CN104299482B - 一种双向可调半导体温控教学实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了半导体温度控制系统领域的一种双向可调半导体温控教学实验系统。包括半导体双向温控实验装置，信号处理模块，温度传感器，半导体温控执行器，远程控制模块，温差发电系统；温度传感器连接信号处理模块，信号处理模块封装在半导体双向实验装置顶层，两个半导体温控执行器对称分布在半导体双向温控实验装置两侧，并提供端口与信号处理模块相连；远程控制模块内置GSM短信网络制式处理器，并提供端口与信号处理模块相连；温差发电系统与半导体温控执行器相连。本发明充分利用了半导体既制冷又制热的性能，达到温度双向快速调节的目的。
Description
技术领域
本发明涉及教具领域，是一种教学实验中双向可调半导体温度控制系统。
背景技术
半导体物理是高等院校有关专业重要的专业基础课，半导体物理实践教学的一个最基本方面就是要完成基本的实验教学。半导体制热制冷原理实验是半导体物理实验教学中的重要环节之一。
目前，半导体制热制冷原理实验，主要是通过目前市场上现有的半导体制冷片通电演示完成，学生只能通过触摸半导体制冷片感受其温度变化，没有对半导体制冷制热性能有一个直观的认识。
而且虽然目前半导体制冷技术在单一制冷方面已经颇有进展，对于半导体即制冷又制热的性能则没有很好利用。半导体温控实验系统工作的强度一般由半导体制冷或制热的功率值大小来显示，不节能。
为了可以让学生更好的理解存半导体制冷制热原理，更好从理论教学与多学科实践统一结合的角度提高自身动手能力，发散思维，本发明通过手动控制按键或自动在单片机内输入程序控制半导体制冷或制热，用半导体制热性能使箱体内部温度达到预设温度值，并且可以通过指示灯直接展示系统工作强度，还可以实现远程操控。学生可以通过数码管显示屏直接观察半导体制冷制热具体数值。作为一种教学实验系统，是理论教学与动手实践相结合的一大体现，小型的工业设备，技术集成度高，成本低，具有很高的教学实验价值。
发明内容
本发明提供一种双向可调半导体温控教学实验系统，通过手动控制按键或自动在单片机内输入程序控制半导体制冷或制热，并且可以通过指示灯直接展示系统工作强度，还可以实现远程操控，从而可以更加直观清楚的理解半导体制冷制热过程。
为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是一种双向可调半导体温控教学实验系统，其特征是所述系统的箱体1上面开口并封装信号处理模块2，所述信号处理模块2中的信号控制器露在箱体上表面；
箱体前后两面开口并安装第一半导体温控执行器4和第二半导体温控执行器5，两个串联连接的半导体制冷片18用塑料壳23固定后使其正好卡在箱体壁上，第一散热器19和第一辅助散热风扇20露在箱体外面，第二散热器21和第二辅助散热风扇22在箱体里面，并提供数据通信端口与信号处理模块2中单片机相连；
箱体内部安装温度传感器3远程控制模块6和第一温差发电系统7和第二温差发电系统8；温度传感器3提供数据通信端口与信号处理模块2中单片机相连，用来实时采集箱体内部温度，并把实时温度采集值传送给信号处理模块2；远程控制模块6内置GSM短信网络制式处理器，并提供数据通信端口与信号处理模块2相连；温差发电系统与半导体温控执行器相连；
所述第一半导体温控执行器4和第二半导体温控执行器5分别包括由塑料壳23固定的两个串联连接的半导体制冷片18，在这两个串联连接的半导体制冷片18两外侧面分别紧贴第一散热器(19)和第二散热器21，并将第一散热器19和第二散热器21与塑料壳23固定在一起，第一散热器19外侧与第一辅助散热风扇20固定在一起，第二散热器21外侧与第二辅助散热风扇22固定在一起。所述两个串联连接的半导体制冷片18包括制冷端和制热端；所述第一辅助散热风扇20与第二辅助散热风扇22由12V开关电源供电；
所述信号处理模块2包括单片机、信号控制器、和通用性驱动器；
所述单片机包括信号控制器数据通信端口、GSM短信网络制式处理器数据通信端口、通用性驱动器数据通信端口、接收温度传感器采集温度信号的数据接收端口，制冷信号输出端口、制热信号输出端口；
