《半导体制冷温度控制系统》
本科生实习报告
实习类型 综合实习（专业电子实践）
题 目 半导体制冷温度控制系统
学院名称 信息科学与技术学院
专业名称 信息工程（电子方向）
学生姓名
学生学号 ************/************
指导教师
实习地点 5721
实习成绩
二〇一五 年 九 月 二〇一五 年 九 月
目录
一、系统设计框图 ...................................................................................................................................... 2
二、系统设计方案 ...................................................................................................................................... 2
2.1 、方案选择 .................................................................................................................................. 2
2.1.1、半导体制冷芯片的选择 ................................................................................................ 2
2.1.2、温度传感器的选择 ........................................................................................................ 3
2.1.3、单片机的选择 ................................................................................................................ 3
2.2、系统框图 .................................................................................................................................... 3
三、系统原理图及工作原理 ...................................................................................................................... 4
3.1、系统原理图 ................................................................................................................................ 4
3.2、系统工作原理 ............................................................................................................................ 4
四、系统设计步骤 ...................................................................................................................................... 5
4.1、电路设计 .................................................................................................................................... 5
4.1.1、TLC5615转换器接口电路 ............................................................................................. 5
4.1.2、半导体制冷片驱动电路 ................................................................................................ 5
4.1.3、显示和键盘电路 ............................................................................................................ 6
4.2、PCB设计 ..................................................................................................................................... 7
4.2.1、顶层设计 ........................................................................................................................ 7
4.2.2、底层设计 ........................................................................................................................ 7
