智能车内环境自调节系统（泊车用）的设计与规划

雷挺，贺伟

（西安邮电大学 陕西 西安 710061）

半导体致冷又称为温差电致冷或热电致冷，是以温差电技术为基础的制冷方法。主要利用珀尔帖效应的原理达到制冷的目的，即当直流电流经不同材料的导体连接形成的回路时，结点处会产生放热和吸热（制冷）的现象，而放热或吸热依电流方向不同而改变，放热或吸热量的大小也由电流的大小来决定。虽然据此原理制作了车载冰箱，但由于其制冷温度不能达到所需而被忽略，其无污染、无噪声、无磨损、体积小、寿命长的特点也因此埋没。

针对以上特点，文中提出了一种基于半导体制冷技术的泊车用车内环境自调节系统，用于车载空调的辅助。弥补车载空调的诸多缺点的同时也充分发挥了半导体制冷技术的优势。

1 系统设计

在基于珀尔帖效应原理的基础上，根据实际需求制作规格合适的半导体制冷模块。再结合单片机最小系统、数字温度传感器DS18B20、LED显示电路、按键等功能，自动检测、自动工作、手动调整，并最终实现系统整体要求。

1.1 半导体制冷模块设计

根据珀尔帖效应原理，将N型半导体和P型半导体[1]（主要成分是碲化鉍）间隔排列，而它们之间则使用一般的金属（铜、铝或其他金属导体）相连接，在此称为导流片，成为一个完整的回路，工作时回路由12 V直流电供电。组件的上下面板使用陶瓷片（95%的氧化铝），起电绝缘、导热和支撑的作用。如图所示将很多对电偶对串联成热电堆（单级电热堆），一般只能达到大约50℃的温差。根据实际需要为获得更低的冷端温度，也可以将它们多级串联、并联、串并联，也可以根据实际的需要控制模块的大小、形状[2]。

1.2 温度检测/控制模块设计

图1 温度检测/控制模块方框图Fig.1 Temperature detection/control module block diagram

利用数字温度传感器DS18B20完成对温度数据的采集，直接读取到被测温度值，进行D/A转换。结合系统以查询方式、软件消抖，设置的3个按键：报警温度增加键、报警温度减小键、当前温度和设置报警温度切换键。并结合通过软件控制的蜂鸣器，当检测温度超过或低于报警温度时产生报警动作。以及4位共阴极LED数码管显示动态数据。以上所有设备都通过单片机的I/O接口连接到主控制单片机，软件控制实现相应功能。

1.3 工作参量规划

在半导体[3]制冷模块端，当电偶对通过直流电I时，因珀尔帖效应产生的吸热量与电流I成正比：

其中：π=（αp-αN）Tc称为珀尔帖系数。

当电流通过点偶对时，热电元件内还需要放出焦耳热：

除了焦耳热以外，由于半导体的导热，从电堆热端还要传给冷端一定的热量：

因此，电偶对的制冷量应为珀尔帖热量与传回冷端的焦耳热量与导热量之差，即：

将上式对I取偏导数，并令其等于0，就可以得到最佳电流值和最大温降：

将之前的R、k分别带入以上公式，并假设两电偶臂的几何尺寸（λ1=λ2=λ）且有相同的导热系数（S1=S2）及相同的电阻率（ρ1=ρ2=ρ）则：

由此可见，热电制冷的最大温差取决于材料的α、γ、λ组成的综合系数及冷端温度Tc。而此综合系数称为电偶对材料

电堆的制冷系数与供给热电堆的电流值的关系：

将制冷系数ε，对电流取偏导数，并令其等于零，得到与最大制冷系数相对应的电流及电压值。

故制冷系数ε与温差Th-Tc以及材料的优质系数Z有显著关系。

因此，由以上的各关系式就可以确定出半导体制冷模块的性质，并由此得到各模块正常、稳定工作时所需的最佳电流值和最佳电压值以便于利用单片机对半导体制冷模块进行控制。

1.4 可行性规划

1.4.1 可行性问题

由于实际中的具体情况，需要进一步考虑系统的可行性问题[4]。

首先，考虑系统供电部分。由于车辆自带的电瓶一般情况下主要是用于车辆启动、防盗报警、照明等低功耗器件，而车载电瓶在车辆运行工程中是充电状态的，但在泊车时用于半导体制冷模块且工作时间不确定会影响到车辆启动时的正常点火。为此需要考虑另行加载小型化12 V可充电电瓶为系统供电。