所述信号控制器包括系统启动按键11、系统停止按键12、手动控制模式选择按键13、自动控制模式选择按键16、制冷按键10、制热按键9、手动运行模式指示灯14、自动运行模式指示灯15和8位数码管显示屏17，并提供数据通信端口与单片机相连；所述通用驱动器提供数据通信端口与单片机的制冷信号输出端口和制热信号输出端口相连，并通过导线与用塑料壳23固定后的两个串联连接的半导体制冷片18的制冷端和制热端相连；
所述第一半导体温差发电系统7和第二半导体温差发电系统8分别是将两种不同敏感金属导线连接所述用塑料壳23固定后的两个串联连接的半导体制冷片的制冷端与制热端形成温差，再和指示灯组成闭合回路；
所述远程控制模块6包括GSM短信网络制式处理器，通过USB转串口与单片机保持通信。
所述箱体1为密封箱体；
述温度传感器3提供数据通信端口与信号处理模块2中单片机相连，这个数据通信端口要与单片机I/O口保持单总线通信协议。
所述箱体壁的厚度＝两个串联连接的半导体制冷片18的厚度。
所述密封箱体采用隔热材料。
所述第一半导体温控执行器4和第二半导体温控执行器5执行二级制冷与制热功能。
所述8位数码管17用来显示箱体内部实时温度采集值和目标温度设定值。
所述GSM短信网络制式处理器用来周期性向用户手机发送箱体内部温度采集信息，且当|箱体内部实时温度采集值-目标温度设定值|>1时向用户发送告警信息；也能根据用户手机发送来的短信内容远程实现对半导体温控系统的启动、设置或停止操作，其中设置操作包括设定目标温度值和系统运行时间。
本发明充分利用了半导体的制热性能，实现采集温度值达到预设温度值的效果。
半导体温控实验系统工作的强度不再由半导体制冷或制热的功率值大小来显示，而是由温差发电系统的指示灯亮度来显示，实现了节能。而且作为一种教学实验系统，是理论教学与动手实践相结合的一大体现，小型的工业设备，技术集成度高，成本低，具有很高的教学实验价值。
附图说明
图1为双向可调半导体温控教学实验系统立体结构图；
其中，1-箱体；2-信号处理模块；3-温度传感器；4-第一半导体温控执行器；5-第二半导体温控执行器；6-远程控制模块；7-第一温差发电系统；8-第二温差发电系统。
图2为双向可调半导体温控教学实验系统硬件连接示意图；
其中，9-制热按键；10-制冷按键；11-系统启动按键；12-系统停止按键；13-手动控制模式选择按键；14-手动运行模式指示灯；15-自动运行模式指示灯；16-自动控制模式选择按键；17-温度传感器采集温度值、系统设定目标温度值。
图3为温控执行器结构图；其中，18-两个串联连接的半导体制冷片；19-第一散热器；20-第一辅助散热风扇；21-第二散热器；22-第二辅助散热风扇；23-塑料壳。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
实施例1：
图1和图2是双向可调半导体温控教学实验系统立体结构图和硬件连接图。所述系统包括盛装所有所述系统部件的密封箱体1，密封箱体采用隔热材料制作例如选用泡沫隔热材料。箱体上面开口并封装信号处理模块2，所述信号处理模块2中的信号控制器露在箱体上表面，用于显示目标温度设定值、箱体内部温度实时采集值、制冷模式、制热模式；提供实施制热制或冷操作界面；
通过选择手动控制模式选择按键13或自动控制模式选择按键16控制半导体制冷或制热，当按下手动控制模式选择按键13时，手动运行模式指示灯14亮，观察8位数码管显示屏17显示的目标温度设定值与实时温度采集值，若实时温度采集值≧目标温度设定值，则手动按下制冷按键10，此时单片机控制制冷信号端口输出制冷控制信号传递给通用驱动器，通用驱动器接收到制冷指令后，驱动第一半导体温控执行器4第二半导体温控执行器5工作即通过调整输入两个串联连接的半导体制冷片18两端的电压方向使两个串联连接的半导体制冷片18面向箱体内部为制冷端制冷；面向箱体外面为制热端，产生的热量由第一散热器19和第一辅助散热风扇20排放到箱体外部；
若实时温度采集值﹤目标温度设定值，则手动按下制热信号键，此时单片机控制制热信号端口输出制热控制信号传递给通用驱动器，通用驱动器接收到制热指令后，驱动第一半导体温控执行器4和第二半导体温控执行器5工作，即通过调整输入两个串联连接的半导体制冷片18两端的电压方向使这两个串联连接的半导体制冷片18面向箱体内部为制热端制热；由于箱体是密封的，产生的热量由第二散热器21和第二辅助散热风扇22排放到箱体内部，面向箱体外面为制冷端；
