半导体制冷式除湿干燥装置的控制系统研制

成 波，王昌龙，李倩雯，边义祥

（扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225127）

半导体制冷式除湿干燥装置的控制系统研制

成 波，王昌龙，李倩雯，边义祥＊

（扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225127）

在分析除湿原理的基础上，设计了半导体制冷式除湿干燥装置.介绍该装置的工作原理，并开发出基于STC12C5204AD单片机及其他附加电路组成的控制系统，利用该系统实现对湿度的自动控制，另应用Lab VIEW开发的上位机应用程序实现对温度、湿度的实时监测和数据处理功能.实验测试结果表明：系统响应速度快，效果良好；稳态时相对湿度变化范围为±3%，温度变化范围为±0.5℃.

半导体制冷器；除湿机；自动控制

空气除湿技术是一门涉及多个学科的综合性技术，目前已被广泛应用于医疗、工业、国防、农业、商业以及日常生活中.全球除湿机的主要产地集中在意大利、日本和中国台湾等地，中国在全球除湿机市场中的地位并不显著.特别是家用除湿机，一直以出口为主，只是刚刚被中国的消费者所认知［1］.常用的空气除湿技术主要有冷凝除湿、固体吸附式除湿、热泵和氢泵除湿（电除湿）、液体除湿、膜除湿、HVAC除湿等［2－4］.半导体制冷的理论基础是固体的热电效应，包括5个效应：塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅里叶效应［5－8］.福州大学洪水力等人［9］早在1991年就申请了专利，但由于半导体能量转换效率较低，只能应用于小环境的控温除湿.随着半导体材料的发展，目前利用半导体制冷技术研制的除湿机已走向市场.而市场上的除湿机大多数是从启动开始就一直工作，而本文设计的除湿机是在此基础上，将单片机技术应用于除湿机设计，增加了检测环节以及设定功能，从而节约了能源消耗.

图1 除湿干燥装置的原理结构图Fig.1 The principle structure of drying device

1 除湿工作原理

半导体制冷除湿装置体积小、寿命长、无机械噪声，只要通电便可在单片机系统控制下实现除湿干燥.其除湿原理是利用冷端与换热器紧密接触而使换热器整体降温，热空气流经除湿换热器内部时发生热传递温度下降，其中的水蒸气凝结成霜，在除霜过程中又吸热融化成水，流入底部集水罐中定期排放，达到对空气除湿干燥的目的.半导体制冷式除湿干燥装置的原理结构图如图1所示.

装置采用两片制冷片铅垂方向布置，使用多片制冷片可以增大制冷片与空气的接触面积，提高除湿的效果，散热片贯通布置，制冷侧的散热片下端斜切，以引导水滴至集水槽中.湿空气从上部和侧面进入装置中并在制冷侧形成下降气流，流经制冷片时，温度下降，下降至露点温度以下时，水蒸气凝结为水析出，经过处理后的空气从下部出气口排出，与周围空气混合，加热与制冷侧气流被隔离，如此循环，直至达到温度、湿度的设定值.除湿装置采用自动控制电路确保制冷端稳定工作在露点（密闭空间中制冷片发热较严重，环境温度急剧升高，实际已不能凝露，制冷片如果继续工作可能烧毁芯片，因此在程序中增加温度检测，当箱体内部温度升高时，湿度设定值应该提高），借助制冷片的工作电流调节可实现对制冷速度和温度的控制.

2 系统硬件设计

2.1 总体方案

除湿机控制系统主要由温度湿度传感器、STC12C5204AD单片机、操作键盘、液晶显示、电动执行器等组成，硬件结构设计总体框图见图2.

图2 控制系统硬件总体框图Fig.2 Hardware diagram of the control system

系统所用的STC12C5204AD单片机是由宏晶科技公司生产的一款单时钟单片机，其优点为速度快、功耗低、性能优，指令代码完全兼容8051单片机，但速度却是8051单片机的8～12倍.其内部集成了8路高速8位A／D转换、2路PWM以及MAX810专用复位电路.主要应用于电机的控制以及强干扰的场合.

