基于8051单片机的TEC恒温硬件模块控制系统设计
基于8051单片机的TEC恒温硬件模块控制系统设计[20200408101623]
摘要
在工业生产各个方面，恒温控制都占有很大的比重。随着现代文明和科学技术的不断进步，人们对恒温控制的精准度等各方面要求越来越高。本文基于半导体制冷器来设计恒温控制系统，并通过8051单片机作为微中央处理器实现核心控制。
采用半导体制冷器设计一个恒温硬件模块控制系统，通过驱动电路，以控制电流的大小来改变TEC制冷制热量，实现为光纤光栅解调仪设计一个在10cm*10cm的恒温控制系统的目标，通过此系统可以使得在测量过程中，排除外接变化对传感器的影响。设计中采用Altium Designer来完成恒温控制系统电路的绘制，并通过Protues软件进行系统仿真，对整个系统进行系统电流测量、温度测控、半导体制冷片散热计算等分析，全面分析系统的可能性，实现设计与操作相结合。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:单片机半导体制冷片驱动电路AltiumDesigner
Key word: Single chip; Thermoelectric Cooler; Drive circuit; Altium Designer目 录
1. 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 研究现状 1
1.3 发展趋势 2
1.4 研究意义 2
2. 半导体制冷片的工作原理 3
2.1 半导体热电材料的制冷原理 3
2.2 半导体制冷片热端散热方法分析 4
3. 系统总体设计方案 7
3.1 TEC恒温控制系统硬件框图 7
3.2 单片机的选择 7
3.3 半导体制冷芯片的选择 7
3.4 温度传感器的选择 10
4.基于TEC的半导体恒温硬件模块设计 11
4.1 硬件系统设计 11
4.2 半导体制冷片驱动电路设计 11
4.3 电压转换电路 13
4.4 温度传感器DS18B20 14
4.5 显示和键盘电路 15
4.6 软件烧写电路 16
5.实验仿真数据与分析 18
5.1 protues电路图仿真测试与分析 18
结束语 20
参考文献 21
附录 22
致谢 23
1. 绪论
1.1 引言
在各个制造领域，恒温控制技术一直都有着很大的影响。在以往的恒温控制技术中，制热和制冷不能同时进行，制热运用发热电阻等电热元件将电能或者化学能变为热能从而达到制热的目的；制冷可以通过风冷、水冷和压缩式制冷达到，TEC制冷开启了温度控制的新篇章。
1.2 研究现状
半导体制冷也叫热电制冷，伴随着全球环境、能源危机和人们对可持续发展关注度日益上升，对半导体材料的研究日益变成热点。
近年来，在材料科学，主要是多样化的准备和分析工具的新进展。随着大量流行的计算机辅助应用，新材料不断涌现，新的高性能高效率的热电材料增加编制的可能性。美国、日本、澳大利亚等国家正努力开发一个热门的新材料，并取得了一些令人瞩目的成绩。 2001年，美国RTI研究所将Bi-Te基合金制备成超晶格薄膜，30OK其ZT值达到2.4，达到世界最先进水平的水平。然而，虽然这种方法已在参数取得了一些进展，但由于其制造工艺复杂，生产成本高，不能投入实际生产。今天，纳米技术和缺陷理论的提出新材料为最大理论材料的ZT值提供了有力的理论支持，理论上ZA值可以达到为4，但实际只能达到1，所以半导体技术，在研究和开发上仍然还有很多路要走。
在国内材料领域主要是半导体制冷材料研究，清华大学、山东大学、上海交通大学、天津，中科院上海硅酸盐所和天津能源所等单位，在新材料研制上都做了一定的工作。目前制作好的热电材料，P型的有碲化铋（Bi2Te3-Bi2Se3）固溶体合金[2]。
1.3 发展趋势
从1970年后开始，随着自动化控制的应用日益迫切，自动控制理论和设计方法也日益成熟，国外恒温控制系统的发展非常迅速，并在自动化、自适应参数等领域都取得了较多的科技成果。
