CN110337224A - 采用pwm技术的密闭机柜用自调节半导体除湿装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用PWM技术的密闭机柜用自调节半导体除湿装置，属于机电一体化控制领域。该装置通过高精度湿度传感器实时检测密闭空间内的空气相对湿度，同时通过精密电阻检测除湿装置内半导体制冷片的供电电压，根据检测到的空气湿度值及半导体制冷片供电电压值，自动调整输出至电压调节模块的占空比，从而控制用于半导体制冷片供电的电压调节模块的输出电压，调节半导体制冷片的除湿能力。本装置能实现密闭空间内空气相对湿度的自适应调节，可广泛应用于电子设备密闭机柜内的环境控制。

Description

采用PWM技术的密闭机柜用自调节半导体除湿装置

技术领域

本发明属于机电一体化控制领域。

背景技术

密闭机柜内的部分电子元器件对其存储及工作环境的空气湿度有着很高的要求，湿度太高或太低会影响其外观、性能、精度等指标，甚至可能大大地缩减器件或模块的使用寿命。为此，对于这一类器件使用环境的空气湿度必须进行严格监测和精确调节。半导体除湿装置是一种采取半导体制冷片来进行除湿的装置，制冷片在通电情况下，制冷片的两个端面分别会形成冷端面和热端面，冷端面会迅速降温，与空气形成较大的温度差，从而将空气中的水分冷凝成水滴后，导出至机柜外，以达到除湿目的。半导体除湿装置具有结构简单、体积小、无噪声、寿命长和可靠性高等优点，因此成为小密闭空间除湿的首选。

半导体制冷片为一阻性负载，在外围散热翅片、通风等一定的情况下，其除湿能力与供电电压是直接相关的。目前市面上的半导体除湿装置，其半导体制冷片供电电压都是固定不变的，其对湿度的调节主要是通过对半导体制冷片的通断电来实现：检测到空气湿度较高时，半导体制冷片通电工作；空气湿度在设定湿度值以下时，切断半导体制冷片供电。这类半导体除湿机，半导体制冷片只有通电或断电两种状态，对于部分湿度控制要求较高的场所，此类除湿装置不具有精确调节除湿的能力，湿度控制波动较大，满足不了对湿度有着精确调控要求的场合。

发明内容

为克服其它半导体除湿装置制冷片电压固定不可调，湿度调节能力差，湿度波动大的缺点，本发明采用根据空气湿度自动调节半导体制冷片供电电压大小的办法，提供了一种采用PWM技术的密闭机柜用自调节半导体除湿装置。

本发明提出的采用PWM技术的密闭机柜用自调节半导体除湿装置包括直流电源、控制及采集模块、电压调节模块、湿度传感器、半导体制冷片及翅片、风机和机壳。直流电源、控制及采集模块、湿度传感器、半导体制冷片及翅片、风机及电压调节模块均安装于机壳内；风机安装于机壳内进风口处，湿度传感器安装于风机后，两翅片通过导热硅脂分别贴合于半导体制冷片热端面和冷端面，半导体制冷片及翅片安装于进风口和出风口之间。直流电源为控制及采集模块、风机、电压调节模块提供直流电源；湿度传感器采集空气湿度，并将检测值输出至控制及采集模块；控制及采集模块接收湿度传感器的输出信号，并产生PWM信号；电压调节模块可根据PWM信号产生相应伏值的可调电压为半导体制冷片提供电源。

该除湿装置工作时，通过湿度传感器实时检测空气湿度值，并将该值与预先设定的湿度目标值进行比较，根据湿度差值的大小，计算出相应的半导体制冷片的理论供电电压值，根据该理论电压数值，通过控制及采集模块上的MCU的PWM管脚产生不同占空比的脉宽信号，将该脉宽信号输出至电压调节模块，以调制出0-48V的低压直流电压供给半导体制冷片。为了达到电压精确控制，通过一精密电阻串入电压调节模块输出的直流电压，经采样调理后，接入MCU的AD管脚，采集半导体制冷片供电电压，并将采集到电压值与理论电压值进行比较，根据比较结果对PWM管脚产生占空比进行微调，从而实现半导体制冷片供电电压的精确控制和半导体除湿装置除湿能力的精确调节。

本装置发明的优点在于：

1.该装置组成相较于其他半导体除湿装置，除直流电源、控制及采集模块、湿度传感器、半导体制冷片及翅片、风机、机壳外，还包含有电压调节模块，可实现半导体制冷片供电电压的调节功能；

2.通过湿度传感器实时采集空气相对湿度，并与设定的湿度值进行比较，计算两湿度差值，作为湿度闭环控制系统的外环；通过一精密电阻串入电压调节模块产生的直流电压，采集半导体制冷片的供电电压，作为湿度闭环控制系统的内环；根据空气湿度和半导体供电电压双闭环反馈结果，可实现输出至电压调节模块的占空比的精确调节，配合电压调节模块从而实现密闭机柜内空气湿度高精度、自适应的调节。

