半導體車載冰箱的智能溫控系統設計

王千貴，楊永躍

（合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009）

在車載冰箱市場的激烈競爭中，半導體冰箱[1]由于成本低，重量輕，無機械轉動等優點而倍受消費者的青睞。然而市場上銷售的這類冰箱要么功能單一，要么被國外公司所壟斷。這里設計出一套智能溫控制系統，使半導體冰箱不但具有加熱和制冷功能，還能實時顯示調整溫度，具有很強的實用價值。

1 系統硬件設計

文中采用模塊化電路設計方法，主控芯片選擇STC90C516RD+單片機，整個系統由溫度檢測實時顯示模塊，溫度控制模塊，功能鍵盤等模塊所構成。其原理框圖如圖1所示。

圖1 車載冰箱智能溫控系統原理框圖Fig．1 The principle diagram for intelligent temperature control system of car refrigerator

單片機根據DS18B20測得冰箱內的溫度[2]，與設定值相比較，經過PID控制算法調整DA的輸出電壓控制半導體制冷器進行制冷或加熱[3-5]，從而實現需要的溫度，同時有液晶屏實時顯示當前溫度，各主要模塊簡介如下。

1.1 STC90C516RD+單片機與溫度檢測溫度實時顯示模塊

STC90C516RD+單片機是晶宏科技生產的新一代高速低功耗，指令代碼完全兼容8051單片機，具有EEPROM功能，內部集成MAX810專用復位電路，可省專門復位電路的設計。

溫度檢測選用美國DALLAS公司的溫度傳感器DS18B20[6-7]。它具有獨特的單總線接口方式，在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現與微處理器雙向通訊，并且輸入輸出均為數字信號。實際應用中不需要任何外部器件就可實現測溫，這使得其與單片機接口變的非常簡單，克服了模擬式溫度傳感器與單片機接口需要AD轉換及其他外圍電路的缺點。“一線總線”的數字式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性，適合車載冰箱內惡劣環境的現場溫度測量。

主要性能指標：1）測溫范圍-55～125℃，測溫分辨率達到0．062 5℃；2）無需任何外圍元件，可以直接輸出溫度值的9～12位串行數字量；3）溫度最大轉換時間為750 ns；用戶可以設定報警溫度，存放于EEPROM中。

DS18B20可以采用兩種方式供電：寄生電源供電和外部電源供電。為了保證轉換精度和系統的抗干擾能力，這里選用外部電源供電方式。

實時顯示選用液晶顯示屏TDJM1602，能顯示漢字和英文字符。這里選用16字X 1行的顯示類型，可設置為“當前溫度為XX℃”來顯示。溫度檢測實時顯示模塊的電路原理圖如圖2所示。

圖2 溫度檢測實時顯示模塊的電路原理圖Fig．2 Temperature testing and real-time displaymodule circuit principle diagram

1.2 溫度控制模塊

本模塊是智能溫控系統的核心，主要由12位數模轉換器AD7248A，大電流驅動器OPA549，半導體制冷器件TEC1-12706等構成。

AD7248A一種內置放大器和基準電源的12位低功耗并行DA轉換器，其數據輸出建立僅需30 ns，在雙極性供電模式下，能產生±5 V的輸出電壓。考慮到半導體制冷器需要工作在雙極性電壓下，這里選用雙極性工作模式。

由圖1原理框圖可以看出12位DA輸出的電壓要送往半導體制冷器，通過控制流過制冷器電流的大小進而控制溫度。但從數模轉換器輸出的電流驅動能力不強，因此需要加入電流驅動電路。這里選擇大電流驅動集成芯片OPA549，它可以提供峰值10 A連續8 A的驅動電流。本設計采用雙極性供電模式，以配合DA轉換器的雙極性輸出，驅動半導體制冷器加熱或制冷。