当按下自动控制模式选择按键16时，自动运行控制指示灯15亮，信号控制器产生触发信号，并将此信号传送给单片机(例如选择单片机STC89C52)，单片机内部将采集的温度值与目标温度设定值进行比较，若实时温度采集值≧目标温度设定值，单片机自动控制制冷信号端口输出制冷控制信号给通用驱动器；若实时温度采集值﹤目标温度设定值，单片机自动控制制冷信号端口输出制热控制信号给通用驱动器。然后自动制热制冷过程同手动控制模式。
箱体前后两面开口并安装第一半导体温控执行器4和第二半导体温控执行器5，使塑料壳23固定后的两个串联连接的半导体制冷片18正好卡在箱体壁上，第一散热器19和第一辅助散热风扇20露在箱体外面，第二散热器21和第二辅助散热风扇22在箱体里面，并提供数据通信端口与信号处理模块2中单片机相连，用于执行制冷或制热功能；
箱体内部安装温度传感器3(例如选择温度传感器DS18B20)，远程控制模块6和第一温差发电系统7和第一温差发电系统8；温度传感器3提供数据通信端口与信号处理模块2中单片机相连，用来实时采集箱体内部温度，并把实时温度采集值传送给信号处理模块2；远程控制模块6内置GSM短信网络制式处理器，并提供数据通信端口与信号处理模块2相连；温差发电系统与半导体温控执行器相连；
所述第一半导体温控执行器4和第二半导体温控执行器5分别包括两个串联连接的半导体制冷片18(例如选择半导体制冷片TEC1-12706)，两个串联连接的半导体制冷片18的两外侧面分别紧贴第一散热器19和第二散热器21，并将第一散热器19和第二散热器21与塑料壳23固定在一起，第一散热器19外侧与第一辅助散热风扇20与散热器固定在一起，第二散热器21外侧与第二辅助散热风扇22与散热器固定在一起。所述两个串联连接的半导体制冷片18包括制冷端和制热端；所述第一辅助散热风扇20和第二辅助散热风扇22由12V开关电源供电；
所述信号处理模块2包括单片机、信号控制器、和通用性驱动器；
所述单片机包括信号控制器数据通信端口、GSM短信网络制式处理器数据通信端口、通用性驱动器数据通信端口、接收温度传感器采集温度信号的数据接收端口，制冷信号输出端口、制热信号输出端口；
所述信号控制器包括系统启动按键11、系统停止按键12、手动控制模式选择按键13、自动控制模式选择按键16、制冷按键10、制热按键9、手动运行模式指示灯14、自动运行模式指示灯15和8位数码管显示屏17，并提供数据通信端口与单片机相连；所述通用驱动器提供数据通信端口与单片机的制冷信号输出端口和制热信号输出端口相连，并通过导线与两个串联连接的半导体制冷片18的制冷端和制热端相连；先接收单片机发出的制热或制冷信号，并根据所述信号改变两个串联连接的半导体制冷片18的电流流向，从而控制两个串联连接的半导体制冷片18制冷或制热；
所述第一温差发电系统7和第二温差发电系统8将两种不同敏感金属导线连接所述两个串联连接的半导体制冷片18的制冷端与制热端形成温差，再和指示灯组成闭合回路；由塞贝克效应，回路中产生电流，电流强度通过指示灯的亮度来反应；
所述远程控制模块6包括GSM短信网络制式处理器，通过USB转串口与单片机保持通信。
所述温度传感器3提供数据通信端口与信号处理模块2中单片机相连，这个数据通信端口要与单片机I/O口保持单总线通信协议。
所述箱体壁的厚度＝两个串联连接的半导体制冷片18的厚度。
所述密封箱体采用隔热材料。
所述第一半导体温控执行器4和第二半导体温控执行器5执行二级制冷与制热功能。
所述8位数码管17用来显示箱体内部实时温度采集值和目标温度设定值。
所述GSM短信网络制式处理器用来周期性向用户手机发送箱体内部温度采集信息，且当|箱体内部实时温度采集值-目标温度设定值|>1时向用户发送告警信息；也能根据用户手机发送来的短信内容远程实现对半导体温控系统的启动，设置或停止操作，其中设置操作包括设定目标温度值和系统运行时间。
有益效果：
(1)本发明充分利用了半导体的制热性能，实现采集温度值达到预设温度值的效果。
(2)半导体温控实验系统工作的强度不再由半导体制冷或制热的功率值大小来显示，而是由温差发电系统的指示灯亮度来显示，实现了节能。
(3)本发明公布的双向可调半导体温控教学实验系统从理论教学与多学科实践统一结合的角度集自动化技术、电力电子技术、计算机技术及通信技术与一体，涉及领域广泛，让学生从以上几方面提高自身动手能力，发散思维，同时可以将多学科理论教学与实践统一结合，提高教学质量和实验效率，节约设备资源，技术集成度高，具有很高的教学实验价值。
