基于H桥驱动电路的半导体制冷片恒温器设计

华北水利水电大学 陈光辉 贾校磊

基于H桥驱动电路的半导体制冷片恒温器设计

华北水利水电大学 陈光辉 贾校磊

本设计以STC89LE52AD单片机和半导体制冷片为核心，采用H桥驱动电路的核心方法，辅以微处理器模块、键盘模块、温度采集和显示模块。根据传感器采集的温度与预设温度间的对比结果，结合“弱电控制强电”的思想，控制半导体制冷片TEC1-12706的工作状态，实现自动恒温功能。

单片机；半导体制冷片；H桥驱动电路；恒温

1.引言

1834年，法国科学家帕尔贴发现了热电制冷和热电制热现象－帕尔贴效应。20世纪50年代末期，随着半导体材料技术的大力发展，解决了早期系统制冷效率低的问题，特别是美，英，日等发达国家在这一领域做了大量的研究。60年代末热电制冷即已达到实用化阶段[1]。因其具有结构简单，无噪声，无污染等优点，自其出现以来便广泛用于航空，航天，红外探测，医疗设备等领域[2-3]。

2.半导体制冷原理

利用连接在一起的N型和P型半导体之间的“帕尔贴效应”进行能量交换实现制冷或制热。原理如图一所示，把P型半导体和N型半导体连成热电偶对回路，在回路两端加上直流电源，在外电场作用下，P型半导体需要从环境中吸收热量实现空穴的能级跃迁，空穴在电场作用下在P型半导体内的定向流动，空穴流到达P型半导体另一端后释放能量进入到金属片中;而N型半导体中的情况与P型半导体的情况相反，若外电场使回路中载流子定向流动循环下去，就会使上部空间温度降低，形成冷端，下部空间温度升高，形成热端[3]。综合考虑，选用的半导体制冷片型号：TEC1-12706。

图一 半导体制冷原理图

3.H桥驱动电路原理

通过单片机控制两个开关管的通断，使流过制冷片电流方向发生改变，实现制冷或制热的功能。原理如图二所示。因流过制冷片的电流较大，而且需要频繁的开关，所以选择过流能力强,噪声低,压降小，中高频特性较好的场效应管作为开关管。

图二 H桥驱动电路原理图

4.硬件系统设计

在系统启动后，通过键盘模块手动预设一个温度值，同时单片机不断从温度传感器采集出当前温度并判断温度是否处在预设温度区间内，根据判断结果控制制冷片的工作状态，从而实现自动恒温。同时，通过译码电路和数码管来显示当前的温度值。

图三 系统框图

4.1 微处理器模块

选用STC89LE52AD单片机作为主控MCU。有定时器，中断等片上资源，可以直接驱动数码管，继电器等，并且P1端口有自带的数模转换器，可以直接和DS18B20数字型温度传感器相连。

4.2 温度采集和显示模块

温度采集选用DS18B20数字型温度传感器。其具有独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。测温范围 －55℃～+125℃，完全可以满足对温度范围的要求。除此之外，它还具有功耗低，反应快，精度高，可靠的特点。显示模块采用3位的数码管显示。

4.3 键盘模块

键盘模块的功能是确定操作面板是否有键按下，并保存下键值。为消除误判造成重复读取一个键值，在软件设计时进行防抖处理。

4.4 自动恒温模块

单片机控制H桥驱动电路可以实现半导体制冷片制冷和制热功能。如果当前温度小于预设温度，单片机自动控制H桥驱动电路实现半导体制冷片的制热功能，然后实现恒温;如果当前温度大于预设温度，单片机自动控制动电路实现半导体制冷片的制冷功能，最后实现恒温。如果环境温度发生变化，单片机通过温度传感器采集的温度与预设温度的比较，自动控制H桥驱动电路实现半导体制冷片制冷和制热功能，从而使系统温度恒定。

5.软件系统设计

系统启动后，经过初始化，开始正常工作。首先通过键盘模块设置一个初始温度t0，然后单片机控制软件发出指令通过DS18B20采样读取温度t1,并送数码管处实时显示。然后将温度t1和t0进行比较。如果t1>t0,单片机控制半导体制冷片TEC1-12706进行制冷；如果t1〈t0,单片机控制半导体制冷片TEC1-12706进行制热。当温度受环境变化而提高或降低时，单片机控制H桥驱动电路实现半导体制冷片制冷和制热功能，从而使系统温度恒定。

图四 系统流程图

6.结论

本设计采用STC89LE52AD单片机作为主控MCU，使用制冷片TEC1-12706作为核心温度加热或制冷元件，通过DS18B20进行采集温度，利用H桥驱动电路对半导体制冷元件进行控制，实现自动恒温功能。该系统与传统的传统的恒温箱相比，解决了传统继电器控制的噪音及寿命问题。同时具有安全，便捷，无噪音，无污染，寿命长，维修方便,启动快，控制灵活等特点[5]，在医疗，军事，农业和家庭中有广泛的用途。

[1]宣向春,王维扬.锥状电臂半导体制冷器工作参数的理论分析[J].半导体技术,2000,25(2):29-31.

[2]唐红民,廖胜等.CCD芯片热电制冷的非稳态传热研究[J].制冷学报,2009,30(6):52-56.

[3]Singh A,Ghosh A.A themoelectric model of material re-moval during electric discharge maching[J],International Journal of Machinetools and Manufacture,1999,30:669-682.

[4]徐德胜.半导体制冷与应用技术(第二版),1-26.

[5]陈振林,孙中泉.半导体制冷器原理及应用[J].微电子技术,1997,27(5): 63-65.

陈光辉（1996-），本科，专业：电子科学与技术。

贾校磊（1996-），本科，专业：电子科学与技术。