伴随制冷制热效率的逐渐提高，同时美国、英国、日本等国家逐渐加大在温度控制领域的研究，因此美国、英国、日本都掌握了较为领先的技术，并且都相应生产出了一系列综合性能显著的恒温控制系统。半导体制冷技术慢慢在60年代末达到可实际使用阶段，到21世纪，半导体制冷技术已经广泛应用于很多家电制冷设备。
1.4 研究意义
本次设计的基于8051F30单片机的TEC恒温控制系统为浙江大学光及电磁波研究中心光纤光栅组项目，主要为光纤光栅解调仪设计能在10cm*10cm空间内保持恒温的的温度控制系统[3]，通过这个恒温系统，可以使得光纤光栅在测量过程中，去除温度对光纤的影响。
同时8051F340单片机作为贴片单片机，有着较大的性能提升，也改变了以前系统总是使用老51双排线单片机的情况，进行了一定的创新，尽力采用贴片封装的电子元件进行设计，也使得芯片的大小大幅度缩小。
市面上的温度控制系统并未对我们此次光纤光栅解调仪所需的设备进行定制开发，因此我们的开发可以进一步为光纤光栅解调仪提供更好的测量结果，同时也进一步完善了光纤光栅传感器中的恒温控制系统模块灵敏度低等不足的缺点，并在前人的基础上设计形成突破，提升自我技术能力。
2. 半导体制冷片的工作原理
2.1 半导体热电材料的制冷原理
半导体制冷[3]（热电制冷器，简称TEC）也叫做热电制冷，其工作原理主要是通过运用热电效应的帕尔帖效应来达到制冷制热的目的。具体的原理如下：
珀尔帖效应是当电流I通过由两种不同材料组成的电路循环时，在材料的一端处会吸收一个热量值Qp，另一端则放出一个热量值Qp。这种在材料两端吸收或发射的热量也叫被称作珀尔帖热，其放热散热的大小取决于公式（2-1），制冷或者制冷随电流运动方向而改变[4]。
（2-1）
公式中π为珀尔帖系数， ， 1、 2是构成电路的两种材料温差电动势率值， T为两种材料连接点处实时温度。
在实际的回路中，珀尔帖元件的制冷制热量不是完全由珀尔帖效应决定，还有其他四种效应（赛贝克效应、焦耳效应、汤姆逊效应和傅立叶效应）也会对元件产生相应的影响。但在实际计算中，一般只需要考虑珀尔帖效应、焦耳效应以及热传导对总制冷量的影响。
（1）由于焦耳效应造成的热端热量由公式(2-2)所决定：
（2-2）
公式中R为元件的电阻值，I为电流值
从热端到冷端的传导热由公式(2-3)所决定：
（2-3）
其中，K为半导体制冷器导热率，T1、T2分别为半导体制冷器在散热端和制冷端的温度值。
因此对于半导体制冷器总吸收或放出的热量分别由公式(2-4)和公式(2-5)决定：
（2-4）
（2-5）
如图2-1为半导体热电单元制冷原理图:
图2-1 半导体热电单元制冷原理
由图2-1为半导体热点单元制冷原理图可见，通过给电路外加直流电压，电流沿着逆时针方向运动，因而电子沿着顺时针方向从电源负极到达电源正极。由于P型半导体中载流子主要以空穴为主，所以在P型半导体中，空穴的运动方向与电子相反，与电流流向相同。又因为空穴在金属中所具有能量低于在P型半导体中所具有的能量，当空穴受到电场力的作用由金属片A通过结点3到达P型半导体时，必须增加一部分能量，只有从金属片A处吸收能量，这部分能力将转化为空穴的势能，由于以上的原因，实际的表现为金属片A处的温度降低，即吸热制冷。随后当空穴沿P型半导体经结点4流向金属片B1时，由于P型半导体中空穴能量大于金属B1中空穴的能量，空穴将把多余的势能以热能的形式释放出来，实际的表现为金属片B1处温度升高，即散热。
图2-1中右半部分的电路图可见N型半导体分别与金属片A和金属B2相连。由于N型半导体中载流子主要以电子为主，当电子受到电场力的作用时，将通过金属A经过接点2到达N型半导体，由于电子在金属中的势能低于在 N 型半导体中所具有的势能，因此，电子必然要从金属片A处吸收势能，实际表现为金属片A处温度降低。而当电子从N型半导体沿着顺时针方向流向金属片B2时，电子释放势能，金属片B2处温度升高。
