半导体热电制冷片在汽车保温箱控制系统中的应用

2011年第5期工业仪表与自动化装置85半导体热电制冷片在汽车保温箱控制系统中的应用程勇西安科技大学，西安710054摘要半导体制冷片又叫热电制冷片，可应用在一些空间非常小的环境，没有化学制冷剂，对环境无污染。该文提出了利用51单片机控制半导体热电制冷片，实现车载保温箱进行加热制冷的硬件电路和软件设计原理。硬件电路主要由输入输出、温度采集和反馈、控制电路组成，控制算法主要采用了滞环控制策略。整个系统结构简单，运行可靠。关键词半导体制冷片；温度控制；滞环控制中图分类号TN377文献标志码A文章编号10000682201105008502APPLICATIONOFTHESEMICONDUCTORTHERMOELECTRICREFRIGERATIONPIECEINCARINSULATIONCHESTSCONTROLSYSTEMCHENGYONGXIANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY，XIAN710054，CHINAABSTRACTTHESEMICONDUCTORREFRIGERATIONPIECEISCALLEDTHERMOELECTRICREFRIGERATIONPIECE，WHICHISUSEFULINDIFFERENTFIELDSITCANBEAPPLIEDTOSOMEENVIRONMENTWITHTINYSPACEITSRELIABLEANDFREEFROMREFRIGERANTANDPOLLUTIONTHISTHESISMAINLYRESEARCHESHARDWARECIRCUITANDSOFTWAREBYUSINGSINGLECHIPCONTROLLERTOCONTROLSEMICONDUCTORREFRIGERATIONPIECETOHEATANDREFRIGERATEWITHHYSTERESISCONTROLLERWHOLESYSTEMHASSIMPLEANDRELIABLESTRUCTUREKEYWORDSSEMICONDUCTORREFRIGERATIONPIECE；TEMPERATURECONTROL；HYSTERESISCONTROL0引言传统空调和冰箱制冷技术采用氟利昂或其他化学制剂来实现制冷，化学制剂泄漏会对周围环境造成一定的污染。该文提出的半导体制冷片组成的温度控制系统，可以用于小汽车保温箱制冷保温和加热保温。利用这种方法实现的保温箱，不仅制冷效率高，成本相对较低，而且对环境无污染，具有一定的实用意义。1热电制冷片制冷原理半导体热电制冷片是依据热电效应中的珀尔帖效应制成的，如图1所示。如果将一只P型半导体元件和一只N型半导体元件联结，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。在上面的一个接头处，电流方向是由NP，温度下降并吸热，这样形成冷端。同理，会在下面的一个接头处，收稿日期20110706作者简介程勇，1979，男，硕士，西安科技大学讲师，研究方向为检测技术，智能算法。形成热端。假如把若干对半导体制冷片在电路上串级连接起来，就是常见的制冷热电堆。这个热电堆的上面是冷端，下面是热端。借助辅助的交换器等方法，使制冷片的热端不断散热并且保持恒定温度，此时用热电堆的冷端吸热降低环境温度，这就是热电制冷器的工作原理。属半导体图1制冷片原理图2硬件电路介绍系统结构如图2所示。系统包括了按键输人、LCD显示、温度测量、半导体制冷片控制回路。采用数字温度传感器芯片DS18B20测量温度。DS18B20的最大特点是采用了单总线的数据传输，由DS18B20和微控制器AT89C51构成的温度测量装置，直接输出温度的数字信号，可直接与单片机连86工业仪表与自动化装置2011年第5期接。因此，测温系统的结构就比较简单，体积也不大，且AT89C51可以根据环境的大小和测量精度适当增减DS18B20，实现多点测量。