半导体制冷技术的小型冷热箱设计

1、引言
1834年，法国科学家帕尔贴发现了热电制冷和制热现象－帕尔贴效应。半导体制冷是利用“帕尔贴效应”达到制冷目的。20世纪50年代末期，随着半导体材料技术的快速发展，解决了制冷效率低的问题，特别是美，英，日等国家在这一领域做了大量的研究。60年代末热电制冷即已达到实用化阶段。因其具有结构简单，无噪声，无污染等优点，自其出现以来便广泛用于航空，航天，红外探测，医疗设备等领域。随着技术的不断进步，半导体制冷技术已开始广泛地应用于电冰箱，空调及其他一些制冷设备中。
2、半导体制冷原理
利用连接在一起的N型和P型半导体之间的“帕尔贴效应”进行能量交换实现制冷或制热。原理如图1所示。

图1半导体制冷原理图
电热效应分别表现为可逆的塞贝克，帕尔贴和汤姆逊以及不可逆的焦耳和傅里叶效应五种不同的效应组成。根据五种效应能量得失关系，由能量守恒定律可以得到制冷量Q0和制冷效率η与电流和温差的关系式如下：

3、硬件系统设计
硬件系统主要有人机交流的输入模块、温度采集系统、控制用的单片机、显示模块和半导体制冷片组成。如图2所示。

图2系统框图
在系统启动后，手动预设一个温度值，同时单片机不断从温度传感器采集出当前温度并判断温度是否处在初设温度区间内，根据判断结果控制制冷片的工作状态，从而控制当前温度。同时，用数码管来动态显示具体的温度值。
4、微处理模块
选用有定时器、计时器和中断等片上资源的STC89LE52AD单片机作为主控MCU。P1端口有8位自带的模数转换器。采用11.0592MHz的晶振，运算速度大约1.1μs，能够适用一般的应用。
4.1按键设计模块
按键设计模块应用中断的方式来对初始温度进行预设，为消除误判造成重复读取一个键值，软件设计时进行防抖处理。
4.2温度采集和显示模块
温度采集选用具有反应快、速度高、功耗低、可靠等特点的DS18B20数字型温度传感器。其与单片机连接时仅需要一条线即可实现单片机和DS18B20的双向通讯。测温范围－55℃～＋125℃，完全可以满足对温度范围的要求。显示模块采用4位的数码管实时显示当前温度值。
4.3电路驱动和散热模块
电路驱动模块应用“弱电控制强电”的思想。所以采用电磁继电器。单片机控制三极管来驱动继电器控制制冷片的工作。散热模块选择水冷散热。
5、软件化设计
系统启动后经过初始化开始正常工作。首先通过按键设计模块设置一个初始温度t0，然后单片机控制软件发出指令通过DS18B20采样读取温度t1，并送数码管实时显示。
然后将温度t1和t0进行比较。如果t1>t0，单片机控制半导体制冷片TEC1-12706进行制冷；如果t1<t0，单片机控制半导体制冷片TEC1-12706进行制热。流程见图3。

图3系统流程图
6、结论
本设计采用单片机STC89LE52AD作为主控MCU，使用制冷片TEC1-12706作为核心温度加热或制冷元件。通过DS18B20进行采集温度，利用电磁继电器对半导体制冷元件进行控制，达到制冷或制热的效果。该系统与传统的传统的冰箱相比，安全，便捷，无噪音，无污染，启动快，寿命长，维修方便，控制灵活等。 


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