项目总结报告_小型半导体制冷系统的设计应用.docx

大学生科研训练计划(SRTP)项目总结报告(第十六期)项目名称： 小型半导体制冷系统的设计应用 项目负责人姓名： 林承勋 所在学院（系）： 电气学院 年级与学号： 11 级 3110101592 所学专业： 电气工程及其自动化 联系电话：563812 电子邮件： 项目组成员姓名： 刘勇 陈放 小型半导体制冷系统的设计应用目录摘要4关键词41引言41.1发展历史41.2与机械压缩式制冷系统的对比42半导体制冷器基本原理52.1珀尔帖效应52.2汤姆逊效应52.3傅立叶效应52.4焦耳效应62.5基本模型63热电制冷器基本结构64半导体制冷系统方案设计74.1基于基本元器件的半导体制冷系统74.1.1基本控制策略74.1.2PWM调控84.1.3简化控制电路模型84.2基于51单片机的半导体制冷系统94.2.1系统模型94.2.2PWM斩波控制105半导体制冷系统实验验证分析115.1实验器件115.1.1半导体制冷片115.1.2散热肋片与风扇125.1.3供电电源125.1.4制冷空间135.1.5单片机芯片135.1.6温度采集模块145.1.7AD/DA模块155.1.8无线控制模块165.1.91602液晶显示器175.1.10控制电路部分185.1.11半导体制冷器系统185.2热电制冷器制冷效率195.2.1实验数据195.2.2效率计算205.2.3其他参考数据215.3（基于单片机）半导体制冷系统的运行状况分析215.3.1采用通断控制时215.3.2采用PWM控制时216结论227小型半导体制冷系统单片机控制程序227.1主程序227.2I2C总线驱动程序32参考文献35摘要 本文主要介绍半导体制冷器的基本原理与设计方案实现，并通过简单的实验验证，分析半导体制冷系统的制冷效果和控制性能。关键词 热电效应 热电制冷 半导体制冷器系统 36 / 361 引言1.1 发展历史半导体制冷片，也称为热电制冷片，是一种利用半导体材料的Peltier效应进行制冷的热泵。当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，从而实现制冷的目的。与常规的制冷技术不同的是，半导体制冷不需要制冷剂，无滑动部件，具有工作稳定性高、清洁无污染、尺寸小、温度控制精确、无噪声等显著优点。当前，从国内外对半导体制冷研究的程度来看，半导体制冷技术远没有成熟。半导体制冷应用的范围仍然局限在一些特殊的、不容易大范围普及的场合，比如微小空间的电子散热、低温领域、军方特殊需要的情况。本项目研究基于前任研究的基础，将半导体制冷技术实验研究建立在更加接近实际生活应用的场合，以期实现半导体制冷技术应用更为生活化、实用化，从而使得半导体制冷技术有更广泛的推广应用。本项目研究主要考察了两种简单的半导体制冷系统，实验结果对后续实验研究应用具有一定的借鉴意义。1.2 与机械压缩式制冷系统的对比机械压缩式制冷系统和热电制冷系统的基本对比由下表所示：机械压缩式制冷系统热电制冷系统主要组成部件压缩机、蒸发器、冷凝器、节流阀、制冷剂冷端、热端、电源、电路制冷剂需要不需要噪声高基本没有体积较大较小热惯性低低控制方式简单-复杂简单-复杂效率高较低功率一般较高可按需求选取由上表内容可以看出，机械压缩式制冷系统和热电制冷系统各有优缺点，可以在不同的应用场合发挥各自的长处。相比机械压缩式制冷系统而言，热电制冷系统不需要制冷剂，同时省去了压缩机等大型转动部件。因此具有无工质泄漏，无噪声，体积小，可靠性强等优点。同时，半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。因此，在某些应用场合，有着压缩式制冷机无法替代的作用。另外，半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流来控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。2 半导体制冷器基本原理当直流电通过半导体PN 结时，在两结的接触面上会发生热电效应，它主要是由五种不同的效应组成，即珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应、傅立叶效应、塞贝克效应等五种不同的效应，而半导体制冷技术则主要是珀尔帖效应在制冷技术方面的应用。