CN106091508A - 一种半导体温控箱的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体温控箱，包括电源电路、单片机控制器、半导体制冷片及其控制电路；其中电源电路为直接对半导制冷片供电电源和为硬件电路系统供电的转换电路；所述单片机控制器为系统控制核心，根据设定功能输出对制冷片的控制信号；控制电路接收单片机控制信号，输出对半导体制冷片工作模式和功率控制的驱动信号；本发明的半导体温控箱，利用单片机设计控制程序，通过控制电路简单、灵活地进行半导体制冷片工作模式转换和功率调节控制，能够现实高精度、加热/制冷双重模式的恒温控制效果。

Description

一种半导体温控箱的控制系统

技术领域

本发明属于半导体制冷技术领域，特别涉及一种半导体温控箱的控制方法。

背景技术

半导体制冷技术具有使用周期长、体积小、无污染、无噪音、可靠性高、易于高精度恒温控制及热惯性小等优点，是一种环保型的新兴制冷方法。市场上已有半导体制冷的产品，但多见于半导体冰箱，功能单一；半导体温控箱是通过控制制冷片的工作模式，实现加热和制冷两种应用功能。

基于半导体制冷技术的温控箱产品，主要应用技术为半导体制冷片的驱动控制；其中加热与制冷工作模式的转换需要改变制冷片工作电源的极性，制冷量的调节需要对制冷片的工作功率进行控制，要求设计能够灵活转换工作电源极性和调节功率的控制电路；同时由于半导体制冷片的功率高，工作电流大，系统电路易产热，给产品设计带来了困难，应用电路需要安全、可靠地工作。常用的控制电路有基于MOS管、晶体管、固态继电器等的H桥控制电路，但由于受到电源极性、电流大小、开关频率等因素的限制，依然存在着驱动电路复杂、控制信号时序要求高、工作频率低、易发热等问题，从而使得温控箱产品成本高、控制不够灵活、控制精度低。

根据半导体制冷片的工作特性，对工作功率的灵活控制可以实现温控箱制冷量的平滑连续调节，以达到恒温控制功能；目前的温控箱产品主要为分档控制，没有设计可调的恒温控制功能；控制制冷片的工作功率主要有工作电流控制和开关频率控制两种方式，在较大的工作电流下，对控制电路设计带来一定的困难，开关频率控制需要考虑元器件的开关损坏，以降低系统能耗，提高实际应用能力。

发明内容

本发明为了克服上述问题的不足，提供了一种半导体温控箱的控制系统，包括电源电路、单片机控制器、半导体制冷片及其控制电路，本发明能够灵活控制半导体制冷片的工作模式和功率，使得半导体温控箱具有加热/制冷双重工作模式和恒温控制功能；并且能够降低温控箱硬件系统复杂性，使制冷片的控制操作简单、可靠，节约设计成本，提高实际应用能力。

本发明采用的技术方案是：一种半导体温控箱的控制系统，包括电源电路、单片机、半导体制冷片及其控制电路。

利用开关电源对半导体制冷片供电和转换电路电源对系统硬件电路供电，以单片机为控制器，根据设定功能输出控制信号，控制电路接收信号，对半导体制冷片工作电源的极性和开关进行控制，实现对半导体制冷片工作模式转换和功率调节的控制。

所述的电源电路，以12V开关电源为系统供电装置对半导体制冷片进行供电，配置了220V的交流输入端口，同时设计5V电源转换电路，利用稳压器LM7805经滤波和稳压获得稳定的5V直流电源，为单片机和系统硬件电路供电。其中12V电源为半导体制冷片、照明灯、扰流风扇等设备进行供电，5V电源为硬件系统中单片机控制器、控制电路、指示灯等进行供电。

本发明以单片机为控制器，单片机根据设定的温控箱工作模式和控制温度，输出对半导体制冷片的控制信号，其中控制信号为工作模式转换的高低电平信号和功率调节的开关频率控制信号。单片机输出的I/O控制信号，经过转换后，对半导体制冷片的工作模式及功率进行控制。