基于Peltier效應的半導體制冷器不需要任何制劑，易安裝，無污染源，工作無震動噪音，理論壽命可達30萬小時；既能制冷又能加熱，一個片件就能代替分立的加熱系統和制冷系統；通過輸入電流的控制，可實現高精度的溫度控制；熱慣性非常小，制冷加熱時間快，在較短的時間內就能達到最大溫差。因此它特別適合小熱量，小空間的溫控領域，在車載冰箱，醫療恒溫箱，飲水機等器械中得到廣泛應用，其原理圖如圖3所示。

圖3 半導體制冷器工作原理圖Fig．3 Principle diagram of semiconductor refrigeration system

從圖3我們可以看出改變電流的極性可在制冷和加熱間切換，而吸熱和放熱率則正比于電流的大小半導體制冷器的設定溫度在不同于環境溫度的一定范圍內可調。這里選用半導體制冷器件 TEC1-12706，最大溫差電壓為15．4 V，最大溫差電流為6 A，最大制冷功率為53W。溫度控制模塊原理圖如圖4所示。

圖4 溫度控制模塊原理圖Fig．4 Temperature controlmodule principle diagram

1.3 功能鍵盤模塊

功能鍵盤模塊完成對外用戶鍵盤操作的識別，具有按鍵識別，按鍵值分析功能。按鍵識別操作的功能是確定操作面板上是否有鍵按下，并保存下鍵值。為消除誤判造成重復讀取一個鍵值，軟件設計時考慮進行防抖處理。通過按鍵輸入需要調整的溫度值與單片機檢測到的溫度比較后進行PID控制[8-10]。由于車載冰箱常要求控制箱體溫度在2～25℃，控制范圍有限，這里設計出僅用電源開關，溫度加一，溫度減一，溫度顯示轉換4個按鍵。

2 系統軟件設計

系統復位后開始工作，首先單片機控制軟件發出指令通過DS18B20采樣讀取溫度T1并送液晶顯示屏TJMD1602實時顯示。然后將測量值T1與設定的值T2相比較，其差值T送PID控制器。PID控制器輸出的控制量經數模轉換后變電壓控制量，再經0PA549放大后，控制半導體制冷器件TEC1-12706的工作狀態。TEC1-12706處于加熱還是制冷取決于其上所加電壓的極性。當T1＞T2，其差值大于零，此時輸出電壓為正，制冷器 TEC1-12706 制冷；當 T1＜T2，其差值小于零，輸出電壓為負，制冷器TEC1-12706加熱。溫度采樣—計算溫差—PID調節—信號放大輸出—半導體制冷器周而復始，控制箱體內的溫度在設定的值處附近上下波動。這一過程不斷循環，直至達到設定的溫度。為了更快達到調控效果，在PID控制前加了一段溫差判斷程序。當溫差T大于閾值t時[4]，制冷器全功率制冷；當溫差值T小于-t時，全功率加熱。只有當溫差界于兩者之間時才啟用PID控制。圖4為主程序的軟件流程圖。

3 試 驗

圖5 主程序流程圖Fig．5 Themain program flow chart

購買保溫箱，散熱設備，安裝制冷器TEC1-12706和溫度傳感器DS18B20，利用實驗室的關電源進行供電，對所設計的智能溫控系統進行檢測試驗。制冷試驗中，在30℃的室溫下，1分鐘左右箱內溫度能降到設置的20℃，3min左右溫度能降到設置的10℃，5分鐘左右溫度能降到設置的5℃．雖然DS18B20精度是±0．1℃，但受到保溫散熱環境溫度波動等條件的限制，只能維持在所設定的溫度值±0．5℃。由于TEC1-12706制冷功率有限，箱內很難降到0℃以下，但車載冰箱常用于冷藏而非冷凍的已滿足用戶要求。加熱試驗中，只需要1分鐘左右就能升到最高溫度65℃，這是因為加熱效率遠高于制冷效率。

4 結 論

文中設計的智能溫控系統不但能實現車載冰箱的制冷和加熱，還能實時顯示當前溫度，并且具有一定的控制精度，可在車載冰箱中應用，也能推廣到飲水機，醫療恒溫箱的應用中。

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