其次，考虑系统的整体功耗。显然半导体制冷模块为主要耗能原件，且因为车内空间的不同，工作时间越长耗能越大。以此考虑使用多大容量的电瓶以满足实际的需求。

最后，考虑半导体制冷模块的散热问题。根据实际需求确定出制冷量于制热量比值大的模块以供使用。比值足够大时，可考虑直接在车内散热。但比值不好确定时，就需要考虑将模块的散热部分置于车外，方便散热同时保证车内制冷效果。

1.4.2 可行性实现

1.4.2.1 电源可行性实现

以一般的中型轿车为例展开分析。车辆正常使用时夜晚是电量消耗最大的，包括：2只/4只60 W左右的前照灯、2只35 W的雾灯、2只28 W的倒车灯、10 W的牌照灯、8 W的顶灯、8 W的仪表灯、8 W的踏步灯、20 W的工具灯等等照明设备，虽然不会同时使用，但由此可以估算该车辆照明设备大致的电功率介于218～500 W （前者为车辆正常工作最小值，后者为最大值）之间。此处取均值PO=360 W，按照国际通行的德国DIN蓄电池标准、美国BCI蓄电池标准的参数（此处按前者）。以61017型号蓄电池为准（额定容量约为150 Ah），国际标准20小时为基准在25℃下可持续放出IO=7.5 A的电流20 h。

当然，在此需要强调，工作温度、电解质温度、设备开启关闭、LED、蜂鸣器等都会影响电池的容量，以上的数据是理想状态下的。

由电功率：P=UI

可得到此时工作电压为48 V。

再由电功：W=Pt=UIt

可得到电功为 2.592×107J。

实际中，当然会有焦耳热（Q=I2Rt）的问题，此处为了便于计算省去。但纯电阻的电路时：Q=W=UIt=I2Rt。

根据1.3工作参量规划中公式（1）中得到的最大制冷系数相对应的电流Iεopt、电压值Uεopt以及我们实际中需要的设备单次续航时间T，再由以上规划过程就可以逆推出需要多少容量的蓄电池（有一定的冗余量）或者在计算的可能性之类考虑车载电瓶。

1.4.2.2 制冷量可行性实现

参考某中型轿车的车内空间，为了便于计算近似的看成矩形，则 V=l×b×h。 再由热量公式 Q车内=C MΔT（C 为介质比热容，M=ρV为对应体积内的介质质量，ΔT为前后温差）计算得到从该体积内为达到设计要求所要除去的热量[5]Q总=Qj+Qk+Q车内+Q吸收+…（需要通过大量的实验获得）。

一般，电压的单位是：1 V=1 J/C，电流的单位是：1 A=1 C/S，功率的单位是：单位功率=单位电压×单位电流=1 V×1 A=1 J/S。因此1 W=3 600 J/h。由此再和热量建立联系。由于热的功当量是：1 J=0.24 cal，1 kJ=2.4×10-4kcal。 从而热量的功率为：1 kW=860 kcal/h，与此同时1 cal=4.186 J，再结合系统工作时间T的要求、需要除去的车内热量Q总，即可以推算出需要多大制冷功率的制冷模块，即制冷功率多少W、制冷量多少W。（在此可借鉴空调参数：1 P（匹）额定制冷功率735.35瓦，制冷量为2 324 W来标定）此处只做推导不作具体计算。依所得数据自行制作或直接购买，由于实际情况的变化性，最好有足够的冗余度或者使用足够数量的模块以满足系统要求。

1.4.2.3 模块散热可行性实现

散热问题对于绝大部分的电子设备都是极其重要也是及其棘手的问题。该设计中采用的半导体制冷模块由于其特殊的工作原理，制冷和制热时同时进行的，并且由于选材的不同两边极板的温差也会存在显著的不同。模块是通过热交换的原理使车内的温度降下来的，因此需要尽可能的避免其它热源产生的热量对系统的影响并引起实际制冷量的减少。