五、系统程序设计 ...................................................................................................................................... 8
5.1、单片机程序设计框图 ................................................................................................................ 8
5.2、温度采集程序 ............................................................................................................................ 8
5.3、温度设定及显示 ........................................................................................................................ 9
5.4、温度显示 .................................................................................................................................. 10
5.5、PID控制及D/A转换程序 ....................................................................................................... 14
1
半导体制冷温度控制系统
摘要：本文设计的温控系统包括单片机系统，温度测量系统，温度的输入和显示，以及半导体制冷器的功率驱动这几个部分。温度测量系统指的是通过温度传感器读取目标系统的当前温度，这里采用的是数字式的温度传感器，易于单片机读取测量值。单片机是整个温控的中央处理器，温度控制算法是在单片机中进行的。将测量到的当前温度值输入到单片机，再通过比例积分微分控制算法的运算，就可以得到要输出的控制量。单片机计算出的控制量要通过半导体制冷器的功率驱动电路才能驱动半导体制冷器工作。首先要将控制量经过数模转换成模拟的电压量，然后通过半导体制冷器的驱动电路，将可变的电压量转换成可变的电流量驱动半导体制冷器的正常工作，完成温度控制的目的。温度的输入模块是为了能够方便的调节目标温度，显示模块则是为了能够实时地显示目标系统的当前温度。
本设计介绍的温控系统中，控制算法是一个非常重要的部分。这里采用广泛使用的经典控制算法——比例微分积分算法。它的优点是:结构简单，实用，价格低，控制效果好。
关键词：半导体制冷器 温度控制 比例积分微分 单片机
2
一、系统设计框图
如上图所示，该系统主要由单片机系统，温度测量电路，温度的输入和输出显示，以及半导体制冷器的驱动电路组成。
温度测量电路通过温度传感器，读取当前系统的实时温度，经过单片机分析后，进行相应的处理，发出控制信号，然后通过驱动电路控制半导体制冷器工作。
二、系统设计方案
2.1 、方案选择
2.1.1、半导体制冷芯片的选择
从TEC的制冷功率以及最大温差等多个参数为依据对TEC芯片进行考虑。常用的TEC一级制冷芯片如TEC1—12706T125，它的制冷效果只能将目标系统的温度降到比室温低20℃，很难提高制冷效果。就现有数据表明，在实际应用中，我们设计的系统要考虑最大温差和制冷量，这样能使我们设计的系统有更大的实用空间。而另外一款TEC芯片--TEC2-25504，它虽然是二级的半导体制冷芯片，当通过TEC的电流达到3.75A时，在使用风冷散热条件下，整个系统能达到最好的制冷效果，目标系统温度可以降到比室温低35℃。而且它的价格还比前者要低，在此本文的设计就采用这种制冷芯片。
基于半导体制冷技术的恒温控制仿真
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基于半导体制冷技术的恒温控制仿真
作者：李婷 孙海义
来源：《计算技术与自动化》2018年第02期
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摘要：基于半导体制冷技术，针对航天、军事、医疗、生物制品、车载等特殊有限工作空间的独特需求，设计了体积小、成本低、性能高、结构合理紧凑、功耗低且节能环保的微型半导体温控箱箱体，并对温控箱的温度及变化速率等各种参数能够实时精确控制，为高性能生物制剂、功能材料等的实验室制备方法以及性能研究提供技术支撑。本文选用TEC-12706半导龙源期刊网
体制冷片并进行了半导体制冷原理进行验证实验。半导体恒温箱采用强制对流方式，提高了储藏室空气之间的热交换率，由此在距离储藏室内胆一定距离的三维空间区域形成一个恒温控制区，该区域内温度均匀无差异，且能迅速响应半导体片的温度切换。仿真表明，该系统具有结构简单、控制精度高、可靠性好、性能稳定等优点，具有广泛的应用前景。
关键词：半导体制冷;恒温控制;强制对流;热交换;
中图分类号：TB657
文献标识码：A
1 引言
近年来，随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，国内外对于测温系统的研究越来越深入，恒温箱被广泛应用于医疗保健、智能家居、工农业生产、航天科研等领域[1-2]。半导体制冷也叫温差制冷、热电制冷或电子制冷，是利用“塞贝克效应”的逆效应一“珀尔帖效应”进行制冷[3]。其结构简单、工作环境要求很低、无制冷工质、无机械部件、无振动、可做到很长寿命，制冷迅速，而且交换电流方向即可实现制冷或制热，调节电流大小即可控制冷量输出，改变电臂大小及温差电对的排布方式，就可满足各种不同需要，制成大到千瓦级的空调，小到冷却红外探测器件的毫瓦级的微型制冷器。
