浅谈半导体制冷温度控制系统的设计研究

侯卫卫

（山东经贸职业学院，山东 潍坊 261011）

在半导体制冷技术使用中，发现半导体制冷温控产品还存在制冷功率不高的问题，并且在进行产品制造时，制作者过于重视成本问题，而对温度把控的准确度和使用中出现耗电较高的问题并没有及时进行解决。因此，为了更高效对半导体制冷温度控制系统中所出现的问题进行解决，尝试基于前人研究成果，从系统温度把控准确度与缩减耗能等方面着手，构建更完善的半导体制冷温度控制系统，为我国半导体体制冷技术的研发与推广作出积极贡献。

1 半导体制冷原理

半导体制冷技术并非凭空产生，在研究汤姆逊效应、傅里叶效应等效应且积累较多成果与经验前提下，根据实际需求所建立的制冷技术，该技术是通过一定大小的电流控制有效确保半导体制冷系统的正常运转，在整个系统运转中往往会出现放热、吸热等热量传递情况。结合客观存在的温差电效应关系，得出等式：Qp=πI- I2R-K (Th-Tc)，在这个等式中π=aTc，其中Qp为主要单位时间的总体产量，J；π 为珀尔贴系数；a 为温差中的电动势率；Tc为主要的冷端温度，K；I 主要是电流大小的显示，A；R 是制冷片的阻值，Ω；K 主要是半导体采制的传热主要系数；Th主要是热端温度，K。可以改动的条件共计两点，一是直流电大小，二是通电时长，随之发生改变的是产冷量和制冷强度，并且往往会造成电流方式的变化，从而有效实现电流加热和电流制冷两种档位的灵活转变。这种控制步骤整体来讲比较简单，且两种相异工作状态，可以通过半导体制冷系统来实现。P 势材料的应用会导致半导体出现主杂质，造成这种现状的缘由是较多空穴密切，通常将这种情况称为正温差电势。基于半导体制冷原理图1，能够明显地看出，当直流电从N 型半导体材料通过导体流入到P 型材料中，会出现电子从低能级(P 型)转变为高能级(N 型)的状况，且在这一转变中会出现一定的能级跃迁，所以势必会对外界的能力进行吸纳用以完成跃迁活动，最终形成制冷端。同时，相对的一端电流，通过P 型材料流入N 型材料，在微观制冷端相反和能级跃迁现象加持下，对外释放能力则视为放热端。

图1 半导体制冷原理示意图

在实践运行中，主要是通过对P 型和N 型的半导电偶从而变成热点堆，这样可以有效对制冷量进行控制，单机半导体制冷片需要酌情选用，多数时候使用TEC1-12706 型号。之所以选择该型号，与其具备127 对半导体电偶对相关，可输入12.0 v 电压，以满足实际需求，而最大温差电流最高可达到6.0A,温度最大值在60-70℃。在单级半导体制冷片共同参与下，还有导热块、散热风扇等多种散热设备。

2 系统硬件设计

在半导体制冷温度控制系统中的硬件设施，主要是通过系统设计将整个温度检测系统进行划分，在使用中主要通过单片机控制模块，完成整个信号的输出管控；利用温度检测模块，完成整体的温度管控设置，通过按键有效进行人机交互功能转换，在1602 液晶显示中主要通过设置温度和实时温度完成监控。另外，单片机控制模块主要包含电源供能模块，其中USB 转口可以与通信模块以及H 桥驱动执行模块进行整合使用。其中每一个模块都拥有单独设计，且能与整体实现调整与融合，组合成更具稳定性与操作性的温度控制系统硬件部分。为了更加有效保证该设计系统的正常运转，基本的硬件构建图具体见图2。