实际应用中需要具体考虑半导体制冷模块以及温度检测模块的安放问题，既不能影响车内空间的整体效果，又可以有效地实现系统最佳功能。实验中半导体制冷模块曾安放于中控平台右侧空调出风口附近及驾驶舱后挡风玻璃下端中部，温度检测模块则安放于车顶中部。

2 硬件设计

2.1 主要材料及芯片

本设计中，系统主要由半导体制冷模块及温度传感器模块组成。半导体制冷（制热）模块，根据制冷量来确定并由控制芯片L298N通过改变电流方向实现制冷、制热。温度传感器模块，由 DS18B20检测、单片机控制等动作来实现。

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，内部的EEPROM可以反复擦除1 000次，集合了多功能8位CPU和闪烁存储器。采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术且与MCS-51相兼容。为很多的智能控制系统提供了灵活、价廉的控制方案[6]。

DS18B20是美国Dallas半导体公司DS18xx系列的数字化温度传感器，采用独特的单总线接口方式，且支持多结点。工作时无需任何外围元件，可以通过数据线直接供电，具有超低功耗工作方式。可直接将温度转换值以16位二进制数字码的方式串行输出，不需要放大器和A/D转换器，具有可靠性高、成本低、体积小等特点。测温范围为—55～+125℃，精度为 0.5 ℃[7]。

2.2 电路整体设计

整个硬件电路包括单片机控制模块、温度传感器模块、半导体制冷模块、电流方向控制及按键、LED显示等。温度传感器DS18B20检测车内温度并传回主控制芯片AT89C51与之前通过按键设定的系统最高温度及最低温度进行比对，并通过LED直观显示。如果实际检测温度高于系统预设最高温度，则蜂鸣器首先报警与此同时单片机通过L298N输出正向电流，使半导体制冷模块制冷降温，反之增温。

图2 系统整体结构图Fig.2 Overall system structure

2.3 半导体制冷模块连接

由半导体模块工作原理，利用L298N芯片实现对电流方向的控制[8]。此处，当一个芯片连接两个半导体制冷模块时，主要通过与单片机连接的芯片上的 IN1、IN2、IN3、IN4引脚的电瓶高低来控制模块实现制冷、制热。模块的连接[9]如图3所示。

图3 半导体制冷模块连接图Fig.3 Semiconductor refrigeration module connection diagram

参照L298N的逻辑功能表，图中的两个半导体模块工作状态与引脚关系如表1所示。

表1 L298N引脚状态与半导体模块状态关系Tab.1 L298N pin and the semiconductor module state relations

2.4 DS18B20连接

DS18B20一般有两种工作方式，寄生电源工作方式和外接电源工作方式。此设计由于实际需要采用外接电源工作方式，而由于其独特的单线接口仅需要一个DQ端口与主控单片机进行通信，工作电压使用+5 V[7]。

2.5 供电电源设计

系统中需要供电的部分包括：DS18B20温度传感器、L298N、AT89C51单片机、3个按键（报警温度增加键、报警温度减小键、当前温度和设置报警温度切换键）、4位共阴极LED数码管以及半导体制冷模块。除半导体制冷模块需要12 V的工作电压，并且通过L298N与主控芯片连接之外，剩下的部分都统一使用+5 V供电电压。由于L298N芯片的结构特点，其端口VS可直接接入+12 V电压为半导体制冷模块供电。为此考虑主电源使用车载电瓶提供12 V的电压，并以普通开关控制其开断，之后一路直接为半导体制冷模块供电，另一路则通过采用TO-220封装形式的7805三端正电源稳压模块使输出电压降到+5 V，再供其他部分使用。

2.5.1 半导体制冷模块供电

半导体制冷模块与L298N芯片连接，由端口VS连接+12 V电压为其提供稳定的工作电压。其连接方式在图4中已经给出。

图4 DS18B20与单片机的连接图Fig.4 Connection diagram of DS18B20 and single chip microcomputer

2.5.2 单片机部分供电

由于系统整体使用12 V的车载电瓶供电，而只有半导体制冷模块可以直接使用，其余的包括：DS18B20温度传感器、L298N、AT89C51单片机等部分只能使用5 V电压供电。为此采用7805稳压模块[1]将电压降至5 V供这部分使用。

