CN202177270U

CN202177270U - 多片半导体制冷器联合控制的温控器

Info

Publication number: CN202177270U
Application number: CN2011202597324U
Authority: CN
Inventors: 赵亚凤; 胡峻峰; 杨松; 冷欣
Original assignee: Northeast Forestry University
Current assignee: Northeast Forestry University
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2021-07-21

Abstract

多片半导体制冷器联合控制的温控器，属于半导体制冷技术领域。它解决了现有半导体制冷技术存在的制冷量小的问题。本实用新型由单片机和多个温控电路组成，多个温控电路相并联，并分别与单片机形成回路，每个温控电路由驱动单元、半导体制冷器、温度传感器和调理电路组成，单片机的一组PWM信号输出端连接驱动单元的驱动信号输入端，驱动单元的两个驱动信号输出端之间串联半导体制冷器，温度传感器用于采集半导体制冷器的所处环境的温度，温度传感器的信号输出端连接调理电路的信号输入端，调理电路的温度信号输出端连接单片机的温度采集信号输入端。本实用新型用于温度控制。

Description

多片半导体制冷器联合控制的温控器

技术领域

本实用新型涉及一种多片半导体制冷器联合控制的温控器，属于半导体制冷技术领域。

背景技术

与传统的制冷技术相比，半导体致冷器具有体积小、重量轻、无任何机械运动部件、无噪声、启动快、控制灵活和具有可逆性等诸多优点，它既可用于制冷，又可制热，是可加热制冷温控器的理想材料。高精度的温控器可用于对电子线路中的元器件进行冷却，它能够提高和放大测量装置的灵敏度和准确度；在医疗上，半导体制冷技术可成功应用到治疗仪器、储存生物医学制品仪器、卫生保健仪器和实验检测仪器等方面。

半导体制冷由于受到材料性质的制约，不能产生大的致冷量，而只适合于要求产冷量小的领域，并且其制冷效率不高，控制方式也较为简单，能量损失较大，温度控制精度不高。现有半导体制冷温控装置通常只适用于普通的日常生活需要，不能用在对温度要求较高的场合，这些缺陷限制了半导体制冷器的应用。

实用新型内容

本实用新型是为了解决现有半导体制冷技术存在的制冷量小的问题，提供一种多片半导体制冷器联合控制的温控器。

本实用新型由单片机和多个温控电路组成，

多个温控电路相并联，并分别与单片机形成回路，

每个温控电路由驱动单元、半导体制冷器、温度传感器和调理电路组成，

单片机的一组PWM信号输出端连接驱动单元的驱动信号输入端，驱动单元的两个驱动信号输出端之间串联半导体制冷器，温度传感器用于采集半导体制冷器的所处环境的温度，温度传感器的信号输出端连接调理电路的信号输入端，调理电路的温度信号输出端连接单片机的温度采集信号输入端。

所述单片机的型号为MSP430F449。

所述温度传感器采用型号为PT1000的铂电阻。

本实用新型的优点是：本实用新型通过单片机分别控制多片半导体制冷器联合制冷，克服了现有技术中半导体制冷器产冷量小的缺点，它将多片半导体制冷器分别独立控制，通过单片机对半导体制冷器进行精确控制，最大程度提高了制冷效率，在减小能量损失的同时实现了对温度的高精度控制。

附图说明：

图1为本实用新型的电路原理框图；

图2为本实用新型的温度反馈控制原理图；

图3为当环境温度为18℃左右，预设定制冷温度为40℃时的温度响应曲线图；

图4为当环境温度为18℃左右，预设定制冷温度为40℃时制冷温度稳定后的温度曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述多片半导体制冷器联合控制的温控器由单片机1和多个温控电路组成，

多个温控电路相并联，并分别与单片机1形成回路，

每个温控电路由驱动单元2-1、半导体制冷器2-2、温度传感器2-3和调理电路2-4组成，

单片机1的一组PWM信号输出端连接驱动单元2-1的驱动信号输入端，驱动单元2-1的两个驱动信号输出端之间串联半导体制冷器2-2，温度传感器2-3用于采集半导体制冷器2-2的所处环境的温度，温度传感器2-3的信号输出端连接调理电路2-4的信号输入端，调理电路2-4的温度信号输出端连接单片机1的温度采集信号输入端。

