基于H橋驅動電路的半導體制冷片恒溫器設計

華北水利水電大學 陳光輝 賈校磊

基于H橋驅動電路的半導體制冷片恒溫器設計

華北水利水電大學 陳光輝 賈校磊

本設計以STC89LE52AD單片機和半導體制冷片為核心，采用H橋驅動電路的核心方法，輔以微處理器模塊、鍵盤模塊、溫度采集和顯示模塊。根據傳感器采集的溫度與預設溫度間的對比結果，結合“弱電控制強電”的思想，控制半導體制冷片TEC1-12706的工作狀態，實現自動恒溫功能。

單片機；半導體制冷片；H橋驅動電路；恒溫

1.引言

1834年，法國科學家帕爾貼發現了熱電制冷和熱電制熱現象－帕爾貼效應。20世紀50年代末期，隨著半導體材料技術的大力發展，解決了早期系統制冷效率低的問題，特別是美，英，日等發達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[1]。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[2-3]。

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。原理如圖一所示，把P型半導體和N型半導體連成熱電偶對回路，在回路兩端加上直流電源，在外電場作用下，P型半導體需要從環境中吸收熱量實現空穴的能級躍遷，空穴在電場作用下在P型半導體內的定向流動，空穴流到達P型半導體另一端后釋放能量進入到金屬片中;而N型半導體中的情況與P型半導體的情況相反，若外電場使回路中載流子定向流動循環下去，就會使上部空間溫度降低，形成冷端，下部空間溫度升高，形成熱端[3]。綜合考慮，選用的半導體制冷片型號：TEC1-12706。

圖一 半導體制冷原理圖

3.H橋驅動電路原理

通過單片機控制兩個開關管的通斷，使流過制冷片電流方向發生改變，實現制冷或制熱的功能。原理如圖二所示。因流過制冷片的電流較大，而且需要頻繁的開關，所以選擇過流能力強,噪聲低,壓降小，中高頻特性較好的場效應管作為開關管。

圖二 H橋驅動電路原理圖

4.硬件系統設計

在系統啟動后，通過鍵盤模塊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預設溫度區間內，根據判斷結果控制制冷片的工作狀態，從而實現自動恒溫。同時，通過譯碼電路和數碼管來顯示當前的溫度值。

圖三 系統框圖

4.1 微處理器模塊

選用STC89LE52AD單片機作為主控MCU。有定時器，中斷等片上資源，可以直接驅動數碼管，繼電器等，并且P1端口有自帶的數模轉換器，可以直接和DS18B20數字型溫度傳感器相連。

4.2 溫度采集和顯示模塊

溫度采集選用DS18B20數字型溫度傳感器。其具有獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條線即可實現微處理器與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。除此之外，它還具有功耗低，反應快，精度高，可靠的特點。顯示模塊采用3位的數碼管顯示。

4.3 鍵盤模塊

鍵盤模塊的功能是確定操作面板是否有鍵按下，并保存下鍵值。為消除誤判造成重復讀取一個鍵值，在軟件設計時進行防抖處理。

4.4 自動恒溫模塊

單片機控制H橋驅動電路可以實現半導體制冷片制冷和制熱功能。如果當前溫度小于預設溫度，單片機自動控制H橋驅動電路實現半導體制冷片的制熱功能，然后實現恒溫;如果當前溫度大于預設溫度，單片機自動控制動電路實現半導體制冷片的制冷功能，最后實現恒溫。如果環境溫度發生變化，單片機通過溫度傳感器采集的溫度與預設溫度的比較，自動控制H橋驅動電路實現半導體制冷片制冷和制熱功能，從而使系統溫度恒定。

5.軟件系統設計

系統啟動后，經過初始化，開始正常工作。首先通過鍵盤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,并送數碼管處實時顯示。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。當溫度受環境變化而提高或降低時，單片機控制H橋驅動電路實現半導體制冷片制冷和制熱功能，從而使系統溫度恒定。

圖四 系統流程圖

6.結論

本設計采用STC89LE52AD單片機作為主控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H橋驅動電路對半導體制冷元件進行控制，實現自動恒溫功能。該系統與傳統的傳統的恒溫箱相比，解決了傳統繼電器控制的噪音及壽命問題。同時具有安全，便捷，無噪音，無污染，壽命長，維修方便,啟動快，控制靈活等特點[5]，在醫療，軍事，農業和家庭中有廣泛的用途。

[1]宣向春,王維揚.錐狀電臂半導體制冷器工作參數的理論分析[J].半導體技術,2000,25(2):29-31.

[2]唐紅民,廖勝等.CCD芯片熱電制冷的非穩態傳熱研究[J].制冷學報,2009,30(6):52-56.

[3]Singh A,Ghosh A.A themoelectric model of material re-moval during electric discharge maching[J],International Journal of Machinetools and Manufacture,1999,30:669-682.

[4]徐德勝.半導體制冷與應用技術(第二版),1-26.

[5]陳振林,孫中泉.半導體制冷器原理及應用[J].微電子技術,1997,27(5): 63-65.

陳光輝（1996-），本科，專業：電子科學與技術。

賈校磊（1996-），本科，專業：電子科學與技術。