半导体制冷温制系统设计

半导体制冷片加热制冷换向电路的设计近年来，随着物联网技术的发展，各个领域对于温度的精准控制越来越重要。

其中，半导体制冷技术在物联网温度控制领域有广泛的应用，能够利用温度对半导体基本电导率的影响来实现制冷和加热的功能。

本文主要介绍半导体制冷片加热制冷换向电路的设计。

一、半导体制冷半导体制冷是一种利用半导体热电效应进行制冷的技术。

在具有热电材料的半导体芯片中，有一半的电子被加热并获得了更高的能量，从而跃迁到导带。

这些电子在导带中自由行动，造成导电；而另外一半的电子由于能量不足而停留在价带中。

由于半导体的导电能力取决于其温度，当半导体芯片的一侧被加热时，该侧的温度上升，导致其导电性能的变化，从而在芯片内建立起电势差。

这个电势差会将热量由加热一侧输送到另一侧，从而实现了制冷的效果。

二、半导体制冷片加热制冷换向电路半导体制冷片加热制冷换向电路是指一种能够实现制冷和加热的电路。

半导体制冷芯片中通常有两侧，其中一侧被加热用于制冷，而另一侧则被冷却用于制热。

在实际应用中，需要根据实际需求对加热和制冷进行调整，因此需要设计一种能够实现加热和制冷之间的切换的电路。

该电路需要能够控制半导体制冷片芯片的加热和制冷，使其能够根据实际需求进行切换。

三、电路设计3.1 电路原理半导体制冷片加热制冷换向电路的原理如下：当需要制冷时，会将电流通过制冷一侧，这会导致半导体芯片中的一个一侧变冷，另一个侧变热，从而实现制冷的效果；当需要加热时，则会将电流通过加热一侧，这会导致半导体芯片中的一个一侧变热，另一个侧变冷，从而实现加热的效果。

3.2 电路设计步骤（1）电源设计首先，需要确定半导体芯片的工作电压，以及设计一种合适的电源，保证电流的稳定和可控性。

一般来说，可以通过变压器、整流器和稳压器的组合来实现电源设计。

（2）半导体芯片驱动电路的设计半导体芯片驱动电路需要通过与之匹配的电压来控制半导体芯片的电流。

因此，需要设计一种与半导体芯片匹配的驱动电路。

－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。

基于STM32F103的小型半导体制冷系统的设计摘要：本文通过对半导体制冷技术的制冷原理进行分析，以STM32F103为控制芯片，采用PID闭环控制策略，设计了一套小型半导体制冷装置，系统实验表明，通过对半导体通入电流进行PID闭环控制，实现了温控系统的高精度温度控制。

关键词：半导体制冷、恒温控制、PID闭环、STM32F103，1. 引言半导体制冷也称热电制冷、温差电制冷，其基本原理是利用珀尔帖效应，即利用特种半导体材料构成P-N 结，形成热电偶对，当通过直流电流时，热电偶对的一端就会吸收热量（称为冷端），而另一端则放出热量（称为热端）。

如果在冷热端安装散热装置，热端就能够将热量输出，从而可以将空间热量转移，达到制冷的目的。

半导体制冷的制冷温度和半导体制冷片的工作电压和工作电流有关，同时也与半导体冷热端的散热效果有关，本研究所设计的基于STM32F103的半导体制冷系统，是通过对输入半导体的电流进行调节温度变化的，实现了的小型系统进行了制冷控制。

2.硬件控制平台设计基于STM32F103的半导体制冷恒温控制系统总体框图如图1所示，主要由STM32为核心的控制系统，采样电路，AC/DC控制单元，制冷部分。

半导体制冷部分采用C1206型平面制冷芯片，最大工作电流可达到6A，最大功率达到72W。

控制系统采用STM32F103，该控制芯片自带AD转换功能和PWM 控制单元，通过采集的温度和电流信号，经过STM32F103内部的计算，可以直接通过输出的PWM通过驱动电路控制功率变换电路，操作方便。

采样电路包括AC/DC输出电流采样和温控对象的温度采样。

为了能够使温控对象的温度控制更为精确，需要对恒温箱内部的温度进行高精度的测量与数据采集，设计的控制系统温度采集采用的是分布式温度采集的方式，通过在温控对象内部不同的位置部署多个温度采集点，并将各采集点采集到的温度数据进行汇总，经过数据融合与处理之后，形成温控对象内部的最终测量温度。

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。

课程设计说明书题目：半导体制冷片温度控制院（系）：xxxxxxxxxxx学院xxxxx 专业： xxxxxxxxxxxx学生姓名： XXXX学号： xxxxxxxxxxxx 指导教师： xxxxxxxxxxxxxxx2012 年 3 月 10 日摘要温度是工业中非常关键的一项物理量，在农业，现代科学研究和各种高新技术的开发和研究中也是一个非常普遍和常用的测量参数。

温度控制的原理主要是：将随温度变化而变化的物理参数，通过温度传感器转变成电信号，传给计算机，与给定温度相减后得到偏差，经过控制器后输出给控制对象达到控温的目的。

半导体制冷片是利用半导体材料的Peltier效应，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,可以实现制冷的目的。

制冷速度与通过的电流大小成正比。

本设计针对用半导体对水箱的制冷模型设计了相应模糊PI控制器对水箱进行计算机恒温控制。

关键词: 半导体制冷；STC12C5A08S2；模糊PI；PWM；引言 (3)1 课程设计概述 (3)1.1 课程设计题目 (3)1.2 主要仪器设备 (3)2 硬件设计 (3)2.1 单片机部分 (3)2.2 串行接口部分 (4)2.3驱动电路部分 (4)3 软件设计 (5)3.1 流程图设计 (5)3.1.1 温度控制主程序流程图 (5)3.2 控制算法设计 (6)3.2.1 控制对象模型 (6)3.2.2 PI控制器设计 (7)3.2.3 控制器的设计 (7)4 系统调试 (7)4.1 单片机程序仿真 (7)4.2 STC12C5A08S2单片机系统电路调试 (8)4.3 驱动电路调试 (9)4.4 系统调试 (9)5总结与改进展望 (9)6 谢辞 (10)引言温度作为一项热工参数,在工业现场和过程控制中具有至关重要的作用。

半导体制冷相对于传统制冷方式，有着体积小，重量轻，无制冷剂而不污染环境，作用速度快，使用寿命长，且易于控制。