本实施方式中所述的温控器由三个部分实现，即温度检测、驱动电路和控制器，温度检测通过温度传感器2-3和调理电路2-4实现，控制器采用单片机1实现。

温度检测部分，将阻值随环境温度变化的电阻通过电桥电路转换为一定比例的电压输出，提供给差动比例放大电路，经差动放大后得到与环境温度成线性关系的电压模拟量。单片机1的A/D实时采集电压模拟量并转换成相应温度值的数字量，在单片机1内完成一系列的数字运算，再将数字的温度控制量以一定形式输出给驱动单元2-1。驱动单元2-1根据单片机1输出的控制信号和半导体制冷器的工作要求，选定合适的恒压源和外部电路提供驱动制冷器所需的大电流。对温度的控制原理如图2所示。

半导体制冷器2-2的参数选择：

半导体制冷器(TEC)在工程应用上最重要的问题是，如何结合实际使用条件，优化其性能参数以求获得最佳的应用效果。

最常用的型号为12705的陶瓷式半导体制冷器TEC，电偶对总数为127对，允许通过的最大电流Imax＝5.0A，最大电压Vmax＝15.4V，室温下最大制冷温差ΔTmax＝68℃，最大制冷量Qmax＝45W，外形尺寸为40*40*4(mm)。根据这几个参数对TEC进行优化设计。

在25℃(298K)的环境温度下，为了抵消制其外壳表面至空气环境的热阻影响，根据对传热结构的分析，必须有40℃的热端传热温差，即热端温度＝25℃+40℃＝65℃＝338K；环境温度与保温材料之间有一定温差，可设定冷端温度为20℃，即293K；冷热端温差ΔT＝338K-293K＝45K。

在给定的冷热端温差ΔT条件下，半导体制冷片工作时外加直流电源的电流I与其制冷系数ε、产冷量Q、输人功率P等参数是密切相关的。理想的半导体制冷器的各项制冷性能参数只与材料的基本参数有关。

根据基本参数和设定环境可计算出如下工作参数：

(1)半导体制冷系数：

ϵ = \frac{Q_{C}}{P} = \frac{αI T_{C} - \frac{1}{2} I^{2} R - K (T_{h} - T_{c})}{I^{2} R + αI (T_{h} - T_{c})} = \frac{13}{127 \times ({2.5}^{2} \times 2 {\times 10}^{- 2} + 4.1 {\times 10}^{- 4} \times 2.5 \times 45)} = 59.8 %,

(2)最佳制冷系数下流过电偶的电流值：

I_{ϵ} = \frac{V_{ϵ}}{R} = \frac{αΔT}{(\sqrt{1 + Z T_{M}} - 1) R} = \frac{4.1 \times 10^{- 4} \times 45}{2.0 \times 10^{- 2} (\sqrt{1 + 2.8 \times 10^{- 3} \times 315.5} - 1)} = 2.5 A,

即型号为12705的陶瓷式TEC，其留过电流为2.5A时，达到最大的制冷系数，即最佳工况，在控制算法的设计时，电流应控制在2.5A以下。

对温控器的箱体设计：

使用半导体制冷器必须考虑其吸热和散热问题，这是由半导体制冷器的原理决定的。采用的吸热器需用于冷端，散热器是为维持制冷组件长时间工作而设计。半导体制冷器的热端实际温度总要比散热器表面温度高，被冷却的空间与器件的冷端之间也存在温度梯度，只有在散热、传热好的条件下才能减小它们的温度梯度，所以要选用优质传导材料制成吸热器和散热器。

由于铜材导热性能较好且可隔磁，因此箱体设计时选择铜作为吸热器。在实际应用中，一般不直接用冷面和待冷却物体接触，而是在冷面上加上一块金属冷却板，通过金属冷却板引出，可有效减小温度梯度。考虑到所需散热器件热源在底部，在设计半导体制冷器位置时底部布置四片制冷器；同时考虑到温度的均匀性，其余四面均匀分布，每面布置两片制冷器。