图2总体设计框图半导体热电制冷片在正向通电时，上表面制冷，下表面加热，反向通电时，则上表面加热，下表面制冷。所以控制加热或制冷只需要控制输人电流的方向即可。因为直接用单片机P1口不能驱动继电器，所以采用9012三极管PNP，使其在截止区和饱和区进行切换，从而实现开关的作用。当单片机输出信号为高电平时，三极管截止；当其输出信号为低电平时，三极管为饱和，从而导通。通过三极管的开关作用来实现对继电器的驱动，从而控制继电器的切换。图3是系统硬件原理图。图3系统硬件原理图半导体电加热制冷片的控制系统设计选用AT89C51单片机作为主控制芯片。利用P20口从DS18B20中读取温度数据。P0口作为数据输出口，直接和LCD1602的数据口相接，P25、P26、P27和LCD1602的3个控制端口RS、RW、E相接。P1口作为键盘的控制口。P21、P22作为制冷片的控制口。P23、P24、P30口作为相应的指示灯的控制口。当温控系统制冷启动时，P23口输出制冷控制信号，加热控制信号无效，绿色指示灯亮；当温控系统加热启动时，P24口输出加热控制信号，制冷控制信号无效，黄色指示灯亮；当系统进入温控阶段时，P30口输出控制信号，红色指示灯亮。3流程图系统控制流程如图4所示。控制过程中，单片机先上电复位，首先对LCD1602和DS18B20进行初始化，然后初次显示。开定时器中断，并设置定时时间为50MS。在中断程序中先判断是否已经累计中断20次，即1S时间，如果已经中断20次，则执行调用温度转换函数和温度显示函数，显示当前系统温度值。如果未达到2O次，则不执行温度转换函数和温度显示函数，只是做简单的计数累积。直到有按键按下，得到具体的按键值并显示。温度控制算法利用滞环控制原理，循环制冷、加热，从而使受控对象温度保持在恒定范围内，如图5所示。如果比较出的给定温度和对象温度差值大于1，说明对象温度低，那么进入加热状态，按照相应的状态给制冷片供电。相反，如果对应温度差值小于一1，便进入制冷状态。厂LCD1602和DSI8B20初始化初显“XTW。MBW”开定时中断如薹二二比YJ结束N图4系统软件流程图下转第90页90工业仪表与自动化装置2011年第5期2不能满足最小距离时，应选择屏蔽保护。3在一个线槽中不能保证最小距离时，必须使用隔离板。4电缆如果必须交叉时须相互垂直。5信号线不能迂回走线，并且应从一侧进柜。6电机电缆变频控制最好独立于其他电缆走线。7备用电缆双端接地。8清除剩余电缆。9在独立的子系统中，所有部分必须等电位。10测速机、码盘的电缆必须双端屏蔽。11接地电缆线径足够大，且接触面积要大。按照上述原则进行重新布线，并观测波形，布线前观测波形如图4所示，布线后波形如图5所示。通过上述分析和处理通信故障，现场布线的是否合理对通信系统是否能够稳定运行至关重要，因此，消弱干扰源能量和隔离或减弱传播途径，提供设备的抵抗能力是电气工程人员应该完成的一项长期而艰巨的任务。图4布线前波形4结束语图5重新布线后波形该轧线于2005年6月调试完成投产，系统稳定运行近6年。从整个轧线的设计、调试看，西门子工业通信网络组成简单、易于设计、调试方便、抗干扰性强及故障率少，非常适用于结构复杂的工业控制系统。参考文献1唐国兰，罗荣华，周汉全PLC在棒材连轧张力活套控制系统中的应用J工业仪表与自动化装置，20105667O2王敏，周文胜，朱学兵，等高速棒材连轧PLC控制系统J自动化与仪表，2006657593赵刚，杜佩芝，杨永立，等分布式PLC控制系统在棒材连轧自动控制中的应用J冶金自动化，2002331344任云萍棒材连轧机组主轧线PLC控制系统J天津冶金，199923032上接第86页工作状态加热F一1，RL1温差制冷图5工作状态控制图4结论该文详细介绍了一种基于半导体制冷片的汽车保温箱温度控制系统。在详细介绍了硬件结构后，又给出了软件流程图。整个系统设计简单，而且成本低。如果能够配加相应的辅助设备，完全可以用于车载保温箱。参考文献1柴钰单片机