图5 稳压模块调节电压图Fig.5 Voltage regulator module to adjust the voltage

3 软件设计

3.1 总体设计

系统主要由稳压调节模块、主控制模块（单片机、晶振电路、复位电路）、温度检测模块（包含DS18B20温度传感器、3个按键、4位共阴极LED数码管）、半导体制冷模块 （包含L298N）组成。而实际需要进行编程的主要是温度检测模块和半导体制冷模块，并通过I/O口与单片机连接，分别控制实现各自的功能。

3.2 温度传感器检测与控制部分程序

这部分的主要功能是间隔性的通过DS18B20测量车内环境温度、显示及时温度，并暂定为1秒测量一次。其程序的流程图如图6所示。

图6 温度检测、显示部分主流程图Fig.6 Temperature detection，display part of the main process diagram

读取温度、显示温度、设置报警温度，都是由它们各自的子程序完成的。其中读取温度子程序主要是由DS18B20复位命令开始，通过读取RAM中的数据并进行校验判断后存入温度暂存器中。之后，将已保存的数据进行BCD转换运算，并通过对BCD码数据的标志位置“0”、置“1”进行温度零上、零下的区别。显示温度子程序，则直接将之前读取温度所获得的BCD码移入显示寄存器中，对应点亮相应的数码管进行显示[10]即可。

设置报警温度时，软硬结合，利用简易的键盘扫描方式，检测设置键是否被按下，如果被按下接着通过“+”、“—”键设置温度上、下线，设置时温度的上、下线初始值均显示为“0”。否则，只显示当前所测温度不执行任何动作。

图7 报警温度设置流程图Fig.7 Set alarm temperature flow chart

3.3 半导体制冷（制热）控制程序

半导体制冷（制热）部分的主要由外部驱动程序以及内部驱动程序两部分做成。其中外部的驱动程序主要流程图如图8所示。

图8 半导体制冷模块外部驱动流程图Fig.8 Semiconductor refrigeration module flow chart of external drive

针对于内部驱动问题，则主要在于如何利用主控单片机控制L298N芯片控制电流方向，并由此实现对半导体制冷模块工作方式（制冷、制热）的控制。

图9 半导体制冷模块内部驱动流程图Fig.9 Semiconductor refrigeration module flow chart of internal drive

4 结 论

经过对实际需求的研究与分析，且由于车内空间的特殊情况，所以放弃了湿度检测及调节模块，但根据实际需求可以取舍。最终模块使用成熟的温度检测模块及诸多优点的半导体制冷模块组成，且根据半导体制冷模块的自身特性量身制定其最佳工作电流、电压，并同时借鉴单片机通过L298N芯片控制直流电机的原理实现对半导体制冷模块工作方式的控制，系统也可以根据实际的需求，增加更多的半导体制冷模块及其他设备。利用成熟的技术原理，通过组合、改造等方式实现了部分及整体模块的大部分要求，但实际中要根据实际的需求作进一步的动态验证和改进，使系统更加完善成熟并得到普及应用。

[1]唐文秀.孙丽萍.模拟电子技术基础[M].北京：中国电力出版社，2008.

[2]王毓银.数字电路逻辑设计（脉冲与数字电路 第三版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]赵天池.传感器和探测器的物理原理和应用 [M].北京，科学出版社，2008.

[4]杨为民.可靠性·维修性·保障性总论[M].北京：国防工业出版社，1995.

[5]郑淳允.汽车空调制冷量的计算方法[J].汽车研究与开发，2003（1）：31-33.ZHENGChun-yun.Calculation of automobile air-conditioning cooling capcity[J].Automobile Research&Development，2003（1）：31-33.

[6]万福军，潘松峰，刘芳.MCS—51单片机原理、系统设计与应用[M].北京：清华大学出版社，2008.

[7]宋戈，黄鹤松，员玉良，等.51单片机应用开发范例大全[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[8]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[9]穆秀春，冯新宇，王宇.Altium Designer原理图与PCB设计[M].北京：电子工业出版社，2011.

[10]倪云峰.单片机原理与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.