2.1 珀尔帖效应两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将会产生温差。这就是珀尔帖效应（Peltier Effect）。珀尔帖热与通过该导体的电流大小成正比例关系：Q=I=aTcI，其中=aTc（1）式中Q为放热或吸热功率；比例系数，称为珀尔帖系数；I为工作电流；a为温差电动势率；Tc为冷接点温度。对于PN结而言，珀尔帖系数存在如下关系：=(ap-an)Tc，ap、an分别为N型结和P型结温差电动率，Tc为相应接头上的绝对温度，ap为正值、an为正值。2.2 汤姆逊效应当电流流经存在温度梯度的导体时，除了由导体电阻产生的焦耳热之外，导体还要放出或吸收热量，称为汤姆逊效应（Thomson Effect）在温差为T的导体两点之间，其放热量或吸热量为：QT=TIT（2）式中QT为放热或吸热功率；T为汤姆逊系数；I为工作电流；T为温度梯度。2.3 傅立叶效应单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比，用公式可表示如下：QF=kS(TH-TL)/l=KT（3）其中，K为导体热导率；TH为导体热端温度；TL为导体冷端温度。2.4 焦耳效应直流电流过导体时单位时间内产生的热量等于导体电阻和电流平方的乘积，用公式可表达为：Qj=I2R（4）2.5 基本模型下图为P型和N型半导体电偶组成的简化半导体制冷片模型：图（1）简化半导体制冷片模型在制冷PN结电偶中，由于之前所述的几个热效应现象，在PN结两端存在着温差，使得PN结的一端为冷端，一端为热端。通过公式推导可以得出，半导体制冷片的制冷量大致可以表达如下： Q0=T0l-(12 I2R+KT) （4）式中Q0为制冷量，为材料的温差电动率，I是回路电流，T0是冷端温度，R为制冷片两端电阻，K为半导体热传导系数。3 热电制冷器基本结构下图为几种半导体制冷器的基本原理结构：图（2）几种半导体制冷器的结构在半导体制冷片的冷端和热端分别加上铝制或铜制肋片，并且辅以风扇强制空气对流，从而加快空气与半导体制冷片两端的热量传递。这便是半导体热电制冷器的概念原型。热电制冷器的制冷能力和制冷效率主要与半导体制冷片数量、空气与半导体制冷片之间的热量传递能力、制冷片输入功率以及密闭空间的保温能力等因素相关，合理控制上述参数对热电制冷器的运行状况具有较大的影响。 4 半导体制冷系统方案设计仿照已有的家用制冷器制冷系统设计，需要具备基本的制冷、恒温以及温度控制三大基本的功能。热电制冷器是热电制冷技术在制冷器中的应用，它具有许多优于传统制冷器设计的特性，在工作时只需要加上直流电源和散热装置即可在短时间内实现制冷。而由半导体制冷片工作原理可知，控制制冷量的关键在于控制通过它的电流及其两端的电压，这便是温度调控的关键。利用热电制冷器的这个特点，便可以设计相应的控制电路实现简单的温度调控的功能。下图中是一种简化的半导体热电制冷器制冷系统的模型：图（3）简化半导体制冷器模型在控制策略上，我们采用了两种设计思路，一种是利用基本元器件搭建的硬件电路进行温度调控，一种是利用单片机编程搭建的软硬件电路进行温度调控，这两套系统具备制冷、调温两大基本功能，符合日常生活中对制冷器制冷的要求。其设计思路分别如下所述。4.1 基于基本元器件的半导体制冷系统4.1.1 基本控制策略下图是我们采用基本元器件设计的硬件电路概念图：图（4）基于基本元器件的半导体制冷系统模型在本方案设计中，利用热电制冷器的制冷惯性低的这个特点，可以直接采用通断控制来进行温度调控，即通过设定一定的温度限制，当温度高于设定值时打开制冷器，当温度低于设定值后关闭制冷器，基本可以实现制冷器的恒温制冷和温度调控的功能。在这个模型中，需要用到的器件至少包括三个部分：用于温度检测的温度传感器模块、用于开关控制的继电器模块、以及制冷器即热电制冷器主体模块。根据控制的需要，还可以加上显示模块或者其他的控制模块，从而可以实现其他的控制策略或功能。本系统中主要采用了单闭环温度调控的方式，其优点是不必测量实际电路中的电压电流，只需要根据实时温度调控需求，利用温度反馈信号控制热电制冷器的通断，从而可以改变制冷器的制冷量。