半导体制冷片温控系统应用研究

刘奥成　郑欣鹏　王巧　石文星　秦工

摘  要：随着半导体材料的技术发展，半导体制冷技术越来越成熟，并且广泛地运用于便携制冷设备。研究将半导体制冷片温控系统应用于冰的导热系数测量装置之中，具有所占空间体积小、控温效果好、环境适应强、噪声小、稳定性高等特点。该装置是通过负温度特性NTC电阻来读取冰的表面温度，使用单片机获取温度数值，增量式PID控制电压幅值，达到控制半导体制冷片表面温度的效果。借助单片机来读取热流计的热流密度，并计算出冰的导热系数。整个装置结构简单，对环境要求不高，控温速度迅速，控温效果良好，有着良好的稳定性。

关键词：半导体制冷片；冰的导热系数；热流计法；单片机；PID控制算法

中图分类号：TP273；TB657 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）19-0055-04

Application of Semiconductor Refrigeration Sheet Temperature Control System

LIU Aocheng， ZHENG Xinpeng， WANG Qiao， SHI Wenxing， QIN Gong

（School of Artificial Intelligence， Jianghan University， Wuhan  430056， China）

Abstract： With the development of semiconductor materials technology， semiconductor refrigeration technology is becoming more and more mature and widely used in portable refrigeration equipment. In this paper， the semiconductor refrigeration sheet temperature control system is applied to the ice thermal conductivity measurement device， which has the characteristics of small space volume， good temperature control effect， strong environmental adaptability， low noise and high stability. The device reads the surface temperature of ice through the negative temperature characteristic NTC resistor， uses the Single-Chip Microcomputer to obtain the temperature value， and incremental PID controls the voltage amplitude to achieve the effect of controlling the surface temperature of the semiconductor refrigeration sheet. The heat flux density of the heat flow meter is read by the Single-Chip Microcomputer， and the thermal conductivity of the ice is calculated. The whole device has simple structure， low environmental requirements， fast temperature control speed， good temperature control effect and good stability.

Keywords： semiconductor refrigeration sheet; thermal conductivity of ice; heat flow meter method; Single-Chip Microcomputer; PID Control Algorithm

0  引  言

半导体制冷片[1]有噪声小，制冷速度迅速，稳定性高，没有运动部件等优点。本文应用半导体制冷片作为温控系统[2]的执行机构，作用时间短且迅速，对能耗要求不是很高，实现相对恒定的溫差，再利用热流计来测量出热流密度[3]，从而得出冰的导热系数[4]。此方法结构简单，对环境要求不高。

1  半导体制冷片工作原理

半导体制冷片也叫热点制冷片，它属于一种热泵。半导体制冷片由N型半导体与P型半导体片所组成，由这两种的半导体元件构成一个热电偶对，也叫帕尔贴元件，即PN结。当有直流电经过热电偶时，会伴随着能量的转移，在结点处会产生能量交换。半导体制冷片通直流电制冷原理如图1所示。

当直流电加上半导体制冷片时，由于直流电压方向向右为正，即电流从右到左，则电子是先经过P型半导体，冷端，N型半导体，最后是热端。电子经过P型半导体会吸收热量，由于吸收热量即在冷端中温度会急剧下降，电子再经过N型半导体之后，与P型半导体不同，电子经过N型半导体时，是释放热量，释放的热量将在热端体现，呈现比较高的温度。同时电流的大小影响着两端的温差大小，方向影响着两端温差的正负，即原来热端变成冷端，原来冷端变成热端。由于通过一个PN结往往不够实际应用的要求，通常会将多个PN结级联并用导热良好的陶瓷片封装起来。

2  温控系统设计方案及硬件电路

2.1  半导体温控系统设计方案

整个半导体温控系统主要分成测量装置、显示装置、运算装置、供电装置、冷却装置五个部分，整个温控系统设计图如图2所示。

整个温控系统设计方案[5]主要采用意法半导体的STM32F103作为主控，通过NTC电阻作为温度探头，来测量半导体制冷片的冷面温度。同时，温控系统主要以12 V大电流开关电源作为供电电源。由于半导体制冷片中的热端温度不能过高，所以在半导体制冷片的热端采用导热性良好，粘连度强的导热硅脂均匀涂在热端表面并用水冷头紧紧压成一体。温控系统采用循环水冷机制，来实现半导体制冷片热端散热的功能。

本文主要采用12 V直流水泵，额定功率小而且噪音小。将小水泵放置水箱之中，并用橡胶软管将水冷头与水泵，小水泵将常温的水抽到水冷头，吸收半导体制冷片热端的温度，通过软管最终流向水排，由于水排是由两个风扇和导管所组成，风扇正常工作，降低导管内的液体温度，最后降温水流向水箱，形成循环，为半导体制冷片实现散热。

