某一定值时，可以在PC机上的用户软件中设定一温度值，再通过串口传送给单片机。单片机程序计算温度的测量值和预设值的偏差，控制驱动电路的导通时间，也就控制了半导体制冷器的输出功率，达到温度控制的效果。

1.2 DS18B20温度传感器的特点

DS18B20是DALL1S公司推出的增强型单总线温度传感器，其性能如下[10]：

电压适应范围宽：电压范围为3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；

总线数据通信：与单片机连接时仅需一条I/O口线即可进行通信；

温度范围：-55～125℃，在-10～85℃时准确度为±0.5℃；

分辨率：9～12位，可通过编程设定对应的分辨率。可分辨温度分别为0.5，0.25，0.125，0.0625℃，实现高温度测量；

转换速度：在9位分辨率时最大转换时间为93.75ms，12位分辨率时最大转换时间仅为750ms；

负电压特性：电源极性接反时，DS18B20不会因发热而烧坏，只是不能正常工作而己。

1.3 半导体温控系统设计

为实现大空间半导体制冷分布式温度控制与调节，设计半导体温控系统试验装置。试验箱尺寸为800 mm×500 mm×500 mm，内衬有泡沫保温层，试验箱的3面上加工有制冷片的安装孔，半导体制冷片共3片，箱体内置有温度传感器的安装支架。为了实时监控制冷片两端的温度变化以及箱体内的温度分布，系统采用12个DS18B20数字式温度传感器构成分布式温控系统，安装位置如图2所示。1～6号传感器用于监测制冷片冷热端的温度，7～9号传感器用于监测箱体内的温度分布，10号传感器监测环境温度。

DS18B20只需要接到微处理器的一个I/O口上，单总线为提高负载能力，需要外接一个4.7kΩ的上拉电阻，DS18B20的电路连接如图3所示。数据的读出或写入仅需要一根接口线来完成，因而使用DS18B20可使温控系统结构更简单，便于处理器为多个温度传感器进行控制。本系统采用10个DS18B20传感器，为了提高工作的可靠性，微处理器的每个I/O口只与一个传感器相连，10个传感器共30条线通过两个航空插头连接到智能传感器节点。在电路设计上，为了节省电路板空间，用10×4.7kΩ的排阻代替10个4.7kΩ的电阻。将航空插头的30条线通过电路板上的带螺钉的连接器分别与电源、地、信号拧紧连接。

图3 DS18B20温度传感器的电路连接

电源模块输入为7～40V，使用12V蓄电池的电压，且对电源电压的上下波动有较大的兼容性。输出为5V，满足STC89C51单片机的电源要求，同时满足了温度传感器DS18B20的电源要求。

温度控制电路采用STC89C51单片机芯片、TA7267驱动芯片进行设计。单片机把DS18B20检测到的工作温度与设定温度相比较，根据比较的结果来相应地控制单片机I/O端口，从而驱动TA7267芯片输出电压信号，控制继电器电路的通断，进而控制制冷片工作时间，达到温度控制的目的，控制原理如图4所示。

1.4 温度数据显示软件设计

图4 温度控制原理框图

DS18B20温度传感器的采集流程如图5所示。首先对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480μs的低电平信号。在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在15～60 μs后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60～240μs的低电平信号。至此，通信双方已经达成了基本的协议。双方达成协议后，就可以进行数据交流，发送ROM指令给DS18B20之后，发送存储器操作指令，操作指令为8位，命令传感器采集温度信息，一个存储器操作指令结束后，进行指令执行或数据的读写，操作视存储器操作指令而定，如执行温度转换指令则控制器必须等待DS18B20执行存储器操作指令，一般转换时间为500μs。如执行数据读写指令需要严格遵循DS18B20的读写时序来操作。要读出当前的温度数据需要执行两次工作周期，第一个周期为复位、跳过ROM指令、执行温度转换存储器操作指令、等待500μs温度转换时间。紧接着执行第二个周期，为复位、跳过ROM指令、执行读RAM的存储器操作指令、读数据。

图5 温度传感器采集流程

为实时了解半导体制冷片的工作情况以及箱体内温度的变化，分布式传感器系统所采集到的温度数据经RS232接口传送给上位机，在上位机上利用LabWindows/CVI编写温度数据显示与处理软件，能实时显示环境温度、3个制冷片冷热端温度以及箱体内的平均温度，软件界面如图6所示。