附图说明

图1自调节半导体除湿装置组成框图。

图2半导体制冷片电压调节原理框图。

图3自调节半导体除湿装置示意图，其中1是控制及采集模块，2是电压调节模块，3是湿度传感器，4是直流电源，5是半导体制冷片及翅片，6是风机，7是进风口，8是出风口，9是机壳。

图4自调节半导体除湿装置控制流程图。

具体实施方式

本发明提出的采用PWM技术上的密闭机柜用自调节半导体除湿装置主要包括直流电源、控制及采集模块、电压调节模块、湿度传感器、半导体制冷片及翅片、风机、机壳等部分。该除湿装置采用长方体外形，在装置左右两侧各设计进风口和出风口，半导体制冷片及翅片安装在进风口和出风口之间，在进风口位置处安装一风机，用于加速空气流动，同时给半导体制冷片的热端面降温，带走多余热量。相对湿度较大的空气经进风口后，经过温度较低的半导体制冷片冷端面及翅片，由于存在温度差，空气中的水分冷凝成水珠，并通过导流槽排出密闭机柜，同时将干燥空气由出风口排出。对本发明的技术方案进行举例说明如下。

除湿装置进风口处安装一湿度传感器，用于检测密闭空间内的空气湿度。传感器可选用具有I²C接口的HTU21D型湿度传感器，具有体积小、精度高的特点，且电路简单，可直接接至MCU的I²C接口上。

假设开关电源的输入为220V交流电，输出+5V2A和+48V5A的直流电源，+5V电源供控制及采集模块和湿度传感器使用，+48V电源供风机及电压调节模块使用。电源输出电流大小满足后端设备使用需求。

半导体制冷片额定电压为48V，额定电流3A，最大制冷功率为100W。调节其供电电压，其制冷功率随着电压而变化，冷热两端面的温度也随之变化，除湿能力也不同。

控制及采集模块选用一STM32单片机作为主控芯片，该芯片具有PWM、AD、I²C等外设接口。按照STM32单片机工作需求，配合外围复位电路、晶振等。控制及采集模块设计有一电压采集电路，将0～+48V的制冷片供电电压调理至0～3.3V接入单片机的AD口，实现供电电压采集。根据检测到的湿度反馈值，计算出输出至电压调节模块的占空比，通过MCU内部的PWM外设模块，产生相应占空比的调制脉宽信号，其中脉冲频率选择100K。若占空比0％，则半导体制冷片的理论供电电压为0V；为100％时，则半导体制冷片的理论供电电压为+48V；占空比为50％时，则半导体制冷片的理论供电电压为+24V。单片机根据电压值和湿度值，经闭环控制后产生相应的PWM信号，输出至电压调节模块。

电压调节模块主要是根据输入的PWM信号，产生0V～48V的电压信号，主要由电阻、电容、电感、二极管、MOS管等组成，将PWM信号转换为模拟电压。PWM脉宽信号经过光耦、三极管及MOS管后，后端经过电阻、电容、电感滤波平滑，得到一相对平滑的直流电压，供半导体制冷片使用。由于受电子器件精度、环境温度等影响，实际产生的电压会与理论电压存在误差值，因此需对产生的实际电压进行微调：通过在半导体制冷片供电端串联精密电阻，经过运放调理后，将制冷片供电电压调理至0V～+3.3V的电压，接入MCU的AD口，进行供电电压的采集，并进行软件滤波，得到较稳定的供电电压数值，该数值与理论数值进行比较，并根据差值微调PWM信号的占空比。

本装置采取湿度和电压双闭环检测，并根据检测结果产生PWM信号和相应伏值电压，输出至半导体制冷片，实现除湿能力的自适应调节。

Claims (2)

1.采用PWM技术的密闭机柜用自调节半导体除湿装置，其特征在于：包括直流电源、控制及采集模块、湿度传感器、半导体制冷片及翅片、风机、机壳及电压调节模块；其中，直流电源、控制及采集模块、湿度传感器、半导体制冷片及翅片、风机及电压调节模块均安装于机壳内，风机安装于机壳内进风口处，湿度传感器安装于风机后，两翅片通过导热硅脂分别贴合于半导体制冷片热端面和冷端面，半导体制冷片及翅片安装于进风口和出风口之间；直流电源为控制及采集模块、风机、电压调节模块提供直流电源；湿度传感器采集空气湿度，并将检测值输出至控制及采集模块；控制及采集模块接收湿度传感器的输出信号，并产生PWM信号；电压调节模块可根据PWM信号产生相应伏值的可调电压为半导体制冷片提供电源。

2.根据权利要求1所述的采用PWM技术的密闭机柜用自调节半导体除湿装置，其特征在于：首先，湿度传感器用于采集密闭空间内的空气相对湿度，作为湿度闭环控制系统的外环；控制及采集模块上具有半导体制冷片供电电压检测功能，作为湿度闭环控制系统的内环；其次，具有半导体制冷片供电电压调节功能，可根据湿度反馈和电压反馈结果，通过控制及采集模块上的MCU动态调整输出至电压调节模块的占空比PWM，从而调节除湿装置内半导体制冷片的供电电压，进而来调节除湿装置的除湿能力。