所述的控制电路包括控制信号的转换电路和半导体器件的驱动电路，其中控制信号转换电路是将单片机输出信号转换为驱动电路所需的信号，驱动电路则实现对半导体制冷片的功能控制。

所述控制信号的转换电路的输入是单片机的I/O口控制信号，转换电路利用光耦进行信号的隔离，光耦隔离的输出端接三极管，通过配置基极和集电极电阻，输出为驱动电路所需幅值的电压信号；所述驱动电路的输入是信号转换电路的输出电压信号，通过控制双组继电器的开闭对半导体制冷片的工作电源的极性进行转换，实现加热/制冷模式的转换；双组继电器的开闭同时也能用于控制温控箱的启停状态；利用MOS管作为半导体制冷片的开关器件，在制冷片供电电路低端进行开关控制，根据输入的控制电压信号频率，实现对半导体制冷片工作功率的调节。

温控箱对多个半导体制冷片对应设计了相同组数驱动电路，分别对多个TEC制冷片的工作模式和功率进行控制；多组控制接收一组信号转换电路的控制信号，同步控制多个制冷片，具有相同的工作模式和功率。

所述控制电路中的驱动电路可以根据实际半导体制冷片的数量和功率改变使用的组数，信号转换电路只需设计一组，通过接收单片机控制信号，同步作用于多组驱动电路，并经多组驱动电路实现多个半导体制冷片的控制。

在温控箱两侧安装两个TEC127-12半导体制冷片，制冷片接继电器和MOS管组成的驱动电路接口，根据单片机输出的控制信号，经信号转换电路和驱动电路，实现TEC半导体片工作模式和功率的控制。

根据半导体制冷片工作特性，加热和制冷模式不宜频繁切换，设计自动模式转换的功能，通过单片机对转换时间间隔的计时，输出控制制冷片工作电源极性的信号，以保障温控箱制冷设备安全、可靠地工作。

温控箱的储藏室根据半导体制冷片的工作模式，可用于加热和制冷的使用环境，同时通过对工作功率的调节，使得储藏室控制温度均匀稳定，提高了温控箱的实际应用能力。

利用单片机输出信号，同时控制多个半导体制冷片的工作模式，即多个制冷片具有相同的工作模式，且通过对转换时间间隔的计时，自动进行模式转换。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、本发明能够灵活控制半导体制冷片的工作模式和功率，使得半导体温控箱具有加热/制冷双重工作模式和恒温控制功能；

2、本发明能够降低温控箱硬件系统复杂性，使制冷片的控制操作简单、可靠，节约设计成本，提高实际应用能力；

3、本发明可用于加热和制冷的使用环境，同时通过对工作功率的调节，使得储藏室控制温度均匀稳定；

4、本发明设计自动模式转换的功能，通过单片机对转换时间间隔的计时，输出控制制冷片工作电源极性的信号，以保障温控箱制冷设备安全、可靠地工作。

附图说明

图1为半导体温控箱的控制系统结构示意图；

图2为半导体温控箱控制系统的一个实施例的结构示意图；

图3为半导体温控箱控制系统的控制流程实例示意图；

图4为半导体TEC制冷片工作模式和制冷量的控制关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明所提供的半导体温控箱的具体实施方式，进行详细的说明，对控制过程的说明以制冷模式为例，但本发明不限于制冷，同时可应用于加热模式。

图1是半导体温控箱的控制系统结构图，在图中分别给出本发明所述的供电电源、单片机控制器、半导体制冷片及其控制电路。其中供电电源是系统能量供应的部件，是实现基本功能的基础；单片机是控制核心，主要根据设定功能，实时输出对半导体制冷片控制信息；控制电路是根据半导体制冷片的工作特性，在控制信号的作用下，对制冷片的工作模式和功率进行驱动控制；半导体制冷片是温控箱系统的核心控制部件，是基于半导体制冷技术的温控箱功能设计的关键。