当半导体制冷片工作后，温度探头测量温度，主控读取负温度系数NTC电阻的温度数值。接着主控将读取的温度进行增量式PID控制，以主控的PWM输出IO端口为媒介，输出不同的占空比，来控制半导体制冷片的两端有效电压。由于有效电压的变化，导致半导体制冷片电流发生变化，最终达到温度控制的效果。

本装置所使用的热流计是接触式热流计[6]，接触式热流计主要是由两部分所组成的，它的核心部件是一个热电偶，这个热电偶是由两种不同金属所组成的，当两种金属处于两个不同的温度时会产生电势差，这个电势差是模拟信号，即需要变送器[7]来实现模拟信号转换成数字信号，同时变送器可以这种电势差放大和转换成标准的数字信号，更好地实现对热流密度的测量。本装置上使用的是输出是RS485信号，本协议是将数据通过差分信号传输，有着较强的抗干扰能力。由于单片机使用的是TTL电平，所以需要将RS485信号转换成TTL信号，本装置使用的是MAX485芯片，將485信号转换成TTL电平，即可以使用STM32的串口外设将热流计的参数读取出来，并在STM32中计算出此时的瞬时热流密度和冰的导热系数。

整个装置的显示装置是由串口屏与STM32来实现显示，使用串行总线的方式进行通信，同时将STM32内部运行内存所计算出的热流密度和当前冰面的温度值通过串行通信的方式传输到串口屏中，达到显示的目的。

2.2  半导体温控系统硬件设计

整个温控系统主要是以STM32F103为主控，通过STM32中AD引脚来读取NTC两端的电压，由于使用稳压芯片可能有些纹波，会影响读取NTC的电压[8]，出现电压波动的情况。所以在整个控温系统中使用TL341芯片，实现电压基准的功能，减小读取电压误差，提高温控系统的精度。与此同时，在输入NTC电压输入前段与同相放大电路串联，将电压值放大两倍，达到提高温度读取精度。由于在STM32中，引脚IO口电流带载能力只有20 mA左右，根本不可能承受得了半导体制冷片在12 V直流电下的电流。则需要射级放大电路来提高承载大电流的能力。通过MOS管提高承载电流能力，通过PWM来实现控制MOS管的通断，最后来改变施加在半导体制冷片上的有效电压，来将控制半导体制冷片的输出功率。控制了半导体制冷片的输出功率，随之也将改变半导体制冷片的控制温度。热流计主要是使用了RS485串行总线标准，通过485转成TTL芯片将热流计的数据变成STM32可读取到的串口信息。最后使用STM32通过串口发送数据到串口屏中，将冰的导热系数的数值呈现出来。

3  装置控温处理方法及原理

PID算法[9]在控制领域已经成为比较引用广泛的一种算法了。在PID算法中主要是通过比例、积分和微分三种方式来调节系统，PID算法的框架图如图3所示。

在PID算法中，由于计算机中都是离散信号，所以有了位置式PID和增量式PID。增量式PID是由在传统的位置型PID算法改进得来。传统的位置式PID如式（1），传统的位置型PID是与过去的之前的各个状态都是有关的，所以需要不断的累加，增大主控的计算量，所以有了增量式PID算法，增量式PID算法的表达式如式（2）：

由增量式PID的公式来看，输出结果只与最近的三次的误差值有关，舍去了累加的操作，同时根据调参来实现适应不同的系统来达到控制的效果。同时，使用增量式PID每次控制增量，即不会出现故障值很大的情况，不会严重影响控制过程。增量式PID也改善了PID算法的积分饱和的问题，只需要通过限制幅值输出。

4  基于半导体制冷片温控的应用

4.1  测量冰的导热系数

导热系数是指材料在温度梯度下传递热量的能力。具体而言，导热系数是单位时间内单位面积上升1 ℃温度梯度时，材料内部传热的热流密度与温度梯度的比值。对于冰而言，它的导热系数与温度有关，随着温度的升高而增大。但是冰的导热系数很特殊，冰的导热系数受到很多因素的影响，例如冰的密度、晶格结构、含气量、温度等。在本装置测量冰的导热系数使用的是纯净水，但是冰中含的气泡，晶格等其他冰样特征无法保证，即多次实验的测量出的冰的导热系数并不是一个定值。由于冰的物理特性，本装置在并没有控制装置周围环境，则控制冰的温度时，测量的时间不能太短，而且制冷效率要好。利用半导体制冷片的快速制冷和优秀的制冷效果，基于半导体制冷片的温控系统能够很好地符合了冰的导热系数测量要求。