就散热方式而言，水冷、强迫风冷散热效率很高，但水冷必须有水源、风冷会有机械振动，而电子元器件、便携式医疗用的很多场合限制了这些散热方式的使用。因此，本实用新型在设计箱体时要采用金属散热片自然对流进行散热，它安装方便，可靠。在确定这种散热方式之后，选取适当的散热器结构形式便成为减小冷热端温差值、提高效率的关键，且将散热片与壳体连接，增大了散热面积。

在整机装配时，还要做好散热器和传冷块之间的绝热隔层，包括固定螺栓的绝热处理。温控器箱体可在内胆和外壳之间填充绝热材料，以保证良好的绝热效果；内外壳之间的固定螺栓也需采用特殊材料制成不导热螺栓，有效防止冷热中和。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步限定，所述单片机1的型号为MSP430F449。

具体实施方式三：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述温度传感器2-3采用型号为PT1000的铂电阻。

本实用新型的工作流程：采用键盘对单片机1设定目标温度，温度传感器2-3测量半导体制冷器2-2的实际温度并输出给单片机1的A/D。单片机1将设定的目标温度与采集获得的实际温度进行比较，根据误差的大小，按照一定的调节规律计算出控制量，驱动单元2-1用恒压源驱动半导体制冷器2-2所需的大电流，并根据控制量决定驱动电流的大小和方向，进行加热或制冷，从而构成实时闭环系统。

本实用新型采用PT1000作为温度传感器2-3，可将它与仪表放大器INA118共同构成精密温度检测电路。单片机1选用MSP430F449，它用于完成数据的A/D转换，预设定温度的输入，实时温度显示，同时在内部进行模糊-PID运算来获得控制量，再输出不同占空比的电压来控制驱动单元2-1。可采用L6203进行功率放大，根据单片机1计算获得的控制量控制半导体制冷器2-2的电流的大小和方向。半导体制冷器2-2根据输入电流的大小和方向来对制冷环境加热或制冷：假设当流过TEC的电流方向为正时，TEC对控制环境加热；那么，当流过TEC电流方向为负时，TEC对控制环境进行制冷。在不断的加热与制冷过程中，调节欲控制环境的温度达到设定值。

从制冷量考虑，本实用新型所述温控器可布置2-12片半导体制冷器，将两片半导体制冷器串联成一对。在设计该温控系统时，为了增强可靠性和精度，采用1-6路温控电路。每个回路都有单独的测温、控制器和制冷器，各个回路在电路上互不干扰；每路单独控制，根据对象特征利用模糊PID控制器给出不同的控制量，保证系统的精度。

温度传感器2-3电路：

本实用新型可选用高线性度的PT1000作为对半导体制冷器2-2的温度检测部件，它可通过电桥电路来转换温度信号为电压信号，同时采用运算放大器INA118来放大电压信号。电桥电路可根据惠斯登电桥原理制成。根据基尔霍夫定律，热敏电阻的阻抗随周围温度的上升或下降而改变时，平衡受到破坏，输出端有电压输出。但PT1000阻值变化幅度较小，这就需要一个高稳定度，高精度的放大电路。选用INA118精密仪表放大器，增益G＝1+50KΩ/Rg，选择不同的电阻Rg可调节输出电压与温度成线性关系。

设计输出电压灵敏度为50mV/℃，电路中设计多路温度检测信号分别对应不同的铂电阻，多路单独测温。

单片机1作为控制器：

选用MSP430F449作为控制器核心，它能够完成系统的A/D转换，设定温度输入，实时温度显示，同时进行模糊-PID运算来获得控制量，形成PWM控制脉冲，输出不同占空比的电压来控制半导体制冷器加热或制冷。

本实用新型中用到了单片机的I/O端口、12位A/D转换器、液晶驱动模块、串行通讯等，可简化电路。还实现了数字PID控制器，根据采样时刻的偏差值计算获得控制量，形成PWM控制脉冲。整个系统的人机接口、数字化功能都由单片机完成，主要分成以下几个部分：

1.单片机片内有8路A/D转换器和时序控制电路，能够保证每一个铂电阻测得温度值可单独存储和管理，另外，12位的转换精度对应0-50℃的温度最小分辨率为0.01℃。

