太阳能半导体制冷控制器的设计

－１７－中国科技信息２００５年第７期 ＣＨＩＮＡ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ａｐｒ．２００５科　技　论　坛半导体制冷（又称电子制冷）技术为我国六十年代开始发展起来的制冷新技术。

它具有不用制冷剂，无机械运动部件，工作可靠、寿命长，电源换向既可制冷又能采暖，冷热转换迅速方便，负荷调节性能好，安装维修简便等优点。

在小型制冷，电子冰箱上得到迅速推广。

伴随着半导体制冷设备的发展、单片机的迅速普及和消费者的更高要求，恒温控制也从最初的模拟控制发展到现在的数字设定、数字显示的智能控制。

在满足控制精度和功耗的前提下又要有最低的成本是对控制系统的基本要求。

所以，单片机及电路选择成为智能控制电路所要考虑的重点。

本文介绍一种使用ＡＴｍｅｇａ４８单片机实现的小型控制系统的低成本高可靠性的解决方案。

１，系统总体设计．控制原理：根据设定温度和采集的冷柜内部温度计算误差值，使用ＰＩＤ算法调节制冷片两端电压，从而控制制冷片的制冷量，来达到恒温控制的目的。

．单片机选择首先，制冷系统内部大多采用低成本的热敏电阻作为温度传感器，所以要求ＣＰＵ要有Ａ／Ｄ转换器。

其次，控制输出电压要用到Ｄ／Ａ转换器进行线形调节或ＰＷＭ输出进行开关控制；因线形调节效率低、功率器件温升高，因此ＰＷＭ控制是首选。

再次，４个按键、２个数码管显示、箱灯都需要口线控制，经计算，需要至少１３个Ｉ／Ｏ口（至少两个有大电流驱动能力）可使系统不用再扩展其它芯片。

最后，就是需要低价格。

综上所述，选择ＡＴｍｅｇａ４８单片机可完全满足要求。

２，ＡＴｍｅｇａ４８简介ＡＴｍｅｇａ４８（以下简称ＣＰＵ）是ＡＴＭＥＬ公司推出的高性能、低功耗、低价位的８位ＡＶＲ单片机，该单片机具有以下特点：．　高性能、低功耗的８　位ＡＶＲ．　微处理器．　先进的ＲＩＳＣ　结构．　１３１　条指令　大多数指令的执行时间为单个时钟周期．　３２　ｘ　８　通用工作寄存器．　工作频率０－２０　ＭＨｚ（与电源电压有关）．　只需两个时钟周期的硬件乘法器．　４Ｋ　字节的系统内可编程Ｆｌａｓｈ；擦写寿命：　１０，０００　次；通过片上Ｂｏｏｔ　程序实现系统内编程．　２５６　字节的ＥＥＰＲＯＭ；擦写寿命：　１００，０００　次．　５１２　字节的片内ＳＲＡＭ．　可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密．　两个具有独立预分频器和比较器功能的８位定时器／　计数器．　一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的１６　位定时器／　计数器．　具有独立振荡器的实时计数器ＲＴＣ．　六通道ＰＷＭ．　６路１０　位ＡＤＣ（　ＰＤＩＰ　封装）．　可编程的串行ＵＳＡＲＴ　接口．　可工作于主机／　从机模式的ＳＰＩ　串行接口．　面向字节的两线串行接口．　具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器．　片内模拟比较器．　引脚电平变化可引发中断及唤醒ＭＣＵ．　上电复位以及可编程的掉电检测．　经过标定的片内振荡器．　五种休眠模式：空闲模式、ＡＤＣ　噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和Ｓｔａｎｄｂｙ　模式．　２３个可编程的Ｉ／Ｏ　口线．　工作电压：　２．７　－　５．５Ｖ３，硬件设计ＣＰＵ集成了片内振荡器、上电复位及可编程的掉电检测，使自身的外围电路大大简化，因此，只需简单的设计即可构成系统。