图2 系统硬件结构示意图

2.1 温度检测模块

在温度检测模块的使用选择上，通过对各种传感器的测温准确度、使用方便以及该设计系统适合度进行综合性对比分析，整合出最佳的传感器影响因素，方可便利后续在测温传感器上选择，可更轻松找到合适型号。一般情况下，生活中多选用三种温度传感器，即热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器、IC 温度传感器。就灵敏度而言，不建议选用热电偶温度传感器，并且特别容易被工作环境影响，从而导致测量的温度数值准确度并不高，往往用在微小变化温度值测量工作上，并不会用于较大传感器的使用；热敏电阻温度传感器，通常连接的线路较为庞大复杂，在工作使用中并不容易对数值完成有效识别；IC 温度传感器，整体线路的连接属于较为简单系列，并且在工作使用中数值读数相对来讲比较方便、直观。在实际检测中采用IC 温度传感器可以高质量完成测试、转换以及对温度值的保存等功能，这些优势都是前两种传感器所不能比肩的。也正是因为IC 温度传感器的这些优势，使得其应用推广前景相对更好，更受人们欢迎。

基于此，设计的系统建议将辗选结果确定为美信Dallas公司生产的DS18B20 数字化温度传感器，该型号的IC 温度传感器接口为“一线总线”样式，便捷系数更高。IC 温度传感器在实践应用中，只需简单将DS18B20 数据引线连接单片机中的任意一个I/O 接口，借助1-wire 协议与DS18B20 达成通信目的，这样可以对测试温度进行有效读数，详细状况可以透过对电路连接原理的解读去发现。在软件程序的特定设置前提下，即可对最低的9 位以及最高12 位输出进行辨别，在明确分辨率基础上科学设置数字温度值，在整个调节过程中并不需要进行外A/D 转换，从而有效的将系统硬件电路设计量进行了全面简化。整体有效测温范围主要集中在-55-125℃，在-10-85℃范围内所得出的测温最为明确、可靠，相对应所需工作电压集中在3-5V。

2.2 单片机控制模块

以单片机控制模板为关键元件，能够高效管理温度控制系统。在温度传感器提示的温度值中，选用分段式算法对数值进行综合对比分析，以保证单片机控制模板来有效管控信号输出，自可加强对驱动执行模块全面把控，如此才可对系统制冷器运转状态加强管控。另外，在单片机控制模板系统正常运转下，还需要在使用中对单片机控制模板系统的成本进行合理控制，该设计系统在成本核算范围内，选择STC89C52RC 型单片机为主的控制芯片。这一类型的单片机控制模板具有高速可靠、较低功耗、超低价等诸多优势，这些优势值得肯定。但是，在这一类型单片机在设计中并没有安装对应的PM模块，所以需要借助单片机内部的定制器来确保系统正常运转，通过TO 转变使对应输出进行有效改变，进而实现对PWM的控制，并且在一周之内对定时器初值进行2 次的重载，主要是通过对两个不同的初值来对高低电平实现差异持续时间的控制，这样可以有效的对制冷片电流方向以及电流时间进行改变，从而使其产冷量发生变化。

2.3 H 桥驱动执行模块

H 桥驱动执行模块在使用中，往往都是以直流定动机转向和转速的驱动控制来完成把控，并且H 桥驱动执行模块具备结构简单、驱动能力较高以及使用范围较为广泛的特点。在对H 桥驱动执行模块使用中发现，半导体制冷片和直流电机中存在较多类似情况，主要表现在使用中均可以直接通过直流电和工作性质发生关系，并通过直流电方式和直流电大小情况来进行工作强度的综合控制。所以在半导体制冷温度控制系统中进行H 桥驱动电路的融入，可以通过驱动执行设计来进行有效运用。

在半导体制冷温度控制系统中，主要是通过4 个MOS管(1 对N 沟道、1 对p 沟道MOS 管)所形成的性转，来对不是沟道组成的H 桥驱动驱动电路进行控制。并且在进行单片的传输和信号的控制接收环节中，可能会因为导通的不同导致对角的MOS 管无法正常使用。这样能够使半导体制冷片中的电流的方向出现相异情况，从而更加有效完成制冷和制热两种状态的变换。在输出信号出现变化过程中，需要对持续时间进行有效控制，并根据实际情况对制冷制热工作强度进行实时监控。在利用H 桥驱动执行模块系统工作时，模块主要是利用对应型号开关电源完成独立供电功能，这样可以更有效满足半导体制冷片对工作效率的需求，提高系统整体运行水平。