为使系统易操作，硬件系统设置3个按键：电源键、左键和右键.各键功能如下：电源按键将启动系统进入工作状态；左键和右键配合使用，用于设置温度湿度的设定值.温度湿度传感器采用AMT2001，该模块供给电压为直流电压，相对湿度通过电压输出进行计算，具有精度高、可靠性高、一致性好、且已附温度补偿、稳定性好、使用方便及价格低廉等特点.

2.2 辅助电路设计

1）系统电源.本系统采用的传感器电源为5 V，须将220 V交流电经变压整流后产生12 V直流电，可用于驱动装置供电.再经过三端稳压管MC7805ACT实现稳压，以＋5 V电源输出，为加热装置、制冷片、风扇供电的控制端以及STC12C5204AD等单电源芯片供电.这种电源的设计提高了抗干扰能力，也提高了电源的可靠性.

2）按键电路.设置2个键，左键接P3.3，右键接P3.4.系统进入工作状态时，液晶显示当前环境的温度湿度.按下左键进入外部中断，此时液晶显示当前温度、湿度、地址和波特率的设定值.再次按下左键，表示开始设定湿度，增加设定湿度则按下左键，增加结束后按下右键或者直接按下右键，则会有提示，此时按下左键，开始减少设定湿度；减少结束后按右键或者直接按下右键进入温度的设定界面，同样的方法用于设置温度、地址和波特率.这样设计减少了按键，使整个操作面板更加简洁、方便.除湿装置的制冷和加热可分别采用单片机的P3.7和P3.3来控制，充分利用了单片机的接口资源.

3）显示电路.本系统的外围显示电路采用12864液晶显示，用于温度、湿度测量值的显示以及对湿度的设定.该液晶价格相对较低，适用于各类仪器、小型设备.在设计中用P1.6来控制液晶显示，为了延长液晶寿命，每次操作后延时点亮背光5 min，再次按键操作，再次点亮，利用液晶关闭指令关闭显示.

3 系统软件设计

3.1 软件设计目标

1）主程序采集温度、湿度信号，并输出控制加热或制冷信号，根据显示标志决定液晶是否显示.

2）按键液晶显示部分软件设计.

3）完成数据采集及处理、根据工作状态控制驱动装置等任务.

4）制定通信规约，完成串行通信部分软件设计.

本系统软件采用Keil C51语言编写.

3.2 单片机主程序设计

主程序的大循环主要负责对环境温度、湿度的采集，比较环境温度与设定温度、湿度的大小，从而驱动装置进行相应的操作，主程序的框图如图3所示.

在按键显示模块中设计程序时，将每一次设置好的温度、湿度都写入单片机内部自带的EEPROM的固定扇区，这样每次读取设定温度湿度值时，只须读取EEPROM中的数据，这样就具备了记忆功能，客户设定好后，若不需更改，下次启动就直接开始除湿干燥，无需再次设定.设计程序时，考虑系统的抗干扰性和稳定性，防止程序进入死循环，专门设置了软件陷阱，使用软件看门狗程序解决程序死循环问题，并采用指令冗余技术来优化软件设计.

图3 主程序框图Fig.3 The block diagram of the main program

3.3 单片机与上位机通讯

上位机和单片机利用串口来实现两者之间的数据交换，本文采用Lab VIEW设计对应的串口通信程序，在Lab VIEW中，VISA是可以连接不同标准的输入输出设备，是一个用来在串口通信设备及其他基于计算机设备之间通信的函数库.客户可以在Lab VIEW中找到VISA Configure Serial Port，VISA Write，VISA Read，VISA Close等模块，依次实现串口配置、串口写、串口读、串口关闭等功能［10］.利用这些模块便可设计出正确的Lab VIEW串口通信软件.在编程时最重要的是通信子VI的属性设置以及通信流程图的链接.