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半导体制冷技术理论简介
半导体制冷技术理论简介
半导体致冷亦称电子致冷也叫温差致冷，是由半导体所组成的一种冷却装置，於1960年左右才出现，然而其理论基础帕尔帖效应可追溯到19世纪。如图：
这是由 X 及 Y 两种不同的金属导线所组成的封闭线路，通上电源之後，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高，这就是著名的帕尔帖效应。它是建立在帕尔帖效应的原理基础上，这个古老的温差电现象早在19世纪初期帕尔帖就发现铋—锑组成的热电偶，帕尔帖效应很显著。塞贝克也收集了少量的半导体材料，都因温差电动势，数值小，无实用价值。因此，帕尔帖效应发现后的一百多年里，这个效应一直无法到应用。
直到本世纪五十年代，苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究，于一九五四年前发表了研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好的致冷效果。这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差致冷中半导体材料的一种主要成份。约飞的理论得到实践应用后，有众多的学者进行研究到六十年代半导体致冷材料的优值系数，达到相当水平，才得到大规模的应用，也就是我们现在的半导体致冷器件。
我国半导体致冷技术始于50年代末、60年代初。当时在国际上也是比较早的研究单位之一。60年代中期，半导体材料的性能达到了国际水平，60年代末至80年代初是我国半导体致冷器技术发展的一个台阶。在此期间，一方面研究半导体致冷材料的高优值系数，另一方面拓宽其应用领域。中国科学院半导体研究所投入了大量的人力与物力，获得了半导体致冷器。因而才有了现在的半导体致冷器的生产及其二次产品的开发和应用。
半导体致冷器件结构示意图：
半导体致冷原理简述
1、半导体致冷的原理：把一个N型和P型半导体的粒子用金属连接片焊接而成一个电偶对。当直流电流从N极流向P极时，2.3端上产生吸热现象，此端称冷端而下面1.4端产生放热现象，此端称热端如果电流方向反过来，则冷热端相互转换。由于一个电偶产生热效应较小（一般约 IKcal／h）所以实际上将几十。上百对电偶联成的热电堆。 所以半导体的致冷即一端吸热一端放热，是由载流子（电子和空穴）流过结点，由势能的变化而引起的能量传递，这是半导体致冷的本质。
什么叫半导体制冷
什么叫半导体制冷
半导体制冷是一种利用半导体材料的热电效应来实现制冷的技术。在半导体材料中，当电流通过时，会在热电偶效应的作用下产生温度变化。利用这种效应，可以将热量从一个地方转移到另一个地方，从而达到制冷的效果。
工作原理
半导体制冷装置通常由一个热电靶和一个冷却器组成。当外加电压通过热电靶时，热电效应使得靶子一侧变热，而另一侧则变冷。这样就实现了热量从一侧转移到另一侧的目的，达到了制冷的效果。
应用领域
半导体制冷技术在许多领域有着广泛的应用。比如在电子元器件的冷却、医疗设备的制冷、红外探测器的工作温度控制等方面都有着重要的作用。随着半导体技术的不断发展，半导体制冷技术也在不断完善和应用扩展。
优点
相比传统制冷技术，半导体制冷具有一些明显的优点。首先，半导体制冷设备体积小、重量轻，具有更高的灵活性和可移动性；其次，半导体制冷无需使用冷却剂，对环境友好；另外，半导体制冷技术响应快速，控制精度高，具有较好的节能效果。
发展趋势
随着科学技术的不断进步，半导体制冷技术将会继续得到发展和应用。未来，随着人们对节能环保技术的需求不断增加，半导体制冷技术将有望在更多领域得到广泛应用和推广，为人类社会带来更为便捷和舒适的生活。
基于STM32F103的小型半导体制冷系统的设计
基于STM32F103的小型半导体制冷系统的设计
摘要：本文通过对半导体制冷技术的制冷原理进行分析，以STM32F103为控制芯片，采用PID闭环控制策略，设计了一套小型半导体制冷装置，系统实验表明，通过对半导体通入电流进行PID闭环控制，实现了温控系统的高精度温度控制。
关键词：半导体制冷、恒温控制、PID闭环、STM32F103，
1. 引言
半导体制冷也称热电制冷、温差电制冷，其基本原理是利用珀尔帖效应，即利用特种半导体材料构成P-N 结，形成热电偶对，当通过直流电流时，热电偶对的一端就会吸收热量（称为冷端），而另一端则放出热量（称为热端）。如果在冷热端安装散热装置，热端就能够将热量输出，从而可以将空间热量转移，达到制冷的目的。
半导体制冷的制冷温度和半导体制冷片的工作电压和工作电流有关，同时也与半导体冷热端的散热效果有关，本研究所设计的基于STM32F103的半导体制冷系统，是通过对输入半导体的电流进行调节温度变化的，实现了的小型系统进行了制冷控制。
2.硬件控制平台设计
基于STM32F103的半导体制冷恒温控制系统总体框图如图1所示，主要由STM32为核心的控制系统，采样电路，AC/DC控制单元，制冷部分。
半导体制冷部分采用C1206型平面制冷芯片，最大工作电流可达到6A，最大功率达到72W。控制系统采用STM32F103，该控制芯片自带AD转换功能和PWM控制单元，通过采集的温度和电流信号，经过STM32F103内部的计算，可以直接通过输出的PWM通过驱动电路控制功率变换电路，操作方便。
采样电路包括AC/DC输出电流采样和温控对象的温度采样。为了能够使温控对象的温度控制更为精确，需要对恒温箱内部的温度进行高精度的测量与数据采集，设计的控制系统温度采集采用的是分布式温度采集的方式，通过在温控对象内部不同的位置部署多个温度采集点，并将各采集点采集到的温度数据进行汇总，经过数据融合与处理之后，形成温控对象内部的最终测量温度。
