薛洪濤，李載亭

（南京郵電大學，江蘇 南京 210046）

隨著半導體熱敏電阻在工業(yè)中的應用日益廣泛，大學物理實驗中有必要了解它們的一些特性[1－3]。熱敏電阻是一種電阻值隨著電阻體的溫度變化呈顯著變化的熱敏感電阻，一般多由金屬氧化物半導體材料制成，也有由單晶半導體、玻璃或塑料制成。由于熱敏電阻具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、穩(wěn)定性好、易于實現(xiàn)遠距離測量及控制等優(yōu)點，被廣泛應用于測溫、控溫、溫度補償?shù)阮I(lǐng)域。本文設(shè)計完成了基于單片機和半導體制冷片的熱敏電阻溫度特性研究實驗，探討了單片機和半導體制冷片在物理實驗教學中的應用。

1 熱敏電阻溫度特性研究實驗原理

本設(shè)計可用于測量各種熱敏電阻、熱電偶等各種材料的溫度特性，本設(shè)計中采用負溫度系數(shù)熱敏電阻[1]，它是以錳、鉆、鎳、鋁、鋅等兩種或兩種以上高純度金屬氧化物為主要材料，經(jīng)共同沉淀或水熱法合成的納米粉體材料，后經(jīng)球磨混合、等靜壓成型、高溫燒結(jié)、半導體切片、劃片、玻璃封裝或環(huán)氧包封等封結(jié)工藝制成的接近理論密度結(jié)構(gòu)的半導體陶瓷材料，這些金屬氧化物都具有半導體性質(zhì)，因為在導電方式上完全類似鍺硅等半導體材料。它具有電阻值隨著溫度的變化而相應變化的特性。低溫時，這些氧化物材料的載流子數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。負溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值在一般室溫下的變化范圍為10～1 500 000Ω，其電阻率和材料參數(shù)隨著材料成分比例、燒結(jié)溫度、燒結(jié)氣氛和結(jié)構(gòu)狀不同而變化。本設(shè)計中所用熱敏電阻的溫度特性[1]公式為：

熱敏電阻的溫度系數(shù)定義為：

對于負溫度系數(shù)熱敏電阻，其溫度系數(shù)是溫度的函數(shù)，可表示為：

由上式可以看出負溫度系數(shù)熱敏電阻的αT隨溫度升高而迅速減小。對式（1）線性化得：

2 系統(tǒng)的工作原理及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計采用單片機作為溫度控制的核心部件，實現(xiàn)基于AT89C52做控制的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件方案如1所示，硬件電路主要由單片機系統(tǒng)、溫度采樣調(diào)節(jié)電路、驅(qū)動控制電路組成。其中單片機系統(tǒng)由單片機、A／D及D／A轉(zhuǎn)換器、鍵盤接口和LED顯示接口等組成，用于完成對溫度數(shù)據(jù)的讀取、顯示、處理、輸出控制以及溫度的設(shè)定；溫度采樣調(diào)節(jié)電路包括溫度采樣電路和調(diào)節(jié)電阻，用于完成對觀測系統(tǒng)的溫度采樣測量及調(diào)節(jié)；驅(qū)動控制模塊由制冷片驅(qū)動電路組成，用于對半導體制冷片的驅(qū)動。半導體制冷片與熱敏電阻結(jié)構(gòu)采用三明治結(jié)構(gòu)，如圖1所示，熱敏電阻夾在兩片半導體制冷片之間形成一個小的加熱／制冷空間。

圖1 系統(tǒng)硬件示意圖

系統(tǒng)的軟件部分包括監(jiān)控程序程序、A／D和D／A轉(zhuǎn)換程序、PID控制程序、鍵盤接口及LED顯示程序、串口通信等，實現(xiàn)系統(tǒng)的溫度測量、顯示和控制的功能。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計

圖2 半導體制冷片結(jié)構(gòu)示意圖

半導體制冷又稱為熱電制冷或溫差電制冷，半導體的P節(jié)及N節(jié)在通過直流電后，將產(chǎn)生5種熱電效應[2，4]。其中塞貝克（Seeback）、珀爾帖（Peltier）和湯姆遜（Thomson）3種效應表征電能和熱能相互轉(zhuǎn)換是直接可逆的，另外兩種效應是不可逆的熱效應，即焦耳效應和傅立葉效應。半導體制冷主要是珀爾帖效應的應用，它是由法國科學家珀爾帖于1834年發(fā)現(xiàn)。半導體制冷器的基本元件是熱電偶對，即把一只N型半導體和一只P型半導體連接成熱電偶，在電路上串聯(lián)起若干對半導體熱電偶對，而在傳熱方面是并聯(lián)的，這樣就構(gòu)成了一個常見的制冷熱電堆（如圖2）。當直流電通過兩種不同導電材料構(gòu)成的回路時，節(jié)點上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象，這就是珀爾帖效應。對于半導體熱電材料來說，當電流方向從空穴半導體流向電子半導體（電流方向為P→N）時，接頭處的溫度升高并放出熱量；反之，接頭處溫度降低并從外界吸收熱量。因其具有加熱制冷雙向工作、無震動、無噪音、可靠性高、安裝容易、熱慣性小等特點[2，3，5]。