采用半导体制冷片的温控系统的设计半导体制冷片的温控系统是一种常见的用来控制温度的技术，它利用半导体物质的特性，通过通过电流的通过来实现温度的控制。

首先，我们需要了解半导体制冷片的工作原理。

半导体制冷片是一种基于Peltier效应的制冷技术。

当电流通过半导体材料时，热量会从一个一端吸收，然后从另一端释放。

这样就可以实现温度的调控。

在设计温控系统时，我们需要考虑以下几个方面：1.温度传感器：温度传感器用于感知当前的温度值并将其传递给控制器。

常用的温度传感器有热电偶和热敏电阻等。

2.控制器：控制器是整个系统的核心，它会根据传感器得到的温度值来判断是否需要制冷或制热。

根据温度变化的速度和幅度来调整半导体制冷片的电流，以实现精确的温度控制。

3.电源：半导体制冷片需要一个特定的电源来提供工作电流。

一般情况下，我们会使用可调电源来提供合适的电流给制冷片。

4.散热器：半导体制冷片在工作过程中会产生大量的热量，为了保持制冷系统的稳定性，我们需要使用散热器将多余的热量散发出去。

在实际的应用中1.常规型：常规型温控系统使用一个PID控制器或者其他类似的控制算法来实现温度的调控。

PID控制算法根据当前的温度误差、误差的变化速度和误差的累积值来调整半导体制冷片的工作电流，以达到温度的稳定控制。

2.自适应型：自适应型温控系统则是根据实际的温度变化情况来自动地选择合适的控制策略。

例如，系统可以根据当前的温度变化速度和幅度来自动调整控制算法的参数，使得温度的控制更为精确。

在设计半导体制冷片的温控系统时，我们需要根据具体的应用需求来选择合适的温控策略，并进行相应的硬件和软件设计。

同时，我们还需要对温控系统进行充分的测试和验证，以确保系统的稳定性和可靠性。

总结而言，半导体制冷片的温控系统是一种实现温度控制的重要技术，它可以广泛应用于各种需要精确温度控制的领域。

在设计温控系统时，我们需要考虑传感器、控制器、电源和散热器等关键因素，并选择合适的控制算法来实现稳定的温度调控。

目录1 绪论 (1)1.1 概述 (1)1.2 本课题研究的意义 (1)1.3 半导体电子制冷系统发展现状 (2)1.4 课题分析 (2)1.5 技术指标 (3)2 半导体电子制冷系统的方案设计 (4)2.1 设计要求 (4)2.2 系统的总体构成 (4)2.3 系统的工作过程 (4)3 硬件设计 (5)3.1 中央控制系统的设计 (5)3.1.1 8031芯片简介 (5)3.1.2数据存储器的选择 (7)3.1.3锁存器的选择 (9)3.1.4程序存储器的选择 (10)3.1.5复位电路 (11)3.1.6晶振电路 (11)3.2 LED显示电路的设计 (12)3.3 键盘部分的设计 (12)3.4 数据采集电路的设计 (13)3.4.1热敏电阻 (13)3.4.2 A/D转换器 (14)3.5 输出控制电路的设计 (16)3.6 报警系统的设计 (16)3.7 12V电源 (17)3.8 5V电源模块 (17)3.9 8V电源模块 (18)4 软件设计 (19)4.1 设计步骤 (19)4.2 程序流程图 (19)结束语 (23)致谢 (24)参考文献 (25)附录 (26)1绪论1.1概述半导体制冷又称为热电制冷(Thermoelectric cooler)或温差电制冷。

当直流电流通过具有热电转换特性的导体组成的回路时具有制冷功能，这就是所谓的热电制冷。

由于半导体材料具有非常好的热电能量转换持性，它的应用才真正使热电制冷实用化，在国际上被普遍采用，为此人们又把热电制冷称为半导体制冷[1]。

它主要是帕尔帖效应(Pehier effect)在制冷技术方面的应用。

1.2本课题研究的意义结构简单，尺寸小，整个制冷器由制冷片和导线组成，无任何机械运动部件，噪音低，无磨损，寿命长；具有高度的可靠性和良好的可维修性；不用制冷剂，对环境没有污染，绿色环保；冷却速度和制冷温度可以通过改变工作电流和工作电压的大小任意调节，启动快，控制灵活，控制精度高；制冷片可以做成各种形状，在任何方向下，甚至在失重和超重状态下都可工作；操作具有可逆性，既可制冷，又可供热，而这只需改变工作电流的方向；制冷量可在MW级-KW级变化，制冷温差可达2O℃～150℃范围。