程序框图中通信程序的设计完成了对出口初始化参数的设置，波特率为9 600 b·s－1，8位数据位，1位停止位，没有奇偶校验位，无流程控制位；然后依次设置VISA Write，VISA Read等相应的功能模块.

4 实验测试结果

为测定半导体制冷器的除湿效果，并对系统的各个模块做进一步的优化，在整个系统设计完成之后笔者进行了相关的实验，在封闭的小空间中（体积1.2 m3），放置了温度湿度传感器，并放置了100 m L的水来加强实验.实验环境的相关参数为：装置外温度22℃，湿度43%；装置内温度30℃，湿度77%；设定温度20℃，湿度30%.根据实验数据，得到去湿干燥装置的除湿控温效果图（见图4～5）.

通过多次实验，证明本文基于半导体制冷式除湿系统的设计是合理的，除湿器功率为72 W，能够在封闭的小空间中起到良好的除湿控温效果.系统采用PID控制算法，响应速度约为10 min，稳态时相对湿度变化范围为±3%，温度变化范围为±0.5℃.

图4 去湿效果图Fig.4 Diagram of the dehumidification effect

图5 控温效果图Fig.5 Diagram of the temperature control effect

［1］索晓芳.中国除湿机行业的现状和未来 ［J］.电器，2007（4）：36－37.

［2］ZHANG Tao，LIU Xiaohua，JIANG Yi.Performance optimization of heat pump driven liquid desiccant dehumidification systems［J］.Energy Build，2012，52：132－144.

［3］XIAO Fu，GE Gaoming，NIU Xiaofeng.Control performance of a dedicated outdoor air system adopting liquid desiccant dehumidification［J］.Appl Energy，2011，88（1）：143－149.

［4］ZHANG Tao，LIU Xiaohua，JIANG Jingjing，et al.Experimental analysis of an internally－cooled liquid desiccant dehumidifier［J］.Build Environ，2013，63：1－10.

［5］杨秀荣.小环境电子控温除湿技术研究 ［D］.合肥：合肥工业大学，2012.

［6］HERMES C J L，BARBOSA J R.Thermodynamic comparison of peltier，stirling，and vapor compression portable coolers［J］.Appl Energy，2012，91（1）：51－58.

［7］LI Yutong，YANG Hongxing.Investigation on solar desiccant dehumidification process for energy conservation of central air－conditioning systems［J］.Appl Therm Eng，2008，28（10）：1118－1126.

［8］WU Yuting，MA Chongfang，ZHONG Xiaohui.Development and experimental investigation of a miniature－scale refrigeration system ［J］.Energy Convers Manage，2010，51（1）：81－88.

［9］洪水力，范瑞泉，吴万国，等.半导体除湿机：中国，CN210632011［P］.1992－06－03.

［10］陈诚，李言武，葛立封.基于Lab VIEW的单片机串口通信设计 ［J］.现代计算机：专业版，2009（1）：198－200.

The development of the control system of semiconductor refrigeration dehumidification drying device

CHENG Bo，WANG Changlong，LI Qianwen，BIAN Yixiang＊

（Sch of Mech Engin，Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China）

On the analysis of the theory of dehumidifying，the semiconductor refrigeration and dehumidification drying device is studied and designed.The working principle is introduced and the control system for dehumidifier based on chip microcontroller STC12C5204AD and other additional circuits is designed.The humidity is automatically controlled by this system and the real－time monitoring and data processing function of temperature and humidity are realized by the PC Lab VIEW development application.The system responses quickly and the effect is satisfactory.The humidity variation is in the range of±3%and the temperature changes in±0.5℃when the system is at steady state.

semiconductor refrigeration；dehumidifier；auto control

TU 834.9；TP 368.2

A

1007－824X（2014）01－0067－04

2013－07－20.＊ 联系人，E－mail：357339880＠qq.com.

国家自然科学基金资助项目（51275447）.

成波，王昌龙，李倩雯，等.半导体制冷式除湿干燥装置的控制系统研制 ［J］.扬州大学学报：自然科学版，2014，17（1）：67－70.

（责任编辑 贾慧鸣）