摘要
在工业生产各个方面，恒温控制都占有很大的比重。随着现代文明和科学技术的不断进步，人们对恒温控制的精准度等各方面要求越来越高。本文基于半导体制冷器来设计恒温控制系统，并通过8051单片机作为微中央处理器实现核心控制。
采用半导体制冷器设计一个恒温硬件模块控制系统，通过驱动电路，以控制电流的大小来改变TEC制冷制热量，实现为光纤光栅解调仪设计一个在10cm*10cm的恒温控制系统的目标，通过此系统可以使得在测量过程中，排除外接变化对传感器的影响。设计中采用Altium Designer来完成恒温控制系统电路的绘制，并通过Protues软件进行系统仿真，对整个系统进行系统电流测量、温度测控、半导体制冷片散热计算等分析，全面分析系统的可能性，实现设计与操作相结合。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:单片机半导体制冷片驱动电路AltiumDesigner
Key word: Single chip; Thermoelectric Cooler; Drive circuit; Altium Designer目 录
1. 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 研究现状 1
1.3 发展趋势 2
1.4 研究意义 2
2. 半导体制冷片的工作原理 3
2.1 半导体热电材料的制冷原理 3
2.2 半导体制冷片热端散热方法分析 4
3. 系统总体设计方案 7
3.1 TEC恒温控制系统硬件框图 7
3.2 单片机的选择 7
3.3 半导体制冷芯片的选择 7
3.4 温度传感器的选择 10
4.基于TEC的半导体恒温硬件模块设计 11
4.1 硬件系统设计 11
4.2 半导体制冷片驱动电路设计 11
4.3 电压转换电路 13
4.4 温度传感器DS18B20 14
4.5 显示和键盘电路 15
4.6 软件烧写电路 16
5.实验仿真数据与分析 18
5.1 protues电路图仿真测试与分析 18
结束语 20
参考文献 21
附录 22
致谢 23
1. 绪论
1.1 引言
在各个制造领域，恒温控制技术一直都有着很大的影响。在以往的恒温控制技术中，制热和制冷不能同时进行，制热运用发热电阻等电热元件将电能或者化学能变为热能从而达到制热的目的；制冷可以通过风冷、水冷和压缩式制冷达到，TEC制冷开启了温度控制的新篇章。
1.2 研究现状
半导体制冷也叫热电制冷，伴随着全球环境、能源危机和人们对可持续发展关注度日益上升，对半导体材料的研究日益变成热点。
近年来，在材料科学，主要是多样化的准备和分析工具的新进展。随着大量流行的计算机辅助应用，新材料不断涌现，新的高性能高效率的热电材料增加编制的可能性。美国、日本、澳大利亚等国家正努力开发一个热门的新材料，并取得了一些令人瞩目的成绩。 2001年，美国RTI研究所将Bi-Te基合金制备成超晶格薄膜，30OK其ZT值达到2.4，达到世界最先进水平的水平。然而，虽然这种方法已在参数取得了一些进展，但由于其制造工艺复杂，生产成本高，不能投入实际生产。今天，纳米技术和缺陷理论的提出新材料为最大理论材料的ZT值提供了有力的理论支持，理论上ZA值可以达到为4，但实际只能达到1，所以半导体技术，在研究和开发上仍然还有很多路要走。
在国内材料领域主要是半导体制冷材料研究，清华大学、山东大学、上海交通大学、天津，中科院上海硅酸盐所和天津能源所等单位，在新材料研制上都做了一定的工作。目前制作好的热电材料，P型的有碲化铋（Bi2Te3-Bi2Se3）固溶体合金[2]。
1.3 发展趋势
从1970年后开始，随着自动化控制的应用日益迫切，自动控制理论和设计方法也日益成熟，国外恒温控制系统的发展非常迅速，并在自动化、自适应参数等领域都取得了较多的科技成果。
