半導體制冷技術的小型冷熱箱設計

1、引言
1834年，法國科學家帕爾貼發現了熱電制冷和制熱現象－帕爾貼效應。半導體制冷是利用“帕爾貼效應”達到制冷目的。20世紀50年代末期，隨著半導體材料技術的快速發展，解決了制冷效率低的問題，特別是美，英，日等國家在這一領域做了大量的研究。60年代末熱電制冷即已達到實用化階段。因其具有結構簡單，無噪聲，無污染等優點，自其出現以來便廣泛用于航空，航天，紅外探測，醫療設備等領域。隨著技術的不斷進步，半導體制冷技術已開始廣泛地應用于電冰箱，空調及其他一些制冷設備中。
2、半導體制冷原理
利用連接在一起的N型和P型半導體之間的“帕爾貼效應”進行能量交換實現制冷或制熱。原理如圖1所示。

圖1半導體制冷原理圖
電熱效應分別表現為可逆的塞貝克，帕爾貼和湯姆遜以及不可逆的焦耳和傅里葉效應五種不同的效應組成。根據五種效應能量得失關系，由能量守恒定律可以得到制冷量Q0和制冷效率η與電流和溫差的關系式如下：

3、硬件系統設計
硬件系統主要有人機交流的輸入模塊、溫度采集系統、控制用的單片機、顯示模塊和半導體制冷片組成。如圖2所示。

圖2系統框圖
在系統啟動后，手動預設一個溫度值，同時單片機不斷從溫度傳感器采集出當前溫度并判斷溫度是否處在初設溫度區間內，根據判斷結果控制制冷片的工作狀態，從而控制當前溫度。同時，用數碼管來動態顯示具體的溫度值。
4、微處理模塊
選用有定時器、計時器和中斷等片上資源的STC89LE52AD單片機作為主控MCU。P1端口有8位自帶的模數轉換器。采用11.0592MHz的晶振，運算速度大約1.1μs，能夠適用一般的應用。
4.1按鍵設計模塊
按鍵設計模塊應用中斷的方式來對初始溫度進行預設，為消除誤判造成重復讀取一個鍵值，軟件設計時進行防抖處理。
4.2溫度采集和顯示模塊
溫度采集選用具有反應快、速度高、功耗低、可靠等特點的DS18B20數字型溫度傳感器。其與單片機連接時僅需要一條線即可實現單片機和DS18B20的雙向通訊。測溫范圍－55℃～＋125℃，完全可以滿足對溫度范圍的要求。顯示模塊采用4位的數碼管實時顯示當前溫度值。
4.3電路驅動和散熱模塊
電路驅動模塊應用“弱電控制強電”的思想。所以采用電磁繼電器。單片機控制三極管來驅動繼電器控制制冷片的工作。散熱模塊選擇水冷散熱。
5、軟件化設計
系統啟動后經過初始化開始正常工作。首先通過按鍵設計模塊設置一個初始溫度t0，然后單片機控制軟件發出指令通過DS18B20采樣讀取溫度t1，并送數碼管實時顯示。
然后將溫度t1和t0進行比較。如果t1>t0，單片機控制半導體制冷片TEC1-12706進行制冷；如果t1<t0，單片機控制半導體制冷片TEC1-12706進行制熱。流程見圖3。

圖3系統流程圖
6、結論
本設計采用單片機STC89LE52AD作為主控MCU，使用制冷片TEC1-12706作為核心溫度加熱或制冷元件。通過DS18B20進行采集溫度，利用電磁繼電器對半導體制冷元件進行控制，達到制冷或制熱的效果。該系統與傳統的傳統的冰箱相比，安全，便捷，無噪音，無污染，啟動快，壽命長，維修方便，控制靈活等。 


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