4.2  测量原理

测量方法主要是通过傅里叶定律[10]来测量出冰的导热系数。测量原理中的傅里叶定律必须是一维稳态传热方程，即在测量冰的导热系数的时候，必须知道在冰样中的热流密度并反推得到冰的导热系数。原理图如图4所示。

整个测量的传热图如图五所示，其中的q为热流密度，Δh为上下两侧的半导体制冷片的间距，ΔT为待测冰样两端的温度梯度，由于整个温控系统需要时间，即需要一定时间才能将冰样进入稳态，也就是说上下冰样的温度与温控系统所设定温度一致后，再通过热流计测量出热流密度，从而计算出冰的导热系数。由于接触式的热流计是已知导热系数的金属片，通过热流计的面积一定，厚度一定，导致在傅里叶定律的一维导热方程里，只有热流计的上下两侧的温度差改变，从而改变了热流密度大小。此时我们认为穿过热流计的热流密度近似等于冰样在热流计位置处的热流密度，此时我们认为穿过热流计的热流密度近似等于冰样在热流计位置处的热流密度，所以通过冰样的高度和上下温度差来计算出冰此时的导热系数：

4.3  测量结果

温控系统将冰样的上下两侧温度差控制一定，大致实现了在冰样的上下两端的中的热流计部分的热流密度是一维传热，再由单片机读取出瞬时的热流密度，经过一段时间后，热流密度趋于相对地稳定，如图5所示。通过主控STM32来读取出此时的热流密度，来读取在这个温度差的导热系数。设定上下温差为10 ℃时，测得的冰的导热系数为2.38。通过STM32使用串口打印出来的数据，经过Python绘图来反应半导体控温系统的温度曲线，并在串口屏中显示导热系数结果。

4.4  实验误差分析

本装置对照纯冰的导热系数，由于所制造的冰的纯度达不到很高的精度，而且制冰时，冰样中有许多的气泡，而且样冰的晶格结构无法保证，导致实验结果不一致。而且再加上热流计放入其中，难免热量不是按照一维的方向流动，也会造成误差。再加上由于NTC电阻是使用导热良好的石墨烯导热片粘贴到冰样表面，由于会出现粘贴缝隙，也会影响温度的输入，从而导致PID的控制出现偏差，导致实验误差。但是整体的误差不算太大，说明装置测量冰的导热系数还是比较准确。

5  结  论

整个装置使用半导体制冷片作为制冷工具，并使用热流计读取一维热流密度，同时使用单片机进行数据读取和处理，最后测量出冰的导热系数。通过半导体制冷片设置的温控制冷系统，有着响应快，制冷速度快的优点，在测量冰的导热系数上有着很好的体现，保证了在测量的时候，能够精确控制裝置温度，较好地测量出冰的导热系数。

参考文献：

[1] 何进.基于半导体制冷技术的温度控制系统研究 [D].天津：中国民航大学，2017.

[2] 赵威，张品.热电制冷技术的研究与应用现状 [J].制冷，2020，39（3）：18-21.

[3] 李志军，孟广琳，严德成，等.黄河口附近海冰导热系数的室内测试方法 [J].海洋环境科学，1992（1）：39-43.

[4] 姚凯，郑会保，刘运传，等.导热系数测试方法概述 [J].理化检验：物理分册，2018，54（10）：741-747.

[5] 宋炳辉，冯叶磊，张欣，等.基于半导体制冷片的恒温控制系统的测试与仿真 [J].制冷，2018，37（3）：7-10.

[6] 韩飞，李勍，付远明，等.接触式热流计校准装置的研制 [J].工业计量，2019，29（S1）：27-30.

[7] 范羽.电流变送器原理及在工业上的应用 [J].广西轻工业，2010，26（5）：33-35.

[8] 李丹，蔡静.基于半导体制冷片的高精度控温电路系统设计 [J].计测技术，2017，37（2）：19-21+39.

[9] 王祎晨.增量式PID和位置式PID算法的整定比较与研究 [J].工业控制计算机，2018，31（5）：123-124.

[10] 白乙拉，关博，刘丹.南极海冰导热系数优化辨识 [J].内蒙古民族大学学报：自然科学版，2010，25（4）：361-364.

作者简介：刘奥成（2002.09—），男，汉族，湖南益阳人，本科在读，研究方向：电子信息。

收稿日期：2023-04-03

基金项目：湖北省大学生创新创业计划项目（S202211072062）