半导体制冷器的高精度温度控制系统

摘要

随着信息时代的到来，传感器技术得到了快速发展，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。随着人们生活水平的提高，智能化的液体加热制冷类家电越来越多地出现在人们的日常生活中，这些产品大多采用发热管或PTC热敏电阻进行加热，仅仅具有加热功能；而使用半导体制冷片可以具备加热和制冷双重功能，但缺陷是传统的半导体制冷片的方向控制大多使用继电器来完成，继电器属于机械式开关，当频繁导通或关断时不仅会发出噪音，而且还会降低其使用寿命。因此，有必要探索一种高效、静噪、安全的半导体制冷片控制方法。本设计将H桥驱动电路引入半导体制冷片进行控制，通过控制H桥的通断方向来控制半导体制冷片的加热和制冷，从而实现控温。

关键词：传感器；TEC；H桥

1、系统方案设计

本系统分为MCU ，温度显示，温度控制，温度采集，本系统采用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。

PC 机显示温度、 温度控制

设置温度 RS232 PWM

·······

加热制冷 温度采集

图1 系统结构

STC12C5A16S2 DS18B20

TEC H 桥

1.1微型控制单元

MCU采用宏晶STC12系列单片机，其工作电压为5.5-3.5V，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍，本单片机晶振频率为22.184MHz，本系统PWM的时钟源是Fosc，不用Timer，PWM的频率为Fosc/2，此单片机完全能够满足本系统的设计要求。

1.2 TEC12706半导体制冷片

TEC(Themoelectric cooling modules)即半导体制冷器,它的工作原理是基于珀尔贴效应(J.C.A.Peltier在1834年发现),即当电流以不同方向通过双金属片所构成的结时能对与其接触的物体制冷或加热。两个电偶臂分别用P型和N型半导体材料制成,然后上下分别用金属桥连接,由于电子在金属中的能量要低于在N 型半导体中的能量,故在P型电偶臂和N型电偶臂两端加上电压后,电子从金属流到N型半导体需吸收能量,而从N型半导体流到金属中需放出能量,这样a端是电子从金属流向N型半导体,故为吸热端,而b端是电子从N型半导体流向金属故为放热端;反之,当在电偶臂两端加上反向电压时,此时a端则为放热端,而b端则为吸热端。由此可知,若将a端与某物体接触,通过改变回路中电压极性和电流的大小即可以实现对物体的制冷与加热。

图2 TEC结构

1.3 DS18B20数字温度传感器

DS18B20温度传感器是DALLAS 公司生产的1－Wire ，即单总线器件，只需要一条口线通信，多点能力，简化了分布式温度传感应用，无需外部元件，可用数据总线供电，电压围为3.0 V 至5.5 V ，无需备用电源，测量温度围为-55 ° C 至+125 °C ，-10 ° C 至+85 °C 围精度为±0.5 °C 。温度传感器可编程的分辨率为9~12位，温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒，用户可定义的非易失性温度报警设置，应用围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统。

2、硬件设计

2.1硬件功能划分

上位机 执行机构

被控

对象

检测机构

图3 硬件功能划分

2.2温度采集

本系统采用单片机P2.6口作为DS18B20的数据输入端口

图4 DS18B20的外部电源供电方式

在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VCC引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。

根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号

后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。

DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。

2.3驱动电路

图5 驱动电路

H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动。永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电源供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样绕组电源需用H桥驱动。

本系统将H桥驱动电路引入对半导体制冷片进行控制。H桥采用一对IRF9540P型MOSFET管和一对IRF540N型MOS管。根据MOS管导通原理，

对于N 沟道MOS 管，当栅-源之间不加电压时，漏-源之间只是两只背向的PN 结，不存在导电沟道，因此即使漏-源之间加电压，也不会有漏极电流。当栅-源电压GS u 大于开启电压)(th GS U ，漏-源之间形成导电沟道，GS u 愈大，导电沟道电阻愈小。当GS u 是大于一个确定值时，若在漏-源之间加正向电压，则将产生一定的漏级电流。与N 沟道MOS 管相对应，P 沟道MOS 管的开启电压)(th GS U <0,GS u <)(th GS U 时，管子才导通，漏-源之间应加负电源电压。

本设计使用NPN 三极管进行开关电路

可行性：三极管有一个特性，就是有饱和状态与截止状态，正是因为有了这两种状态，使其应用于开关电路成为可能。

必要性：假设我们在设计一个系统电路中，有些电压、信号等等需要在系统运行过程中进行切断，但是又不能通过机械式的方式切断，此时就只能通过软件方式处理，这就需要有三极管开关电路作为基础了。

如下图就是一个最基本的三极管开关电路，NPN 的基极需连接一个基极电阻R2、集电极上连接一个负载电阻R1。

首先我们要清楚当三极管的基极没有电流时候集电极也没有电流，三极管处于截止状态，即断开；当基极有电流时候将会导致集电极流过更大的放大电流，即进入饱和状态，相当于关闭。当然基极要有一个符合要求的电压输入才能确保三极管进入截止区与饱和区。