4.1.2 PWM调控当需要提高控制精度时，可以从另外一些控制策略上进行改进，比如采用PWM调压控制方式，使热电制冷器不断电地持续工作，通过控制占空比来改变制冷功率和制冷量。这种控制措施可以更加精确地控制热电制冷器的制冷温度，减小实际温度的波动，从而使得制冷器的制冷效果更加符合人体感官的需求。4.1.3 简化控制电路模型下图是我们所设计的一种较为简单的控制电路：图（5）温度检测和控制电路图（6）制冷器通断控制电路第一部分为温度检测和控制模块，由热敏电阻、LM393芯片以及其他的基本元器件组成，其基本功能为温度检测和温度-电压转换，并且通过电压比较器和滑动电阻器来改变输出控制电压的高低电平，进而用以控制热电制冷器回路的通断。当直接采用通断控制时，只需要通过滑动变阻器来调节电压阀值，调节温度的设定值，从而控制输出电压高低电平进行温度调控的功能。第二部分为制冷器通断控制模块，它利用第一部分输出的控制电压进行电路通断控制，当温度高于设定值时，继电器为导通状态，热电制冷器满载工作，空气温度降低，使得输出电压的比较值降低，当温度降低到一定值后，输出电压比较值降低，继电器从导通状态转换为关断状态，热电制冷器不工作。当由于空气对流、热传导等使得室内温度升高时，继电器又会重新导通，这样热电制冷器不断处于工作-暂停的状态，从而可以维持室内温度在一定的范围内。4.2 基于51单片机的半导体制冷系统4.2.1 系统模型基于51单片机的半导体制冷系统的设计概念模型可以由下图表示：图（7）基于单片机的半导体制冷系统模型图（8）半导体制冷器驱动电路原理图这个控制系统以51单片机为控制核心，辅以温度传感器模块、湿度检测模块、液晶显示模块、上位机控制模块以及负载控制模块等部分。相比起硬件电路方案的设计而言，采用单片机作为控制系统核心模块的半导体制冷系统增加了湿度检测模块、液晶显示屏、其他的控制模块等。这样一个控制系统具有更高的灵活性和可操作性，可以根据系统的需求增加一些额外的控制措施，比如后期可以加入蓝牙通信模块、无线模块等来实现对温度的调控，同时可以利用单片机进行PWM斩波控制，实现更为稳定的温度调控。4.2.2 PWM斩波控制图（10）PWM斩波控制原理图由于采用通断控制的方式与通过基本元器件方案的相同，因此此处不再赘述。下面主要介绍PWM斩波控制的控制方式。由半导体制冷片工作原理可以知道，通过控制流经半导体制冷片的电流以及它两端的电压即输入功率大小，便可以简单地实现制冷器制冷量的调控。利用单片机产生PWM波，以控制热电制冷器的稳定制冷温度，具有调温曲线更加平滑的特点。利用51单片机产生PWM信号，再将信号通过驱动电路进行放大，用以控制功率管的导通和截止，调制后的电压通过滤波电路即可以得到稳定的输出电压。其调压原理图如下：图（11）PWM调压电路基本原理图上图中，左端为PWM信号输入端，4端为Vcc输入端，6端为与单片机PWM信号输出端相连接。PWM信号经由光电耦合元件将信号放大，放大后信号对稳压电源进行斩波控制。5 半导体制冷系统实验验证分析5.1 实验器件5.1.1 半导体制冷片市面上常见半导体制冷片规格有上百种，主要按照半导体制冷片的电堆数、最大工作电流、最大工作电压 、最大产冷量、最大温差、外形尺寸、电阻、重量等作为划分依据。在本项目的实验研究中，我们采用的半导体制冷片型号是TEC12706，其参数数据如下：型号电堆数最大工作电流Imax(A)最大工作电压Umax(V)最大产冷量Qcmax(W)最大温差Tmax=0外形尺寸(mm)电阻()重量(g)热端温度T=27CLMHTEC12706127615.256.2704040401.9423相比于其他型号的制冷片而言，这种型号的半导体制冷片制冷功率、制冷性能处于中等水平，但足以满足制冷器制作的要求，同时价格合理，具有较为广泛的应用前景，同时，在当前市场中的饮水机、小型制冷器等的中也多应用到这一款制冷片。因此，在项目实验研究中，我们也选用这一型号的制冷片作为研究对象，以期达到更为符合实际的结论。图（12）TEC-12706实物图5.1.2 散热肋片与风扇由于半导体制冷片的表面积较小，与空气之间的热交换能力较差，因此在使用的过程中，需要加上散热肋片和风扇，以加强空气对流从而增强其热交换能力。在实验中，我们在制冷片的冷热两端分别布置了2个肋片型散热器，其中一个用于散热，一个用于散冷。