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半导体制冷器的高精度温度控制系统.doc
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半导体制冷器的高精度温度控制系统.doc
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摘要
随着信息时代的到来,传感器技术得到了快速开展,其应用领域越来越广
泛,对其要求越来越高,需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科
学技术开展水平的重要标志之一。随着人们生活水平的提高,智能化的液体加
热制冷类家电越来越多地出现在人们的日常生活中,这些产品大多采用发热管
或 PTC 热敏电阻进展加热,仅仅具有加热功能; 而使用半导体制冷片可以具备
加热和制冷双重功能, 但缺陷是传统的半导体制冷片的方向控制大多使用继电
器来完成,继电器属于机械式开关,当频繁导通或关断时不仅会发出噪音,而
且还会降低其使用寿命。 因此,有必要探索一种高效、静噪、平安的半导体制
冷片控制方法。本设计将 H 桥驱动电路引入半导体制冷片进展控制,通过控制
H 桥的通断方向来控制半导体制冷片的加热和制冷,从而实现控温。
关键词: 传感器;TEC;H 桥
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1、系统方案设计
本 系 统 分 为 MCU , 温 度 显 示 , 温 度 控 制 , 温 度 采 集 , 本 系 统 采 用
STC12C5A16S2 作为核心芯片,使用 TEC1-12706 半导体制冷片作为核心加
热制冷与案件,采用 DS18B20 温度传感器采集温度,通过上位机和单片机通
讯,上位机可以显示实时温度值,并且可以进展温度设置,半导体制冷片控制
局部采用 H 桥驱动控制电路进展电压翻转,H 桥的导通和截止采用三极管开关
电路进展控制,从而到达加热和制冷的自动控制目的。
PC 机显示温度、 温度控制
设置温度 RS232 PWM
·······
加热制冷
温度采集
图 1 系统构造
1.1 微型控制单元
MCU 采用宏晶 STC12 系列单片机,其工作电压为 5.5-3.5V,是高速/低
功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机,指令代码完全兼容传统 8051,但速度
快 8-12 倍,本单片机晶振频率为 22.184MHz,本系统 PWM 的时钟源是
Fosc,不用 Timer,PWM 的频率为 Fosc/2,此单片机完全能够满足本系统的
设计要求。
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STC12C5A16S2
DS18B20
TEC
H 桥
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1.2 TEC12706 半导体制冷片
TEC(Themoelectric cooling modules)即半导体制冷器,它的工作原理
是基于珀尔贴效应(J.C.A.Peltier 在 1834 年发现),即当电流以不同方向通过双
金属片所构成的结时能对与其接触的物体制冷或加热。两个电偶臂分别用 P 型
和 N 型半导体材料制成,然后上下分别用金属桥连接,由于电子在金属中的能量
要低于在 N 型半导体中的能量,故在 P 型电偶臂和 N 型电偶臂两端加上电压后,
电子从金属流到 N 型半导体需吸收能量,而从 N 型半导体流到金属中需放出能
量,这样 a 端是电子从金属流向 N 型半导体,故为吸热端,而 b 端是电子从 N 型半
导体流向金属故为放热端;反之,当在电偶臂两端加上反向电压时,此时 a 端那么
为放热端,而 b 端那么为吸热端。由此可知,假设将 a 端与某物体接触,通过改变
回路中电压极性和电流的大小即可以实现对物体的制冷与加热。
图 2 TEC 构造
1.3 DS18B20 数字温度传感器
DS18B20 温度传感器是 DALLAS 公司生产的 1-Wire,即单总线器件,
只需要一条口线通信,多点能力,简化了分布式温度传感应用,无需外部元件,
可用数据总线供电,电压围为 3.0 V 至 5.5 V,无需备用电源,测量温度围为-
55 ° C 至+125 °C,-10 ° C 至+85 °C 围精度为±0.5 °C。温度传感器可编
程的分辨率为 9~12 位,温度转换为 12 位数字格式最大值为 750 毫秒,用户
可定义的非易失性温度报警设置,应用围包括恒温控制,工业系统,消费电子
产品温度计,或任何热敏感系统。
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2、硬件设计
2.1 硬件功能划分
上位机执行机构
控制器
通讯被控
对象
检测机构
图 3 硬件功能划分
2.2 温度采集
本系统采用单片机 P2.6 口作为 DS18B20 的数据输入端口
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PC 机
STC12 单片机
TEC
制冷片
驱动电路
检测电路
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gjmm89
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