图6 温度显示与处理软件界面

2 半导体制冷影响因素分析

要实现大空间半导体制冷，制冷片的制冷效率至关重要，半导体制冷片由若干个制冷热电偶组成。给热电偶通电，热电偶中一个结点放热，另一个结点吸热，这两个结点有温差，热量从热结点流向冷结点[11]。根据热力学分析，可以得到一对半导体制冷单元制冷的基本计算公式[12]：

制冷量为

消耗电功率为

制冷系数为

式中：R——电臂电阻；

α——温差电动势率；

K——电偶上的热导；

ΔT——冷热端温度差。

由式（1）可推导出：

从式（4）可知，半导体制冷片热端散热量Qh，等于制冷量与所消耗功率P（焦耳热Qj和传导热Qλ）之和，所以，热端散热问题是影响制冷效率高低的重要因素，如果不及时把这些热量传递出去，不仅会对制冷效率造成很大影响，而且还会在短时间内烧毁制冷片。通过强化热端散热方法能使半导体制冷系统性能得到很大地改善，因此，制冷片冷热端都装有由铝翅片和风扇构成的散热装置。另外，由式（1）可知，电偶的制冷能力还与工作电流I有关。

3 制冷试验与数据分析

选用半导体制冷片TEC1-12704进行试验。主要考察制冷装置分布式温度监控情况和制冷片在不同电流下的制冷效果。电流的调节通过串联不同阻值的大功率电阻来实现，半导体制冷装置试验系统如图7所示。

图7 半导体制冷装置试验系统

图8 不同工作电流下制冷片两端的温度变化

制冷片分别工作在电流为1.23，1.67，2，2.5A的工况下，不同工作电流下制冷片两端的温度变化曲线

及工作时的环境温度如图8所示。DS18B20传感器所采集到的制冷片冷热端温度是制冷片两端铝翅片上的温度，受散热的影响，采集到热端温度要低于真实温度，冷端温度则要高于真实温度，但也能间接体现制冷片两端的温度变化情况。

在散热装置的作用下，传感器采集的制冷片热端温度随工作电流的变化不大，均在30℃以下。工作电流分别为1.23，1.67，2A时，冷端温度随工作电流的增加而减小。但当工作电流达到2.5A时，冷端温度略有上升，表明此时的制冷效果随电流的增加反而降低。这主要是因为随着电流的增加，热端的散热强度有限，更多的热量传递到制冷片的冷端，使冷端温度升高，影响制冷效果。

图9为TEC1-12704制冷片在不同工作电流下，DS18B20传感器采集的箱体内平均温度的变化曲线。在4种工况下，制冷片工作一段时间后箱体内的温度都有不同程度的下降。工作电流为2A时，制冷效果最好，箱体内的平均温度下降了约7℃。由此可见选择合适的工作电流，制冷片能在较小的功耗下，获得较好的制冷效果。

图9 箱体内平均温度变化曲线

4 结束语

该文设计的大空间下分布式温度监控系统能够实时采集、记录制冷片两端以及箱体内的温度，并能够通过温度控制电路，控制半导体制冷片的工作时间，从而控制制冷装置的箱内温度。从制冷装置温度测试结果可以看出，制冷片存在最佳工作电流，若要对大空间取得较好的制冷效果，制冷系统热端必须要有足够大的散热强度。

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Design of semiconductor refrigerator based on DS18B20 temperature sensor

WANG Huai-guang，REN Guo-quan，FAN Hong-bo
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

In order to solve the design problem of semiconductor refrigerators with large space，the semiconductor refrigeration system and temperature monitoring system were designed.The distributed temperature sensors based on DS18B20 were used to realize the function of intelligent control and modulation.The data condition that reflects the variation of temperature difference between the cold junction and hot junction and the average temperature in the test chamber were got.The test results show that temperature monitoring system have the traits of real-time measuring and accurate controlling.It provides data evidence for analyzing the performance of thermoelectric cooling chip and lays the foundations of theory and experiment for researching and designing the semiconductor refrigerator for the cockpit of armor vehicles.

semiconductor technology；refrigeration device；distributed temperature monitoring；DS18B20 temperature sensor；refrigeration efficiency

TP273；TP212.1+1；TQ051.5；TB61+1

：A

：1674-5124（2014）01-0073-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.020

2013-02-20；

：2013-04-15

军械工程学院重点基金项目（YJJ10002）

王怀光（1979-），男，河北沧州市人，讲师，博士，主要从事车辆电气性能检测、车载半导体制冷技术方面的研究。