其尺寸分别为100mm120mm36mm（肋高为30mm），57 mm52mm30mm （肋高为25mm）。在肋片和半导体制冷片之间抹上导热硅胶，以减少接触热阻，同时在两片肋片之间空隙填充绝热性能较好的硬纸板，以减少冷热肋片之间的热传递。其次，每片肋片采用一个小风扇进行风冷散热，考虑到供电电源要求，采用的风扇的规格为12V0.5A。图（13）冷、热两端端散热肋片与风扇5.1.3 供电电源考虑到半导体制冷片和散热风扇的工作电压，为防止过压损坏器件，因此采用的供电电源是输出为12V、6A的整流电源，这样既可以保证满载工作时提供足够的功率，又可以保证器件在允许的工作电压范围内，延长器件的使用时间。图（14）12V 6A整流电源5.1.4 制冷空间用36cm25cm18cm（内尺寸）的泡沫塑料箱来模拟制冷器的制冷空间，壁厚大约为2cm。同时在顶部开一个大约为5555mm的洞，将制冷器的冷端散热器“置入”箱内封闭空间中，而将热端隔离在外界空气，这样一个简单的制冷空间就完成了。图（15）用泡沫塑料箱制作封闭空间5.1.5 单片机芯片基于小型半导体制冷系统的控制要求，采用51单片机已经可以满足基本的控制需要，包括温度采集信息的处理、控制电路输入电压的电平控制或PWM控制。因此，在实验中采用的是以51单片机最小系统，其实物图如下：图（16）51单片机最小系统5.1.6 温度采集模块制冷系统的一个重要部分是温度的采集及其反馈控制，因此需要用到一片温度传感器模块，利用这个模块进行温度采集，将温度信号变换成电压信号后在有AD采样将信息输入单片机中，用以显示模块的温度显示以及温度反馈控制。图（17）温度传感器模块5.1.7 AD/DA模块温度传感器输出的电压模拟量经由AD/DA模块转换成数字量，输入到单片机芯片中以实现温度的实时显示以及闭环控制。图（18）AD/DA模块5.1.8 无线控制模块考虑到实际工作时，往往希望制冷系统的温度可以通过简单的方式进行调控，因此我们在系统中加入了无线控制模块，通过无线遥控器来控制制冷器的制冷温度，从而提高整个系统的控制性能。图（19）利用无线遥控器控制制冷器制冷温度5.1.9 1602液晶显示器利用1602液晶显示器可以将温度传感器采集到的温度值、实际设定的制冷温度值实时显示在屏幕上方，这样便可以了解制冷系统的工作情况。图（20）1602液晶显示屏5.1.10 控制电路部分控制电路部分，可以采用通断控制或者PWM控制两种控制方式。对于通断控制方式，可以使用单片机驱动的继电器模块，而对于PWM控制方式，需要根据实际电压要求来设计电路板，或者可以使用专用的PWM驱动电路模块作为驱动部分。图（21）继电器模块5.1.11 半导体制冷器系统将各个模块连接、组合，编写好相应的程序，便可以得到半导体制冷系统的样机模型。下图为实际制作的样机模型，单片机部分的控制程序已附于本文档最后的附录中。 图（22）小型半导体制冷系统样机图（23）实际运行中的半导体制冷系统5.2 热电制冷器制冷效率5.2.1 实验数据为验证热电制冷器样机的制冷能力，将热电制冷器满载运行，以测试其最低制冷温度，以及相对应制冷的输入功率、制冷效率等。通过实验测量可以得到如下数据：（实验室温为20）时间t(min）温度（）02011821531341261089109158将其绘制成曲线如下：图（24）温度变化曲线图T-t将前几分钟内的温度变化数据进行拟合，可以得到半导体热电制冷器大致的制冷能力曲线如下：图（25）温度变化曲线图拟合曲线T-t即满载运行时，热电制冷器在一开始阶段内制冷能力大约为每分钟使得制冷空间温度下降2.1摄氏度。5.2.2 效率计算实验中测得满载工作时，热电制冷器两端电压为12.28V，流过电路中的电流为4.42A，因此输入功率：P=UI=54.28W对箱内空气有：Q=CmT其中Q为制冷量，C为空气比热容，m为箱内空气质量，T为空气下降的温度。查阅相关数据可知，室温下空气比热容大约为C=1012J/(kgK)，室温下空气的密度为=1.205kg/m3。