2.数字PID控制器代替了模拟PID控制器，克服了PID参数整定困难的缺点，写入P、I、D的数字量即可完成整定，即使是对多路测量数据分开控制，每路设定不同的参数也可实现。在PID控制算法中还加入了模糊控制，使该温控系统基本无超调且能很快响应。

3.可采用键盘设定和液晶显示作为温控系统的人机接口，键盘共12个键，在单片机I/O口用3*4行列式键盘；液晶驱动作为一个片内外设模块存在于单片机中，该液晶显示器的控制/驱动简化了液晶显示器的显示。

4.单片机内部有丰富的片内计时器，有两个16位定时器共带有10个捕获/比较寄存器，这些寄存器是PWM波形调制的基础，提供了控制多路半导体制冷器所需的不同占空比的PWM波形。

5.功率放大

驱动单元2-1可采用L6203控制半导体制冷器2-2TEC，它相当于一个功耗小的、效率高的电源驱动电路。对半导体制冷器2-2实现温度调节，当改变半导体制冷器2-2工作电流极性时，可实现制冷或制热；改变其电流强度便可调节制冷功率。

为了满足半导体制冷器2-2的工作要求，须选择合适的工作电流。本实施方式中驱动单元2-1可选择12V电源控制半导体制冷器2-2。因为该电路主要是功率元件，大电流会使功率期间本身发热，为了保证工作的可靠性，需对电路板做以下两点特殊设计。

1在每个控制芯片L6203散热片安装孔上，需安装一定大小和散热面积的散热片，并且，为了更好散热，芯片要分散布置；

2给半导体制冷器2-2提供电流的铜线也会流过大电流，需根据电流大小适当加粗电路板上布线。

单片机1内部控制算法：

在温度控制系统中，由于常规的PID调节器控制原理简单，容易实现，稳态无静差，因此长期以来广泛应用于工业过程控制，并取得了良好的控制效果。但传统PID控制算法也有它的局限性和不足，它只有在系统模型参数为非时变的情况下才能获得理想的效果，当应用到时变系统时，系统的性能会变差，甚至不稳定。而模糊控制方法无须建立被控对象的数学模型，对被控对象的时滞、非线性、时变性具有一定的适应能力，即鲁棒性较好。但模糊控制器本身消除系统误差的性能较差，难以达到较高的控制精度。

结合模糊控制和PID调解器，应用到多路温控系统中，发挥模糊控制鲁棒性强、动态响应好、上升时间快、超调小的特点，又结合PID控制器的动态跟踪品质和稳态精度，可不失为一种比较好的控制方法。

根据实验采集数据分析得出如下几方面的实验结果：

1、对制冷实验结果分析：因加热元件对不同部位的影响，初始输出温有一定偏差，发热量集中的地方，温度会稍高。

2、加热实验结果分析：

在环境温度较低时，采用本实用新型进行加热实验。由图3和图4可知，所述温控器无超调，响应速度快，温度稳定在±0.1℃的范围内。

根据上不同升温幅度的温度响应曲线，可知对于具有大惯性环节、难以建立准确数学模型的多路半导体制冷的温控器，PID与模糊控制的复合控制能够满足控制要求，具有良好的快速性和稳态精度，且抗干扰能力强。

Claims

1.一种多片半导体制冷器联合控制的温控器，其特征在于：它由单片机(1)和多个温控电路组成，

多个温控电路相并联，并分别与单片机(1)形成回路，

每个温控电路由驱动单元(2-1)、半导体制冷器(2-2)、温度传感器(2-3)和调理电路(2-4)组成，

单片机(1)的一组PWM信号输出端连接驱动单元(2-1)的驱动信号输入端，驱动单元(2-1)的两个驱动信号输出端之间串联半导体制冷器(2-2)，温度传感器(2-3)用于采集半导体制冷器(2-2)的所处环境的温度，温度传感器(2-3)的信号输出端连接调理电路(2-4)的信号输入端，调理电路(2-4)的温度信号输出端连接单片机(1)的温度采集信号输入端。

2.根据权利要求1所述的多片半导体制冷器联合控制的温控器，其特征在于：所述单片机(1)的型号为MSP430F449。

3.根据权利要求1或2所述的多片半导体制冷器联合控制的温控器，其特征在于：所述温度传感器(2-3)采用型号为PT1000的铂电阻。