3 软件算法设计

在完成系统电流搭建以后，采取分段式PID 控制算法。分段式PID 控制算法的使用，主要是以PID 算法为主完成整个环节的完善和改进。在分段式PID 控制算法主要是对其中的比例、积分以及微分三大维度进行有机整合，通过对系统中出现的误差进行测量与计算，算出最为合理的控制量，进而得出相对应的稳态误差等层面的响应控制结果，实现对整个系统误差的优化。其中计算的主要数学表达式是：u(k)=Kpe(k)+KI∑e(j)+KD[e(k)-e(k-1)]。在等式中，u(k)主要是算法进行一定输出的控制量；Kp主要是比例的系数；e(k)主要是在进行温度设置中和第K 次进行测试温度之间的差值；K 为采集样本的次数，k=0,1,2,3, …；KI主要是积分的对应系数；KD是微分对应系数。在测试中可以得出，在设计算法系统使用中能够明显提高整个系统的应答效果，有效缩减系统进行稳定的时间，确保系统中潜在问题的及时发现与解决。

在对系统进行有效计算时，需要设定一定温度范围并在此范围内进行计算。比如在一定范围中进行控制算法的运用，这样可以有效提高系统在温度中的稳定性：如果e(k)并没有在一定范围内进行计算，系统将对制冷制热调节输入全脉宽，从而有效提高系统运行的效果，还可以实现对温度进行精准控制。在对系统进行调整时，可以通过使用KeiluVision4 方式进行转变，对主程序、DS18B20 驱动读取程序、1602 液晶显示程序、按键驱动程序和PWM波配置程序等进行有效融合。整体系统的流程图可以从图3 中看出。

图3 系统流程图

4 实测结果

在进行测试时，室内温度无法准确进行控制，在实际进行测试中通常稳定在26℃上下，所以在进行实验时初始温度可控制在该温度值上开展制冷控制实验。并且一般将温度控制变量选择在15-0 摄氏度范围内，进而得出半导体制冷温度控制系统温度设定通常稳固在0.05 摄氏度左右。同时在进行测试中可以看出，如果设定温度比0℃温度低时，半导体制冷温度控制系统所产生的制冷效果会严重下降，这种情况的出现主要是因为半导体制冷温度控制系统制冷量的提高，会产生大量的热能，散热段并没有及时进行散热，导致系统散热的方式不再合理，最终使得无法达到预期效果；半导体制冷温度控制系统最大的超调量主要是在5℃以内，可以有效满足各种领域中对这一方面的使用要求。除此之外，半导体制冷温度控制系统响速度较快，并且在短时间中可以形成大量的制冷量，这也是半导体制冷和其他制冷方式中最具有优势的地方。

经过对半导体制冷温度控制系统进行有效的测试实验能够发现，该设计制冷控制系统整体结构较为简单，并且在使用中较为方便，具有较为显著的控温效果，且制冷过程较为快速，与其他制冷方式相对具有能耗低、控温能力强的特点。本次进行实测过程中通过对各种基础性能的对比分析，半导体制冷温度控制系统适合在较小的恒温实验、血液储备保存、激光实验仪器等诸多领域，在日常生活中可以进行较为广泛地使用。

结束语

综上所述，本文中设计的半导体冷温度控制系统，是集温度测量、数值显示、温度控制等不同功能于一身，选择对应型号单片机为主要控制核心芯片，同时使用相应型号温度传感器为主要温度测量软件，并选择H 桥驱动电路作为电力驱动半导体制冷进行使用，采用分段式的计算方式来对整个自动控温系统进行计算。从上述实际测试结果中可以看出，所设计的半导体制冷温度控制系统的结构较为简单，并且在日常运行工作中操作相对较为便捷，具备较好的工作性能，更能满足人们对不同工作环境的需求，期望通过设计研究能够为后续工作提供有益参考。