圖3 制冷片驅(qū)動電路模塊圖

本設(shè)計中選用的半導體制冷片是TEC－12703見圖3，控制流入制冷片的電流方向?qū)崿F(xiàn)制冷片制熱與制冷的變換，其最大溫差電流為3A，最大制冷功率為28W，最大溫差為70℃，最大工作電壓為15.5V。制冷片的工作電流選用Burr－Brown公司的功率放大器OPA548，驅(qū)動電路[3，6]如圖3所示，可將 D／A輸出0～2.5V的電壓轉(zhuǎn)換為制冷片所需的 2.5～2.5A的電流。Uin是來自單片機的D／A信號為0～2.5V，Uref為參考電壓為2.5V。U1設(shè)計為加法電路，U2構(gòu)成分壓電路，U3設(shè)計成電壓跟隨器，U4為OPA548構(gòu)成的功率放大器。功率電阻Rf和R8分別為0.5Ω和3Ω，計算可得各電阻有以下關(guān)系：

半導體片的電阻及通過電流為RTEC和ITEC，則輸入電壓Uin和電流ITEC有以下運算關(guān)系：

代入Uref及Rf可得：

由式（8）可知，當輸入電壓Uin為0～1.25V時，通過半導體片的電流為負方向，當輸入電壓Uin為1.25～2.5V時，通過半導體片的電流為正方向。通過半導體片的電流會隨著輸入電壓Uin改變而發(fā)生換向，從而實現(xiàn)半導體片制冷與制熱功能的變換。

圖4 鉑電阻Pt100電路模塊圖

溫度檢測方法根據(jù)敏感元件和被測介質(zhì)接觸程度，選用鉑電阻Pt100作為本系統(tǒng)的溫度傳感器，鉑電阻具有精度高、線性度好，性能穩(wěn)定可靠的特點，尤其在氧化性介質(zhì)中，高溫、低溫下的物理化學性質(zhì)都很穩(wěn)定[7]?；阢K電阻本設(shè)計中采用PID控溫方法，PID是基于經(jīng)典控制理論中的調(diào)節(jié)器控制原理，由于其算法簡單、可靠性高等優(yōu)點被廣泛應用工業(yè)過程控制中，非常適合于可建立精確數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)[5，8，9]。測溫電路采用非平衡電橋電路和儀表放大器電路[1，3]。如圖4所示，R21及R22為相同電阻，R20為精密電位器，與PT100組成非平衡測量電橋。通過調(diào)節(jié)電位器R20的阻值大小可改變溫度的零點設(shè)定，當PT100的阻值和R20的阻值不相等時，電橋輸出一個mV級的壓差，電壓U＋和進入后端的差分放大器，放大器輸出電壓信號U0，送到單片機進行A／D轉(zhuǎn)換處理。

單片機系統(tǒng)以STC89C52為控制核心，A／D轉(zhuǎn)換器和D／A轉(zhuǎn)換器分別采用AD1674和DAC0832。單片機STC89C52最小系統(tǒng)是由電源、復位及時鐘振蕩電路、RS232串口電路等部分組成。復位電路使單片機處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，使程序從程序存儲器的0000H地址單元開始執(zhí)行程序，時鐘電路為CPU提供時鐘脈沖。采用4只共陽極的LED數(shù)碼管顯示系統(tǒng)溫度或設(shè)定預期溫度。根據(jù)設(shè)計的需要，鍵盤輸入采用4個按鍵，實現(xiàn)對預期溫度的設(shè)定。

溫度控制采用PID控制算法，單片機為控制器，在溫度與設(shè)定溫度相差較大時不需要引入PID控制算法調(diào)節(jié)，全功率制冷或制熱，當溫度相差較小時，引入PID控制算法調(diào)節(jié)[5，7，8]，經(jīng) 過PID算法處理后輸出至D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬電壓量，這個電壓量再經(jīng)制冷片驅(qū)動電路加載到半導體制冷片上，實現(xiàn)系統(tǒng)加熱或制冷。

4 小 結(jié)

本設(shè)計很好地實現(xiàn)基于AT89C52單片機做控制和半導體制冷片的熱敏電阻溫度特性研究實驗儀，設(shè)計完成了溫度特性研究系統(tǒng)的硬件電路和軟件構(gòu)造，介紹了半導體制冷片的基本結(jié)構(gòu)，探討了單片機和半導體制冷片在物理實驗中的應用。此實驗平臺具有很好的可擴張性，可方便地用于設(shè)計組成各種如熱電偶溫差電勢、半導體熱電性質(zhì)等方面溫度控制類的實驗內(nèi)容，同時還具有集成度高、體積小、使用方便等特點，非常適合普通物理實驗教學日常需要。本工作得到南京郵電大學項目NY211145和教改研究項目JG00709JX14的支持。

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