半导体冷却制冷方案1.引言1.1 概述在半导体器件的运行过程中，发热是一个普遍存在的问题。

过高的温度不仅会降低半导体器件的性能和可靠性，还可能导致设备的损坏甚至失效。

因此，半导体器件的冷却问题一直是一个重要的研究领域。

本文将探讨半导体冷却制冷方案，旨在解决半导体器件发热问题，提高其工作效率和稳定性。

随着技术的不断进步，冷却技术也在不断发展，目前已经涌现出许多高效的半导体冷却制冷方案。

通过对传统冷却技术的介绍和分析，我们可以看到其存在的一些问题和局限性，比如制冷效果有限、能耗较高等。

为了解决这些问题，研究人员提出了一些新的制冷方案，如热管技术、热电制冷技术、基于纳米材料的制冷技术等。

热管技术是一种基于热传导原理的高效冷却技术，通过高热导率的工质在内外两侧建立热传导通道，实现热能的快速传递和散发。

热电制冷技术则是利用热电材料的特性，通过热电效应将热能直接转化为电能或者将电能转化为热能，从而实现对半导体器件的冷却。

此外，基于纳米材料的制冷技术也引起了研究人员的兴趣。

纳米材料由于其特殊的尺寸效应和表面效应，在制冷领域具有巨大的潜力。

例如，纳米流体冷却技术利用具有高热导率和较大比表面积的纳米流体对半导体器件进行冷却，可以实现更高效的热传导和散热效果。

总的来说，半导体冷却制冷方案是一个非常重要和前沿的研究课题，对于提高半导体器件的性能和可靠性至关重要。

本文将对冷却技术概述和半导体冷却制冷方案进行详细介绍和分析，旨在为相关研究和应用提供一定的参考和指导。

文章结构部分的内容如下：文章结构部分旨在介绍本文的组织结构和各个章节的内容安排。

通过正确的结构分布，读者能够更加清晰地理解文章的思路和逻辑关系。

本文分为引言、正文和结论三个部分。

引言部分主要由三个方面组成：1.1 概述：对半导体冷却制冷方案的背景和重要性进行简要介绍。

解释半导体冷却作为一种制冷技术的关键性质和具体应用领域。

1.2 文章结构：给出本文的整体结构和各章节的摘要，以帮助读者更好地理解和阅读整篇文章。

半导体制冷控制一、设计要求我们这次设计的半导体制冷控制套件体积小，具有相对较高的制冷量，它特别适用于有限空间的制冷，由于制冷组件式一种固态热泵，因而它无需维护，无噪音，能在任何位置工作，抗冲击和抗震动能力强，另外组件工作电流积极性，他又可以制热，改变电流强度可调整制冷功率。

二、设计思路我们这次的实验作品是半导体制冷控制，我们设计它的主要思路想它的硬件部分，我们这个它的硬件组成包括，单片机，排阻、按键、数码管、电容、led、晶振、三极管、H桥等，我们有了硬件的支持其次就是软件部分了，我们的软件部分是通过单片机的控制来执行动作的，我们先写显示部分，让单片机不断的给数码管发送高低电平，让数码管管不断的扫屏，然后在显示出来，显示部分完成后我们在写按键部分，我们的按键部分只要单片机检测到按键我们就可以执行相应的功能，这样我们就可以通过外部设备控制单片机。

三、硬件设计单片机最小系统我们的单片机最小系统主要组成部分包括晶振、单片机、按键、电容、电阻等晶振是单片机工作的必要条件也是单片机工作的动力，如果没有了晶振单片机就无法工作，所以我们把晶振接在了单片机的X1、X2上，为了让单片机有一个更好的工作环境，我们给晶振并上了两个电容，电容有充放电的作用，所以它能够滤波，并在晶振上能够给晶振一个稳定的电流。

保证单片机的正常工作。

同时我们也给单片机加了一个上电复位，当单片机死机时我们可以通过上电复位来实现，我们把按键和电容并联在一起，一端接在了Vcc上另一端接在了电阻上，接在电阻上是为了限流，电阻的另一端接在了地上，在电容的一端接在了单片机的RST上，这样我们就完成了单片机的上电复位。