帕尔贴效应半导体制冷
帕尔贴效应半导体制冷
一、帕尔贴效应的基本原理
帕尔贴效应，也被称为热电效应，是一种由于电荷载体在不同材料之间的转移而产生的热能与电能相互转换的现象。这一现象是由法国物理学家皮尔兹在1834年发现的。帕尔贴效应是热电转换的三种基本效应之一，另外两种分别是塞贝克效应和皮尔兹效应。
帕尔贴效应主要表现在两种不同金属的连接处，当这个连接处受到温度梯度（即温度在不同方向上改变）的影响时，会产生电动势。这个电动势的大小与连接处的温度梯度成正比。简单来说，就是当两种不同的金属之间存在温度差时，帕尔贴效应会使其中一种金属产生电子流，从而使另一种金属产生相反的电流。
二、半导体制冷的工作原理
半导体制冷，也被称为热电制冷或温差电制冷，是利用帕尔贴效应实现制冷的一种技术。半导体制冷系统主要包括一个P型半导体和一个N型半导体，当直流电通过这两个半导体时，会在其连接处产生帕尔贴效应，从而实现热能的转移。
具体来说，当直流电通过P型半导体和N型半导体时，P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子会向连接处移动，并在那里释放热量。由于帕尔贴效应的作用，热量会从P型半导体的一侧流向N型半导体的一侧。这样，通过控制电流的大小和方向，就可以实现对温度的精确控制。
三、半导体制冷技术的优缺点
1、优点：
(1)无制冷剂、无机械运动部件，因此可靠性高、寿命长； (2)精确的温度控制：由于半导体制冷依赖于帕尔贴效应，因此温度控制精度高；
(3)结构简单、体积小、重量轻；
(4)维护方便：由于没有制冷剂和机械运动部件，因此只需要定期检查和清洁连接处即可。
2、缺点：
(1)效率较低：相比于传统的制冷技术，半导体制冷的效率较低；
(2)需要较高的电源：为了实现较高的制冷效果，需要较高的直流电源；
(3)制冷的范围受到限制：由于半导体制冷的制冷范围较小，因此只适用于小型应用场景；
(4)制冷的均匀性较差：由于半导体制冷依赖于帕尔贴效应，因此制冷的均匀性较差。
饮水机半导体制冷原理
饮水机半导体制冷原理
饮水机是我们日常生活中常见的家用电器之一，其制冷系统起到保持饮水温度的重要作用。现代饮水机中常采用半导体制冷技术，这种技术相比传统的压缩机制冷更为节能环保。本文将介绍饮水机半导体制冷的原理及其工作过程。
半导体制冷原理简介
半导体制冷利用半导体材料的物理特性，在电流通过半导体时发生P-N结温差效应，使得一侧冷却、一侧加热的现象。这种技术不需要使用制冷剂，因此更为环保，并且具有体积小、噪音低、寿命长等优点。
饮水机半导体制冷系统组成
饮水机半导体制冷系统由以下主要组件构成： - Peltier电热模块：Peltier电热模块是半导体制冷的关键部件，由多对P型和N型半导体片组成，通电后通过P-N结温差效应进行制冷。 - 散热片：用于散热，将制冷模块产生的热量散发出去。
- 温控模块：监测水温并控制Peltier电热模块的通电时间和频率，以保持设定的饮水温度。 - 风扇：协助散热片散发热量，提高制冷效率。
饮水机半导体制冷工作原理
1. 制冷模式：当温控模块监测到水温高于设定温度时，控制Peltier电热模块通电。通过P-N结温差效应，Peltier电热模块内的一侧吸收热量，另一侧散发热量，实现制冷效果。
2. 保温模式：当温控模块监测到水温低于设定温度时，停止Peltier电热模块的通电，同时散热片帮助保持水温，避免过度制冷。
3. 循环工作：饮水机将不断监测水温，并根据设定值控制Peltier电热模块的工作状态，在制冷和保温模式间循环切换，保持水温稳定在设定值附近。
通过半导体制冷技术，饮水机能够高效、环保地保持饮水温度，为用户提供方便、健康的饮水体验。
总结
本文介绍了饮水机半导体制冷原理及工作过程。半导体制冷技术的应用使得饮水机更为节能、环保，并且具有体积小、噪音低等优点。希望通过本文的介绍，读者能够更加了解饮水机的制冷原理，为选择和使用饮水机提供参考。
基于半导体制冷片的高精度控温电路系统设计
基于半导体制冷片的高精度控温电路系统设计
李丹;蔡静
【摘 要】基于半导体制冷片(Thermo Electric Cooler,TEC)设计了一种高精度控温电路系统.本文详细介绍了TEC的选型方法,设计并实现了以单片机为核心的硬件电路,采用PID软件控制算法优化温控参数.在实验中,选择较大热负载紫铜块作为控温对象进行实验验证,实验结果表明:在室温23℃的情况下,紫铜块的控温范围为-10~40℃,控温精度高达0.01℃.%This paper designed a high-precision
temperature-control circuit system based on TEC.Introduction was made
to the selection method of TEC,realizing a hardware circuit based on
single-chip and using PID software control algorithm to optimize
parameters.In experiment,choosing the higher thermal load copper block
as the temperature control object to do the test verification.The result
shows when the ambient temperature is 23℃,the temperature control
range of the copper block is-10~40℃.The temperature control precision
can be up to 0.01℃.
