歐陽文 曾專武 汪藝 歐陽從江 黎瑾 陳婉清

摘要：本文論述了以熱電致冷芯片TEC1-12703為基礎(chǔ)且安全可靠的恒溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中溫度傳感器DS18B20芯片對溫度進(jìn)行測量，將接收的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入微處理器模塊，8086微處理器將實(shí)測值與設(shè)定值進(jìn)行對比，通過輸出指令控制TEC1-12703芯片加熱或制冷，以實(shí)現(xiàn)恒溫的效果。本系統(tǒng)采用繼電器換向電路，快速實(shí)現(xiàn)冷熱交替，適用于不同的場合，具有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 熱電致冷芯片;8086微處理器; DS18B20芯片。

1 引言

在日常生活中，恒溫系統(tǒng)應(yīng)用廣泛：恒溫箱、中央空調(diào)、飲水機(jī)、電冰箱等，本文以熱電致冷芯片（TEC）為核心，設(shè)計(jì)了一個(gè)小型恒溫系統(tǒng)。TEC由半導(dǎo)體組成，通過一面吸熱一面散熱的原理同時(shí)實(shí)現(xiàn)制熱和制冷，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、無污染、工作環(huán)境要求低、容易控制等優(yōu)點(diǎn)。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件模塊介紹

本系統(tǒng)由四大模塊組成，分別是溫度采集模塊，選用溫度傳感器DS18B20;微處理器控制模塊，選用8086微處理器;溫度控制模塊，選用熱電致冷芯片TEC1-12703;散熱模塊，通過使用散熱片、風(fēng)扇等進(jìn)行物理散熱。系統(tǒng)的框架如圖1所示。

2.1溫度采集模塊

通過對比芯片的體積大小、對溫度測量的精確度、抗干擾能力和開銷問題，選取了DS18B20傳感器。芯片由三個(gè)引腳，分別是VDD、DQ、GND。GND接地;DQ是數(shù)據(jù)輸入或輸出引腳，VDD是電源引腳。溫度測量范圍是-55℃～+125℃。傳感器每次測溫時(shí)必須有初始化、傳送命令和數(shù)據(jù)交換3個(gè)過程。

DS18B20芯片接通電源后將處于低功耗的等待狀態(tài)，當(dāng)輸入指令[44H]，溫度傳感器將進(jìn)行一次溫度轉(zhuǎn)換，將測量的溫度值以2個(gè)字節(jié)存儲到RAM里面。

DS18B20數(shù)據(jù)引線和I/O端口連接，通過1-Wire協(xié)議和DS18B20通信，將測量結(jié)果輸出給8255A。

2.2微處理器控制模塊

中央控制核心采用8086CPU處理，它負(fù)責(zé)對端口進(jìn)行初始化管理和數(shù)據(jù)計(jì)算及對外設(shè)進(jìn)行控制，保障外設(shè)隨溫度變化而改變動(dòng)作。8255A借口傳遞來自溫度傳感器的信號，控制電源的通斷來使熱電制冷片工作，達(dá)到恒溫控制的效果。在使用8255A前，需設(shè)置其控制字來確定工作方式，我們將控制字設(shè)為90H，即A組工作在方式0，與溫度傳感器端相連作為輸入接口，B組工作在方式0，與電源端相連作為輸出接口。當(dāng)溫度一直處于設(shè)定溫度之上時(shí)，輸入端一直接收高電平，輸出端一直使電源工作，直到溫度在設(shè)定溫度之下。由于輸入端的信號是連續(xù)的，所以這里不需要用到鎖存器。在8086CPU與8255之間還需要一個(gè)譯碼器，我們選用74HC138，接入8255A片選信號輸入端，選中8255A運(yùn)行。

由于8086CPU輸出的控制信號是數(shù)字信號，此時(shí)需要通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）將輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成控制熱電致冷片所需的電壓信號。

2.3溫度控制模塊

熱電制冷是利用溫差效應(yīng)進(jìn)行制冷的，在芯片內(nèi)部通過電極串聯(lián)把n對P型和N型半導(dǎo)體連接在一起組成電偶對。當(dāng)電子和空穴組成電偶對，并通以直流電時(shí)，電路中的能量發(fā)生轉(zhuǎn)移，熱量會(huì)從芯片的一端流向另一端。這個(gè)時(shí)候，制冷芯片的一端溫度降低為“冷端”，另一端溫度升高為“熱端”。將加載在兩端的直流電流反向時(shí)，熱量逆向流動(dòng)改變傳輸方向，冷熱端也發(fā)生交替改變。因?yàn)闊犭娭评湫酒梢酝瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)熱和制冷，所以熱電制冷芯片可以用于比較精確的溫度控制。在此我們選用TEC1-12703芯片。

TEC1-12703芯片的尺寸大小為40*40*3.6mm，最大工作電流為3A，額定電壓為12V，溫度范圍是-55℃至+83℃。我們采用的是模塊化分解設(shè)計(jì)方法，所有模塊的連接和控制都基于8086微處器。溫度采集器DS18B20采集環(huán)境中的溫度，轉(zhuǎn)換成8086微處理器可以識別的信號，然后8086微處理器再與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，超出了設(shè)定的范圍8086將智能控制8255A連接直流電源使熱電制冷芯片工作。當(dāng)測量溫度高于設(shè)定值時(shí)熱端與散熱器相連接，電流由N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體，根據(jù)原理芯片將會(huì)從外界吸收能量，環(huán)境中的溫度自然而然就降低了。當(dāng)測量溫度溫度低于設(shè)定值時(shí)，反向?qū)ㄖ绷麟娏?。電流從P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體，釋放能量，環(huán)境溫度升高。但是由于半導(dǎo)體自身存在電阻，當(dāng)電流經(jīng)過半導(dǎo)體時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱量，從而會(huì)影響熱傳遞。而且兩個(gè)極板之間的熱量也會(huì)通過空氣和半導(dǎo)體材料自身進(jìn)行逆向熱傳遞。當(dāng)冷熱端達(dá)到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時(shí)，就會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，正逆向熱傳遞相互抵消。此時(shí)冷熱端的溫度就不會(huì)繼續(xù)發(fā)生變化。為了達(dá)到更低的溫度，可以采取散熱等方式降低熱端的溫度來實(shí)現(xiàn)。8086微處理器對熱電制冷芯片采用PID控制原理對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)恒溫的目的。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2是軟件系統(tǒng)流程圖，TH、HL、為給設(shè)定的溫度值區(qū)間上下限，T為溫度傳感器的測量結(jié)果。

4結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的以TEC1-12703為核心的恒溫系統(tǒng)，突出的特點(diǎn)就是體積小，性能高，可實(shí)現(xiàn)快速溫控的效果。因此，該系統(tǒng)應(yīng)用范圍比較廣泛，具有較強(qiáng)的推廣意義。