因此箱内空气质量：m=V=1.2050.360.250.18=0.019521kg 箱内空气每下降2.1K，热量值：Q=CmT=10120.019522.1 =41.4839J 每分钟输入的能量：W=Pt=54.2860=3280.8J因此制冷效率：=QW=41.483280.8100%=1.264%此处计算得到的制冷效率较低，制冷效率不到2%，一定程度上这与半导体制冷片制冷效率较低有关，同时也可能与实验中所制作的热电制冷器样机的精密程度（包括密闭空间的封闭程度、保温能力等）有关。另外，计算过程中采用室温下的空气密度和比热容，一定程度上也会导致一定的误差。5.2.3 其他参考数据由实验数据可以知道，在实验样机精密程度较低、保温能力较差的情况下，热电制冷器最低制冷温度可以达到10摄氏度以下。在此可以参考一些实际应用过程中的制冷温度需求：医用药品冷藏温度为210，普通酒品冷藏温度为510。因此，在不考虑效率的条件下，这样的制冷温度足以满足大部分日常生活的制冷需求。5.3 （基于单片机）半导体制冷系统的运行状况分析5.3.1 采用通断控制时利用温度传感器采集温度信号，将温度信号输送到单片机中，在利用单片机来控制热电制冷器回路的导通和关断，从而可以实现温度控制的反馈。设定温度限值为2，可以得到稳定运行时温度变化情况为（室温20）：温度设定值实测值101013121015161418181619显然，温度的波动范围基本符合所设定的要求。5.3.2 采用PWM控制时实验中采用PWM控制时，为更好地维持热电制冷器的最低运行功率以模拟封闭空间与外界热交换导致的热损耗，因此将占空比设置变化范围是25%100%，即满足温度要求的条件下仍有25%占空比的电压波形输出，从而维持热电制冷器的最高温度不超过某个温度限值。从而得到实验时的温度波动情况如下（室温20）：温度设定值实测值101013121013161416181617根据实验结果可以看出，相比于通断控制方式而言，采用PWM控制的温度波动范围相对较小，可以实现更为稳定的温度调控，更加符合人体对外界环境温度变化的感知。6 结论在本项目研究中，主要分别对通断控制和PWM控制两种控制策略进行分析，在相同条件下，采用PWM控制的控制方式具有更高的控制精度，但整体结果相差不大，也就是说，这两种控制策略基本上都可以满足热电制冷器的控制精度需求。对于热电制冷器的制冷效率，其运行的情况主要与制冷片本身的参数、封闭空间的保温能力、实际平均输入功率、散热能力等都有很大的关系，在实际设计的过程中都需要予以周密的考虑。考虑到半导体制冷片的热泵效应，制热效率总大于1的特点，还可以对热电制冷器进行后续改进设计，将单制冷形式的热电制冷器改为冷热两用的热电制冷器，这样不仅可以提高能量利用效率，还可以实现更为广泛的应用，如常用饮水机、细菌培养箱（3537）等。7 小型半导体制冷系统单片机控制程序7.1 主程序/*SRTP 小型半导体制冷系统/*/#include /包含单片机寄存器的头文件#include #include /包含_nop_()函数定义的头文件#define PCF8591 0x90 /PCF8591 地址#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define delayNOP(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/ 变量定义unsigned char AD_CHANNEL;unsigned long xdata LedOut8;unsigned int D32;unsigned int temperature;uchar num;unsigned char date;uchar code cdis1 = Set:- real:- ;/实时温度显示uchar code cdis2 = IR-CODE: -H ;/红外线接受uchar IRCOM7;uchar m;uint set_temperature=16;uint set1=0;/引脚定义sbit IRIN=P32; /红外接收器数据线sbit P2_0 = P20;sbit P2_1 = P21;sbit P2_2 = P22;sbit P2_3 = P23;sbit LCD_RS = P34; sbit LCD_RW = P35;sbit LCD_EN = P36;sbit Relay_EN=P37;/ 函数申明 void display();void delay(uchar i);bit