本发明实例的方案已经公开如上，但不仅仅局限于说明书中所列运用，有关技术领域与普通人员在不脱离本次发明的本质范围情况下，还可做出相应变化和改动，但都应属于本次发明权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种双向可调半导体温控教学实验系统，其特征是所述系统的密封箱体(1)上面开口并封装信号处理模块(2)，所述信号处理模块(2)中的信号控制器露在箱体上表面；
箱体前后两面开口并安装第一半导体温控执行器(4)和第二半导体温控执行器(5)，两个串联连接的半导体制冷片(18)用塑料壳(23)固定后使其正好卡在箱体壁上，第一散热器(19)和第一辅助散热风扇(20)露在箱体外面，第二散热器(21)和第二辅助散热风扇(22)在箱体里面，并提供数据通信端口与信号处理模块(2)中单片机相连；
箱体内部安装温度传感器(3)远程控制模块(6)和第一温差发电系统(7)和第二温差发电系统(8)；温度传感器(3)提供数据通信端口与信号处理模块(2)中单片机相连，用来实时采集箱体内部温度，并把实时温度采集值传送给信号处理模块(2)；远程控制模块(6)内置GSM短信网络制式处理器，并提供数据通信端口与信号处理模块(2)相连；温差发电系统与半导体温控执行器相连；
所述第一半导体温控执行器(4)和第二半导体温控执行器(5)分别包括由塑料壳(23)固定的两个串联连接的半导体制冷片(18)，在这两个串联连接的半导体制冷片(18)两外侧面分别紧贴第一散热器(19)和第二散热器(21)，并将第一散热器(19)和第二散热器(21)与塑料壳(23)固定在一起，第一散热器(19)外侧与第一辅助散热风扇(20)固定在一起，第二散热器(21)外侧与第二辅助散热风扇(22)固定在一起；所述两个串联连接的半导体制冷片(18)包括制冷端和制热端；所述第一辅助散热风扇(20)与第二辅助散热风扇(22)由12V开关电源供电；
所述信号处理模块(2)包括单片机、信号控制器、和通用性驱动器；
所述单片机包括信号控制器数据通信端口、GSM短信网络制式处理器数据通信端口、通用性驱动器数据通信端口、接收温度传感器采集温度信号的数据接收端口，制冷信号输出端口、制热信号输出端口；
所述信号控制器包括系统启动按键(11)、系统停止按键(12)、手动控制模式选择按键(13)、自动控制模式选择按键(16)、制冷按键(10)、制热按键(9)、手动运行模式指示灯(14)、自动运行模式指示灯(15)和8位数码管显示屏(17)，并提供数据通信端口与单片机相连；所述通用驱动器提供数据通信端口与单片机的制冷信号输出端口和制热信号输出端口相连，并通过导线与用塑料壳(23)固定后的两个串联连接的半导体制冷片(18)的制冷端和制热端相连；
所述第一半导体温差发电系统(7)和第二半导体温差发电系统(8)分别是将两种不同敏感金属导线连接所述用塑料壳(23)固定后的两个串联连接的半导体制冷片的制冷端与制热端形成温差，再和指示灯组成闭合回路；
所述远程控制模块(6)包括GSM短信网络制式处理器，通过USB转串口与单片机保持通信。
2.根据权利要求1所述的一种双向可调半导体温控教学实验系统，其特征在于，所述温度传感器(3)提供数据通信端口与信号处理模块(2)中单片机相连，这个数据通信端口要与单片机I/O口保持单总线通信协议。
3.根据权利要求1所述的一种双向可调半导体温控教学实验系统，其特征在于，所述箱体壁的厚度＝两个串联连接的半导体制冷片(18)的厚度。
4.根据权利要求1所述的一种双向可调半导体温控教学实验系统，其特征在于，所述密封箱体采用隔热材料。
5.根据权利要求1所述的一种双向可调半导体温控教学实验系统，其特征在于，所述第一半导体温控执行器(4)和第二半导体温控执行器(5)执行二级制冷与制热功能。
6.根据权利要求1所述的一种双向可调半导体温控教学实验系统，其特征在于，所述8位数码管(17)用来显示箱体内部实时温度采集值和目标温度设定值。
7.根据权利要求1所述的一种双向可调半导体温控教学实验系统，其特征在于，所述GSM短信网络制式处理器用来周期性向用户手机发送箱体内部温度采集信息，且当|箱体内部实时温度采集值-目标温度设定值|>1时向用户发送告警信息；也能根据用户手机发送来的短信内容远程实现对半导体温控系统的启动、设置或停止操作，其中设置操作包括设定目标温度值和系统运行时间。
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