根据以上说明及图示，供电电源分别为单片机、控制电路和半导体制冷片进行供电，单片机输出控制信号，经控制电路的作用对两个半导体制冷片进行控制。通过温控箱控制系统的作用，储藏室具有加热和制冷两种工作状态，充分利用了半导体制冷技术的功能优势，提高了温控箱的应用范围。

图2是半导体温控箱的一个实例示意图，其中开关电源是根据TEC制冷片的工作原理及参数，选择了12V的开关电源作为系统整体的供电装置，同时由于单片机控制器、控制电路等需要5V电压的工作电源，利用LM7805设计了5V的电源转换电路，只需要滤波电容和稳压器的作用便可获得稳定的5V电源。电源的选择及转换电源电路的设计简单地满足了系统电源需求，避免了双组电源造成的成本提高。

单片机是温控箱的控制核心，工作需要的电源由转换电源电路提供。首先根据设定功能，输出制冷片工作模式的控制信号，使温控箱处于制冷或加热的工作状态，并根据设定温度和实际检测温度的偏差，利用控制算法计算和输出相应功率控制信号，从而实现对温控箱制冷量的控制。以单片机为控制器，可以根据系统功能的要求，设计灵活的控制程序及控制算法，比传统的以手动方式调节制冷片的工作状态具有操作简单、使用方便、控制过程平稳且精度高等优点。

图示的控制电路包括信号转换电路和功率驱动电路，其中信号电路作用为实现单片机输出I/O信号与驱动制冷片控制信号的转换；由于单片机直接输出TTL电平信号，不能直接用于控制制冷片的工作状态，同时为了避免系统干扰信号影响单片机控制器的工作，信号电路同时具有隔离保护的功能，提高系统运行的可靠性。驱动电路是直接根据TEC制冷片工作特性和控制功能要求，设计的工作电源极性和功率控制的电路；由于半导体TEC制冷片在通以正向直流电时处于制冷工作模式，温控箱实现制冷模式下的恒温控制功能，当流过反向电流时制冷片处于加热工作模式，温控箱进行制热模式的恒温控制，要求驱动电路须能够灵活地切换制冷片的工作电源极性；同时由于TEC制冷片是大功率器件，工作时电流较高，易产生热量，要求驱动电路不但能够灵活控制制冷片的工作功率，也需要能够承受大功率损耗，具有一定安全性和可靠性。

TEC制冷片在驱动电路的控制下进行工作，当进行温控箱工作模式的转换时，如使半导体制冷片由制冷改为加热的工作状态，为了保护制冷片的工作安全，工作状态不宜频繁切换，本发明提供的半导体温控箱，通过对转换时间间隔计时，自动进行模式转换，以确保温控箱的安全性，同时提供灵活、智能的操作功能。

图3是进一步的温控箱控制流程实例示意图，由单片机输出对半导体制冷片工作模式和功率的控制信号，其中输出高低电平信号用于控制制冷片的工作模式，作用对象为双组继电器；输出脉宽调制的开关频率信号调节半导体制冷片的工作功率，作用对象是MOS管。

控制电路中的信号电路有光耦隔离和信号转换两个部分，首先单片机输出信号连接光耦芯片，实际中单片机输出口串接了100欧姆电阻，以避免过大的灌电流损坏IO口；光耦的输出端接三极管的基级，并经过在基极和集电极配置合理电阻，获得控制MOS管和继电器的驱动电压信号；继电器的驱动主要是满足驱动电压的要求，经三极管转换的电平信号是控制继电器驱动电压的开关信号，对MOS管的驱动也是根据控制信号的特性，特别是MOS管为压控型开关器件，控制信号电压需满足MOS管导通电压、损耗、安全范围等要求。

本发明提供的半导体温控箱控制电路结合了双组继电器和大功率MOS管的功能，通过控制双组继电器的开闭，简单、灵活地实现了TEC制冷片工作电源极性的转换；并利用对MOS管的脉宽调制控制，实现TEC制冷片的工作功率的调节。设计的控制电路克服了常用H桥控制电路中需要升压电路、工作电流小、控制时序复杂、损耗大等的不足，有效提高了对TEC制冷片的实际应用能力，并降低温控箱的设计复杂度和制造成本，进一步促进半导体温控箱的应用。