伴随制冷制热效率的逐渐提高，同时美国、英国、日本等国家逐渐加大在温度控制领域的研究，因此美国、英国、日本都掌握了较为领先的技术，并且都相应生产出了一系列综合性能显著的恒温控制系统。半导体制冷技术慢慢在60年代末达到可实际使用阶段，到21世纪，半导体制冷技术已经广泛应用于很多家电制冷设备。
1.4 研究意义
本次设计的基于8051F30单片机的TEC恒温控制系统为浙江大学光及电磁波研究中心光纤光栅组项目，主要为光纤光栅解调仪设计能在10cm*10cm空间内保持恒温的的温度控制系统[3]，通过这个恒温系统，可以使得光纤光栅在测量过程中，去除温度对光纤的影响。
同时8051F340单片机作为贴片单片机，有着较大的性能提升，也改变了以前系统总是使用老51双排线单片机的情况，进行了一定的创新，尽力采用贴片封装的电子元件进行设计，也使得芯片的大小大幅度缩小。
市面上的温度控制系统并未对我们此次光纤光栅解调仪所需的设备进行定制开发，因此我们的开发可以进一步为光纤光栅解调仪提供更好的测量结果，同时也进一步完善了光纤光栅传感器中的恒温控制系统模块灵敏度低等不足的缺点，并在前人的基础上设计形成突破，提升自我技术能力。
2. 半导体制冷片的工作原理
2.1 半导体热电材料的制冷原理
半导体制冷[3]（热电制冷器，简称TEC）也叫做热电制冷，其工作原理主要是通过运用热电效应的帕尔帖效应来达到制冷制热的目的。具体的原理如下：
珀尔帖效应是当电流I通过由两种不同材料组成的电路循环时，在材料的一端处会吸收一个热量值Qp，另一端则放出一个热量值Qp。这种在材料两端吸收或发射的热量也叫被称作珀尔帖热，其放热散热的大小取决于公式（2-1），制冷或者制冷随电流运动方向而改变[4]。
（2-1）
公式中π为珀尔帖系数， ， 1、 2是构成电路的两种材料温差电动势率值， T为两种材料连接点处实时温度。
在实际的回路中，珀尔帖元件的制冷制热量不是完全由珀尔帖效应决定，还有其他四种效应（赛贝克效应、焦耳效应、汤姆逊效应和傅立叶效应）也会对元件产生相应的影响。但在实际计算中，一般只需要考虑珀尔帖效应、焦耳效应以及热传导对总制冷量的影响。
（1）由于焦耳效应造成的热端热量由公式(2-2)所决定：
（2-2）
公式中R为元件的电阻值，I为电流值
从热端到冷端的传导热由公式(2-3)所决定：
（2-3）
其中，K为半导体制冷器导热率，T1、T2分别为半导体制冷器在散热端和制冷端的温度值。
因此对于半导体制冷器总吸收或放出的热量分别由公式(2-4)和公式(2-5)决定：
（2-4）
（2-5）
如图2-1为半导体热电单元制冷原理图:
图2-1 半导体热电单元制冷原理
由图2-1为半导体热点单元制冷原理图可见，通过给电路外加直流电压，电流沿着逆时针方向运动，因而电子沿着顺时针方向从电源负极到达电源正极。由于P型半导体中载流子主要以空穴为主，所以在P型半导体中，空穴的运动方向与电子相反，与电流流向相同。又因为空穴在金属中所具有能量低于在P型半导体中所具有的能量，当空穴受到电场力的作用由金属片A通过结点3到达P型半导体时，必须增加一部分能量，只有从金属片A处吸收能量，这部分能力将转化为空穴的势能，由于以上的原因，实际的表现为金属片A处的温度降低，即吸热制冷。随后当空穴沿P型半导体经结点4流向金属片B1时，由于P型半导体中空穴能量大于金属B1中空穴的能量，空穴将把多余的势能以热能的形式释放出来，实际的表现为金属片B1处温度升高，即散热。
图2-1中右半部分的电路图可见N型半导体分别与金属片A和金属B2相连。由于N型半导体中载流子主要以电子为主，当电子受到电场力的作用时，将通过金属A经过接点2到达N型半导体，由于电子在金属中的势能低于在 N 型半导体中所具有的势能，因此，电子必然要从金属片A处吸收势能，实际表现为金属片A处温度降低。而当电子从N型半导体沿着顺时针方向流向金属片B2时，电子释放势能，金属片B2处温度升高。
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