基于单片机的半导体制冷智能控制

黄钞

摘要：随着半导体材料和相关技术的不断发展，越来越多的制冷设备采用半导体材料制冷，半导体材料具有体积小、重量轻等特点，单片机控制技术能够与电脑的串口通信连接，实现制冷设备的智能控制。本文主要研究基于单片机的半导体制冷设备的智能控制技术，实现制冷设备控制的智能化，更好实现制冷效果，最大限度的节约能源。

关键词：单片机；半导体制冷；智能控制

中图分类号：TP316.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）01-0006-02

基于单片机的半导体制冷智能控制系统，融合了单片机控制技术和半导体制冷技术，实现制冷设备温度控制的智能化，具有体积小、重量轻、使用寿命长等优点。

1 基于单片机的半导体制冷智能控制系统的结构及原理

半导体制冷器是一种利用珀尔帖效应来进行制冷的器件，它具有体积小、重量轻、使用寿命长、没有噪音、无机械运动、加热制冷迅速、控制精度高、不需要制冷剂、无污染等优点。单片机具有系统结构简单，使用方便，实现模块化；可靠性高，处理功能强，速度快；低电压，低功耗，便于生产便携式产品；控制功能强，环境适应能力强等优点，将单片机与半导体制冷技术结合起来，实现制冷设备的智能控制。

1.1 基于单片机的半导体制冷智能控制系统的结构

基于单片机的半导体制冷智能控制系统的主要结构包括处理器、温度传感器、数码管显示、按键调节电路、控制信号驱动电路、半导体制冷执行器连接电路，其结果图如下图1所示。

从系统结构图系统结构图中可以看出，当温度低于（或高于）设定温度时，通过温度传感器感受温度，形成反馈信号，经过单片机内部模糊控制算法处理，形成单片机I/O口输出的PWM信号，单片机根据设定的程序和反馈信号给驱动器发射启动信号，驱动器控制半导体制冷器运转制冷，使得密封箱体的温度升高（或降低），同时，在温度反馈电路中，及时反馈温度值，通过单片机的控制运算达到设定温度，从而实现单片机半导体制冷设备的智能控制。

1.2 半导体制冷设备的原理

半导体制冷设备的原理固体材料所具有的珀尔帖效应。珀尔帖效应是指由于固体材料的原子能级都不相同，材料中的载流子所具有的势能也不同。在外加电场作用下，载流子开始流动，流动方向从低势能材料流向高势能材料，流动过程中吸收热量，从而导致两种不同材料的连结处出现致冷现象。

半导体制冷又叫热电制冷，主要利用了热电效应的原理。当直流电通过两种不同的材料组成的回路时，在两种材料的接触面会产生能量交换的现象。通过直流电的时候，由P型半导体材料和N型半导体材料组成的半导体，当PN接触就会产生电子由一种材料向另一种材料迁移的现象，在迁移的过程中，电子会把多余的能量释放出来，因此该接触面会产生热量。同时，在另一个接触面电子由一种材料进入到另一种材料的过程中，会吸收外界的能量，来保证它完成这种迁移，因此在该接触面会产生吸收热量的现象。

如图2所示为半导体制冷原理图，当线路通电流时，电子由上金属板通过结点a流向N型半导体，电子势能增大，并从上金属板吸热，使之变冷。当N型半导体中的电子通过结点d进入下金属板时，势能由大变小，于是放出热量（能量），使下金属板变热。同理，当电流由上金属板流向P型半导体时，空穴由上金属板通过结点b流入P型半导体，势能增大，并从金属吸收热量（能量），使之变冷；随之，空穴通过结点c到达下金属板时，势能由大变小，放出热量（能量），使下金属板变热。

2 基于单片机的半导体制冷智能控制系统

2.1 单片机

单片机简单点说就是芯片，具有集成电路的芯片，将中央处理器CPU、A/D转换器、只读存储器ROM、模拟多路转换器、定时器/计数器等功能，利用集成电路技术把这些功能集成到微小的硅片上，从而构成一个微型计算机系统。根据具体的控制系统情况，选择适当类型的单片机，一般采用STC12C5A16S2作为核心芯片，使用TEC1-12706半导体制冷片作为核心加热制冷与案件，采用DS18B20温度传感器采集温度，通过上位机和单片机通讯，上位机可以显示实时温度值，并且可以进行温度设置，半导体制冷片控制部分采用H桥驱动控制电路进行电压翻转H桥的导通和截止采用三极管开关电路进行控制，从而达到加热和制冷的自动控制目的。

2.2 半导体制冷片

半导体制冷片选用TEC12706，TEC即半导体制冷器，它的工作原理是基于珀尔贴效应，即当电流以不同方向通过双金属片所构成H桥的结构时能对与其接触的物体制冷或加热。其工作原理图如图1所示。

半导体制冷设备的优点如下：（1）半导体制冷器的规格尺寸非常小，最小的制冷器可以到达1cm；（2）半导体制冷设备重量也非常轻，微型制冷器的重量往往只有几克或几十克。（3）机械传动少甚至没有，环保性能好，工作过程中无噪音，无液、气工作介质，不存在污染环境，（4）制冷参数稳定，不受空间方向以及重力影响，即使机在械过载的条件下，也能够正常地工作；（5）调节方便，电路电流控制制冷效果，通过调节工作电流的大小来调节制冷速率；通过切换电流方向，来快速完成制冷、制热工作状态的转换；（6）作用速度快，使用寿命长，且易于控制。

2.3 数字温度传感器

数字温度传感器就是能把检测设备采集到的温度通过相应的转换设备将温度信号转换为数字信号并通过数字现实屏幕现实出来。数字温度传感器的组成部件有温、湿度敏感元件，信号转换计算机、PLC、智能仪表、LED数字显示器等等。起初，数字温度传感器处于关闭状态，当供电之后，数字温度传感器进入连续转换温度模式或者单一转换模式，用户根据自己的需要选择相应的工作模式，在连续转换模式下，数字温度传感器可以连续转换温度并将结果存于温度寄存器中，读温度寄存器中的内容不影响其温度转换；在单一转换模式，数字温度传感器执行一次温度转换，结果存于温度寄存器中，然后回到关闭模式，这种转换模式适用于对温度敏感的应用场合。在实际应用中，数字温度传感器有多种分辨率可供选择：8位、9位、10位、11位或12位，五种分辨率分别对应温度分辨率分别为1.0℃、0.5℃、0.25℃、0.125℃或0.0625℃，温度转换结果的默认分辨率为9位。

3 结语

本文主要研究基于单片機的半导体制冷智能控制系统，分析了基于单片机的半导体制冷智能控制系统的结构和工作原理，重点分析了半导体制冷设备的工作原理。就基于单片机的半导体制冷智能控制系统的主要组成部分单片机、半导体制冷片、数字温度传感器进行了研究，有利于制冷设备智能控制的研究。

参考文献

[1]李恩章.基于单片机的半导体制冷智能控制[D].华北电力大学，2015.

[2]高坤.基于单片机的半导体制冷温度控制仪[J].吉首大学学报（自然科学版），2009，04：69-72+77.