图4说明了控制电路对半导体工作模式和制冷量的控制关系。其中图（a）表示在不考虑模式转换时间间隔情况下的控制信号与工作模式转换的关系图，当对双组继电器的控制信号分别为0、0和1、1时，半导体制冷片工作处于停止状态，既不制热也制冷；当控制信号为0、1时制冷片处于制冷状态，使得温控箱适用于低温控制环境；当控制信号为1、0时，半导体制冷片进行加热模式的工作状态，可用于加热环境需求；图示效果说明了本发明的半导体温控箱的工作模式控制灵活、简单。图（b）说明了对功率调节开关频率信号与半导体TEC制冷片的制冷量的关系图示，随着MOS管从全关闭到全开的过程中，制冷片的制冷量也逐渐增加，直到达到最大制冷量。

通过温控箱的制冷片的控制效果，进一步地说明了本发明的半导体温控箱具有较好实用能力，且能够方便控制温控箱的加热和制冷效率，达到设定恒温控制功能。同时，根据图示效果，对制冷片极性的控制信号简单，易于实现；功率控制信号只需要调节脉宽信号，便可以实现温控箱控制温度的调节。

Claims (8)

1.一种半导体温控箱的控制系统，包括电源电路、单片机、半导体制冷片及控制电路，其特征在于：利用开关电源对半导体制冷片供电和转换电路电源对系统硬件电路供电，以单片机为控制器，根据设定功能输出控制信号，控制电路接收信号，对半导体制冷片工作电源的极性和开关进行控制，实现对半导体制冷片工作模式转换和功率调节的控制。

2.根据权利要求1所述的一种半导体温控箱的控制系统，其特征在于：所述的电源电路，以12V开关电源为系统供电装置对半导体制冷片进行供电，并利用稳压器LM7805经滤波和稳压获得稳定的5V电源转换电路，为单片机和系统硬件电路供电。

3.根据权利要求1所述的一种半导体温控箱的控制系统，其特征在于：所述的单片机根据设定的温控箱工作模式和控制温度，输出对半导体制冷片的控制信号，其中控制信号为工作模式转换的高低电平信号和功率调节的开关频率控制信号。

4.根据权利要求1所述的一种半导体温控箱的控制系统，其特征在于：所述的控制电路包括控制信号的转换电路和半导体器件的驱动电路，其中控制信号转换电路是将单片机输出信号转换为驱动电路所需的信号，驱动电路则实现对半导体制冷片的功能控制。

5.根据权利要求4所述的一种半导体温控箱的控制系统，其特征在于：所述控制信号的转换电路的输入是单片机的I/O口控制信号，转换电路利用光耦进行信号的隔离，光耦隔离的输出端接三极管，通过配置基极和集电极电阻，输出所需幅值的电压信号；所述驱动电路的输入是信号转换电路的输出电压信号，通过控制双组继电器的开闭对半导体制冷片的工作极性进行转换，实现加热/制冷模式的转换；利用MOS管作为半导体制冷片的开关器件，根据输入的控制电压信号频率，实现对半导体制冷片工作功率的调节。

6.根据权利要求5所述的一种半导体温控箱的控制系统，其特征在于：所述控制电路中的驱动电路可以根据实际半导体制冷片的数量和功率改变使用的组数，信号转换电路只需设计一组，通过接收单片机控制信号，同步作用于多组驱动电路，并经多组驱动电路实现多个半导体制冷片的控制。

7.根据权利要求4所述的一种半导体温控箱的控制系统，其特征在于：所述半导体制冷片型号为TEC127-12，安装在温控箱左右两侧，半导体制冷片输入端连接所述驱动电路，进行温控箱加热或制冷模式的可调功率工作。

8.根据权利要求1所述的一种半导体温控箱的控制系统，其特征在于：利用单片机输出信号，同时控制多个半导体制冷片的工作模式，即多个制冷片具有相同的工作模式，且通过对转换时间间隔的计时，自动进行模式转换。