【期刊名称】《计测技术》
【年(卷),期】2017(037)002
【总页数】4页(P19-21,39)
【关键词】半导体制冷片;选型介绍;控温系统;电路设计
半导体制冷器的原理与使用
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1 / 6 半导体制冷器的原理与使用
1半导体致冷器作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：1 不需要任何致冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体器件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。
2 半导体致冷器具有两种功能，既能致冷，又能加热，致冷效率一般不高，但致热效率很高，永远大于1。因此使用一个器件就可以代替分立的加热系统和致冷系统。
3 半导体致冷器是电流换能型器件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。
4 半导体致冷器热惯性非常小，致冷致热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，致冷器就能达到最大温差。
5 半导体致冷器的反向使用就是温差发电，半导体致冷器一般适用于中低温区发电。
6 半导体致冷器的单个致冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成致冷系统的话，功率就可以做的很大，因此致冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。
7 半导体致冷器的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。通过以上分析，半导体温差电器件应用范围有：致冷、加热、发电，致冷和加热应用比较普遍，有以下几个方面：
8 军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。
9 医疗方面：冷力、冷合、白内障摘除器、血液分析仪等。
10 实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪器。
11 专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。
12 日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱等。
半导体制冷片工作环境温度
半导体制冷片工作环境温度
半导体制冷片是一种新型的电子元器件，它能够实现高效的制冷作用。但是，它的工作环境温度对其制冷效果有着很大的影响。下面就半导体制冷片的工作环境温度进行介绍。
一、适宜的工作环境温度
半导体制冷片的适宜工作环境温度为20℃左右。在这个温度下，半导体制冷片能够发挥最佳的制冷效果。而且，半导体制冷片耐用性也能够得到保证。
二、过高的工作环境温度对半导体制冷片的影响
当半导体制冷片的工作环境温度高于45℃时，半导体温度控制器的温度回路将变得不稳定。这将导致半导体制冷片的制冷效果下降，甚至会出现制冷失效的情况。
同时，过高的温度还会导致半导体制冷片寿命的缩短，严重的话还可能会损坏半导体制冷片。因此，在制冷片的选择和使用过程中，要注意环境温度的控制，避免过高的工作环境温度对制冷效果和耐久性的影响。
三、过低的工作环境温度对半导体制冷片的影响
半导体制冷片在过低的工作环境温度下，可能会出现结冰的情况，使得半导体制冷片的制冷效果变差，严重时甚至导致半导体制冷片的损坏。
而且，低温环境下半导体制冷片的寿命也会受到影响。因此，在使用半导体制冷片时，也要控制好环境温度的低温程度，避免对制冷效果和耐久性的影响。
综上所述，半导体制冷片的工作环境温度是制冷效果和使用寿命的关键因素。要注意控制好环境温度，把握好使用半导体制冷片的条件，以最大限度地发挥其制冷效果和耐久性。
半导体制冷冰箱设计
半导体制冷冰箱设计
半导体制冷冰箱的主要组成部分包括散热器、热电元件、冷藏室和控制系统。散热器用于散发制冷时产生的热量，通常采用铝片结构来提高导热效率。热电元件是半导体材料，常用的有硒铅、硒镓等。冷藏室是用于存放食物的空间，需要具备良好的隔热性能。控制系统用于调节电流和温度，确保冰箱的正常运行。
半导体制冷冰箱的工作过程是这样的：首先，控制系统通过传感器检测到冷藏室的温度。如果温度超过设定值，控制系统会向热电元件提供电流。当电流通过热电元件时，它会在一端吸收热量，使该端温度升高；在另一端释放热量，使该端温度降低。温度降低的一端与冷藏室接触，将其内部的热量吸走，从而实现制冷效果。与此同时，散热器会将制冷时产生的热量散发出去，保持冷藏室的温度稳定。
在半导体制冷冰箱的设计中，需要考虑以下几个因素：
1.散热器的设计：散热器的结构和材料直接影响制冷效果。应选择具有较高导热性能的材料，并合理设计散热片的形状和布置方式，以提高散热效率。
2.热电元件的选择：热电元件的材料、尺寸和电流特性要与冰箱的需求相匹配。应选择热电偶材料的导热性能好、热电效率高的品种，以提高制冷效果。
3.冷藏室的隔热设计：对于半导体制冷冰箱来说，尽量减少冷藏室与外界环境的热量交换是非常重要的。应采用隔热材料，比如聚氨酯等，将冷藏室与外界隔离，减少热量传递。 4.控制系统的优化：控制系统需要准确感知冷藏室的温度，并根据需求调节电流。应选择稳定性好、精度高的传感器，以及控制器具备良好的反馈调节性能。
总的来说，半导体制冷冰箱的设计需要考虑散热器、热电元件、冷藏室和控制系统等多个方面，以实现高效、稳定的制冷效果。随着技术的不断发展，半导体制冷冰箱在节能、环保等方面的优势将更加突出，推动其在家庭和商用领域广泛应用。