智能型太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷便攜式冰箱設(shè)計(jì)

徐巧年，馬 軍

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

0 引 言

半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了電子技術(shù)的飛速進(jìn)步，在分立元件和集成電路中也有較為廣泛的應(yīng)用。隨著1834年法國(guó)人珀?duì)柼鰧?shí)驗(yàn)得出電流經(jīng)過(guò)不同導(dǎo)體的接點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生放熱或吸熱現(xiàn)象的珀?duì)柼?yīng)后，半導(dǎo)體技術(shù)制冷成為人們研究的新方向。目前，市面上的家用大型冰箱基本都采用壓縮機(jī)進(jìn)行制冷，制冷溫度可達(dá)-18 ℃，制冷效果較好。但是，由于采用小型壓縮機(jī)，設(shè)備成本較高，不宜搬運(yùn)且戶外不宜取電，限制了其使用范圍。

半導(dǎo)體制冷是利用半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)來(lái)制取冷量，又稱熱電制冷，具有熱電能量轉(zhuǎn)換的特性。珀?duì)柼?yīng)具體指用導(dǎo)體連接兩塊不同的金屬接通直流電后，一個(gè)接點(diǎn)處溫度降低而另一個(gè)接點(diǎn)處溫度升高的現(xiàn)象。由于純金屬的熱電效應(yīng)較小，因此用一個(gè)N型半導(dǎo)體和一個(gè)P型半導(dǎo)體來(lái)代替金屬可增大熱電效應(yīng)。這種制冷新技術(shù)與傳統(tǒng)的制冷方法不同，既沒有制冷劑，又沒有復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備和管路系統(tǒng)，只要給熱電制冷器通電，幾分鐘后會(huì)結(jié)一層雪白的冰霜，既方便又迅速。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能型太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷便攜式冰箱，采用太陽(yáng)能、蓄電池以及220 V市電進(jìn)行供電，核心使用40 W半導(dǎo)體制冷片作為工作原件，用STC89C52單片機(jī)控制溫濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)冰箱溫濕度，進(jìn)行精確溫度控制。此外，冰箱內(nèi)放置了隔熱層，成功阻斷了冰箱內(nèi)外溫度的交換。制冷半導(dǎo)體式冰箱的制冷溫度可降到0 ℃以下，達(dá)到了冷凍的目的。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

智能型太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷便攜式冰箱的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)利用半導(dǎo)體制冷片和鋁制制冷塊實(shí)現(xiàn)制冷。運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量通過(guò)6根銅管傳輸至散熱器，而散熱器底部安裝有風(fēng)扇，通過(guò)風(fēng)扇散熱實(shí)現(xiàn)制冷。箱體內(nèi)外都粘有雙面鋁箔氣泡隔熱保溫材料，以保證達(dá)到更好的制冷效果。箱體內(nèi)部溫濕度通過(guò)溫濕度傳感器測(cè)量顯示在液晶屏上[1]。系統(tǒng)主要由電源模塊、制冷模塊、散熱模塊、控制模塊以及箱體5個(gè)模塊組成，如圖1所示。

圖1 智能型太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷便攜式冰箱設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與選型

2.1 電源模塊

智能型太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷便攜式冰箱的系統(tǒng)電源模塊，有太陽(yáng)能供電、蓄電池供電以及直流12 V電源供電3種供電方式。當(dāng)便攜式冰箱在戶外時(shí)，可以通過(guò)太陽(yáng)能光伏板吸收太陽(yáng)光，經(jīng)光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化后為蓄電池充電，進(jìn)而為冰箱供電。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換電路由控制器、充電模塊、蓄電池以及用電器接口4部分組成[2]。當(dāng)便攜式冰箱在家中或有220 V交流電供電時(shí)，系統(tǒng)采用電源適配器將220 V的交流電轉(zhuǎn)化為12 V的直流電為整個(gè)系統(tǒng)供電，同時(shí)為蓄電池充電。由于冰箱內(nèi)器件模塊均采用5 V直流電供電，因此系統(tǒng)送入的12 V直流電需通過(guò)LM7805穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為5 V直流電，為STC89C52單片機(jī)、DHT11溫濕度傳感器以及液晶顯示器LCD1602等元器件供電。直流12 V轉(zhuǎn)直流5 V電源電路設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2 直流12 V轉(zhuǎn)直流5 V電源電路設(shè)計(jì)原理圖