DACconversion(unsigned char sla,unsigned char c, unsigned char Val);bit ISendByte(unsigned char sla,unsigned char c);unsigned char IRcvByte(unsigned char sla);/*延时函数*/void delay(unsigned char x) /x*0.14MSunsigned char i;while(x-)for (i = 0; i13; i+) void delay1(int ms)unsigned char y;while(ms-)for(y = 0; y4) AD_CHANNEL=0;/table22=SBUF; /将串口输入值实时显示在液晶屏上/D2采样值应算到temperature数值，计算公式：假设为 温度T=100-40*电压值U=100-0.8*串口检测值temperature=86-69*D2/100;/table22=temperature/10+0;/table23=temperature%10+0;lcd_pos(0x0c); lcd_wdat(temperature/10+0); /第一位数显示 lcd_pos(0x0d); lcd_wdat(temperature%10+0); /第二位数显示delay(200);lcd_pos(0x04); lcd_wdat(set_temperature/10+0); /第一位数显示 lcd_pos(0x05); lcd_wdat(set_temperature%10+0); /第二位数显示delay(200);/继电器控制部分if(IRCOM6=1&IRCOM5=9)set_temperature=16; /按下100+键时，修改设定温度值为16degif(IRCOM6=0&IRCOM5=D)set_temperature=17; /按下200+键时，修改设定温度值为17degif(IRCOM6=0&IRCOM5=C)set_temperature=18; /按下1键时，修改设定温度值为17degif(IRCOM6=1&IRCOM5=8)set_temperature=19; /按下2键时，修改设定温度值为18degif(IRCOM6=5&IRCOM5=E)set_temperature=20; /按下3键时，修改设定温度值为19degif(IRCOM6=0&IRCOM5=8)set_temperature=21; /按下4键时，修改设定温度值为20degif(IRCOM6=1&IRCOM5=C)set_temperature=22; /按下5键时，修改设定温度值为21degif(IRCOM6=5&IRCOM5=A)set_temperature=23; /按下6键时，修改设定温度值为22degif(IRCOM6=4&IRCOM5=2)set_temperature=24; /按下7键时，修改设定温度值为23degif(IRCOM6=5&IRCOM5=2)set_temperature=25; /按下8键时，修改设定温度值为24degif(IRCOM6=4&IRCOM5=A)set_temperature=26; /按下9键时，修改设定温度值为25degif(IRCOM6=4&IRCOM5=5)set_temperature=6; /按下CH-键时，修改设定温度值为17degif(IRCOM6=4&IRCOM5=6)set_temperature=7; /按下CH键时，修改设定温度值为17degif(IRCOM6=4&IRCOM5=7)set_temperature=8; /按下CH+键时，修改设定温度值为18degif(IRCOM6=4&IRCOM5=4)set_temperature=9; /按下键时，修改设定温度值为20degif(IRCOM6=4&IRCOM5=3)set_temperature=11; /按下|键时，修改设定温度值为21degif(IRCOM6=0&IRCOM5=7)set_temperature=12; /按下-键时，修改设定温度值为22degif(IRCOM6=1&IRCOM5=5)set_temperature=13; /按下+键时，修改