电路原理图如下图。

显示部分我们的显示是通过数码管来实现的，我们让单片机把要显示的信息通过高低电平发给数码管，让数码管不不断的扫屏，这样我们就能看到了，所以我们把数码管的管脚接在了单片机的P0.0~P0.7上，同时为了加大单片机的驱动能力，我们也给单片机的P0.0~P0.7的管脚上加了上上拉电阻，保证了单片机驱动数码管的能力，我们的位选是通过三极管来驱动的，我们把三极管接在了单片机的P2.0、P2.1上，这样整个显示部分的电路都介绍完了，电路原理图如下图所示。

半导体制冷冰箱设计
首先，半导体制冷冰箱的设计需要选择适合的半导体材料。

常见的半
导体材料有锗、硒化铟和硒化钴等，这些材料具有热电效应，即在电流通
过时产生热量或者吸收热量，用于实现制冷或加热作用。

其次，冰箱内部结构的设计也需要注意。

半导体制冷冰箱一般包含一
个制冷模块和一个加热模块。

制冷模块包括两个半导体材料的接合处，通
过电流的通断来实现制冷效果。

加热模块则通过电流的通断来实现加热效果。

为了提高制冷效果，制冷模块需要与冰箱内部空间充分接触，通常会
使用铜或铝等导热性能较好的材料进行散热。

此外，半导体制冷冰箱还需要配备制冷控制系统。

制冷控制系统可以
根据冷藏室内的温度设定，自动控制半导体制冷模块的电流开关，从而实
现恒温效果。

制冷控制系统还可以设置风扇进行空气对流，增加制冷效果。

然而，半导体制冷冰箱也存在一些问题。

首先，由于半导体材料的成
本较高，导致半导体制冷冰箱的售价较高。

其次，半导体制冷冰箱的制冷
量较小，适用范围有限，一般适合用于小型冷藏场所。

最后，半导体制冷
冰箱对电源的要求较高，需要稳定的电流和电压。

总结起来，半导体制冷冰箱的设计需要选择合适的半导体材料，并设
计制冷模块和加热模块。

同时，配备制冷控制系统来实现恒温效果。

尽管
半导体制冷冰箱存在一些问题，但其独特的优势使其在一些小型冷藏场所
有着广阔的应用前景。

如何控制和补偿半导体制冷器摘要在很多需要精密温度控制的设备中经常可以看到半导体制冷器。

对温度及其敏感的组件往往与TEC和温度监视器集成到一个单一热工程模块。

半导体制冷器也可以通过翻转电流而制热。

TEC非常小的体积为精密控制单个组件（例如，光纤激光器驱动器，高精度的参考电压或任何温度敏感型设备）的温度提供了可能。

此应用手册简要讨论TEC设计的起源和历史，然后概述了TEC基本操作。

随后又说明了TEC的控制和补偿问题。

该文最后详细分析了TEC控制的优化以及优化方程。

关键字：PID、DWDM、SFF、SFP、光纤、激光模块、热电冷却器，热电偶、TEC，温度控制，热循环热敏电阻简介1821年托马斯·塞贝克发现，两个不同的材料的导体连在一起，并且两个材料各自的温度不同的时候，这个环路内就会有电流流过。

十二年后，皮尔贴（J.C.Peltier）发现了与这一现象相反的效果：通过削减环路中的一个导体，使外部电流流经环路，然后就可以发现两个连接点之间有温度差出现，这一现象后来被称作皮尔贴效应。

由于那时的材料所限，皮尔贴效应中材料之间的温度差有大部分都是大电流流过材料所产生的电阻热。

随着近来材料学的不断进步，这些连接点制热或制冷的效应越加变得实用化，它可以作为热电泵，使用起来和基于氟碳蒸气压缩的制冷方式并没有太大的差别。

虽然TEC仍然不如氟碳蒸发循环设备更加实用，但是它没有移动部件和工作流体，这就为制冷设备小型化提供了可能。

基本工作原理由于皮尔贴效应可以通过电流线性控制，半导体制冷器（TEC）已经在涉及精密温度控制的设备中得到了大量的应用。

温度敏感型器件、TEC、温度传感器被集成到一个单一的模块中。

TEC控制需要一个电平可以翻转的电源以提供正电压和负电压。

要想在单电源设备中做到这一点，那么完全可以使用H桥电路。

线性稳压电源总会有纹波，同时它的效率非常低，需要大体积的元件并且还要做好热隔离防止调整管发出的热量加载到制冷器上。