2.2 制冷模塊

制冷模塊主要由半導(dǎo)體制冷片組成。根據(jù)太陽(yáng)能電池板的規(guī)格參數(shù)和蓄電池的充放電電壓，選用的半導(dǎo)體制冷片的型號(hào)為TEC1-12705。它的正常工作電壓為12 V，最大工作電流為5 A，最大溫差為67 ℃，尺寸為40 mm×40 mm×4 mm。半導(dǎo)體制冷片一般都采用直流電作為電源，可以實(shí)現(xiàn)制冷又可以實(shí)現(xiàn)制熱。通過(guò)改變直流電流的極性可改變制冷片實(shí)現(xiàn)制冷或制熱，最大制冷量為40 W，空載狀態(tài)下15 min內(nèi)可使冰箱內(nèi)溫度降至0 ℃以下。

2.3 散熱模塊

散熱模塊由6根銅管、散熱器以及風(fēng)扇組成。其中，6根銅管起支撐作用和熱量傳導(dǎo)作用。銅管一端連接半導(dǎo)體制冷片，另一端連接散熱器。散熱器上裝載有風(fēng)扇，可以加速熱量流出，更快地產(chǎn)生制冷效果。

2.4 控制模塊

控制模塊主要由STC89C52單片機(jī)、DHT11溫濕度傳感器、LCD1602液晶顯示器以及按鍵組成。其中，STC89C52單片機(jī)是成熟的8位低功耗且高性能的微控制器單片機(jī)，有8 kB程序存儲(chǔ)空間和512 kB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。DHT11溫濕度傳感器的供電電壓為3.3～5.5 V，輸出單總線數(shù)字信號(hào)，濕度的測(cè)量范圍為20% RH～90% RH，溫度范圍為0～50 ℃，濕度的測(cè)量精度為±5% RH，溫度的測(cè)量精度為±2 ℃，濕度的分辨率為1% RH，溫度的分辨率為1 ℃。LCD1602液晶顯示器用來(lái)顯示冰箱內(nèi)的溫濕度，可以顯示上下2行，工作電壓為4.5～5.5 V，工作電流為2.0 mA。按鍵電路可以控制溫濕度上下限[3]?？刂颇K的電路原理如圖3所示，單片機(jī)控制DHT11溫濕度傳感器電路原理如圖4所示。

2.5 箱 體

箱體采用亞克力板，內(nèi)部用雙面鋁箔氣泡材料做隔熱保溫層，正面預(yù)留打孔位置放置LCD1602液晶顯示器和按鍵，背面預(yù)留打孔位置放置風(fēng)扇。箱體內(nèi)分為上下兩部分，上部分為用來(lái)存放需要冷藏食物的儲(chǔ)藏室，下半部分為存放控制模塊、制冷模塊以及散熱模塊的空間。箱體連接處采用密封膠進(jìn)行密封，以保障冰箱的密封性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)選用keil5，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫。仿真應(yīng)用Proteus軟件。打開開關(guān)電源后，系統(tǒng)進(jìn)入初始化狀態(tài)，溫濕度傳感器DHT11開始采集數(shù)據(jù)，同時(shí)半導(dǎo)體制冷片開始工作。溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)比較和數(shù)據(jù)處理后，傳送到LCD1602液晶顯示器進(jìn)行顯示。按鍵可以調(diào)節(jié)設(shè)置冰箱內(nèi)溫濕度的上限和下限，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)能夠使冰箱自動(dòng)停止工作。主控制器可以檢測(cè)電源電路中的電壓和電流，通過(guò)合并計(jì)算并與半導(dǎo)體制冷片的功率相比較，以便及時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電和放電[4]。同時(shí)，蓄電池充電有防過(guò)充措施，當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)，可以自動(dòng)斷開充電，起到保護(hù)蓄電池的作用。系統(tǒng)主程序模塊流程如圖5所示。

圖3 智能型太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷便攜式冰箱設(shè)計(jì)控制模塊電路圖

圖4 單片機(jī)控制DHT11溫濕度傳感器電路原理圖

圖5 系統(tǒng)主程序模塊流程圖

4 結(jié) 論

智能型太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷便攜式冰箱采用半導(dǎo)體制冷片為主要制冷元件，同時(shí)采用太陽(yáng)能供電、蓄電池供電以及220 V市電供電3種供電方式，由單片機(jī)作為主控實(shí)現(xiàn)智能控制?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)測(cè)量證明，它能夠滿足食物存儲(chǔ)的條件，解決了人們自駕游過(guò)程中食物難以有效存儲(chǔ)而變質(zhì)的問(wèn)題，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣性。