【正文】 環(huán)境溫度，當(dāng)環(huán)境溫度超過設(shè)定值時 ，單片機(jī)經(jīng)比較后， 采用 PID 算法進(jìn)行溫度控制。為了便于本設(shè)計(jì)運(yùn)行調(diào)試，復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位方式。外部復(fù)位有上電復(fù)位和按鍵電平復(fù)位。內(nèi)部復(fù)位電路在每一個機(jī)器周期的 S5P2 期間采樣斯密特觸發(fā)器的輸出端，該觸發(fā)器可抑制 RST 引腳的噪聲干擾，并在復(fù)位期間不產(chǎn)生ALE 信號，內(nèi)部 RAM 處于 運(yùn)行 狀態(tài)。 圖 數(shù)碼管與單片機(jī)接口圖 復(fù)位電路 復(fù)位使單片機(jī)處于起始狀態(tài)，并從該 起始狀態(tài)開始運(yùn)行。所謂動態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使 16 人的感覺好像各位數(shù)碼管同時都在顯示。這樣一來，就沒有必要每一位數(shù)碼管配一個鎖存器，從而大大地簡化了硬件電路。缺點(diǎn)是硬件電路比較復(fù)雜，成本較高。當(dāng)送入一次字形碼后，顯示字形可一直保持，直到送入新字形碼為止。 LED 顯示器工作方式有兩種：靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。此電路中用到的器件有八位鎖存器 74HC573 和兩個數(shù)碼管 ， 單片機(jī)用到的接口有 到 和 和 口。大電流的輸出，散熱片的尺寸要足 15 夠大，否則會導(dǎo)致高溫保護(hù)或熱擊穿； （ 3） 輸入輸出壓差也不能太小 ,大小效率很差。從太陽能電池出來的系統(tǒng)供電電源設(shè)計(jì)如圖 所示。由于 DS18B20 是 1﹣ Wire 總線 接口 ， 為了 使一根總線上掛接多個 DS18B20， DS18B20 的數(shù)據(jù)引腳設(shè)計(jì)為漏極開路的三態(tài)門 ， 所以 DS18B20 與控制器連接時數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳 DQ 應(yīng)接上拉電阻，其阻值為 ― ，以保證正常通信的硬件支持。 DS18B20 在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離和分辨率等方面都很不錯 ， 給開發(fā)帶來了方便和令人滿意的效果?？梢苑謩e在 和 750ms 內(nèi)完成 9位和 12 位的數(shù)字量，并且從 DS18B20 讀出的信息或?qū)懭?DS18B20 的信息僅需要一根接口線（單總線接口）讀寫，單總線本身也可以向所掛接的 DS18B20 供電。 V c c VbH i n HoL i n VsG n d LoU6I R 2 1 0 3C20 . 1 μ FD1I N 4 0 0 7R21 0 k+ 1 2 VR31 0 0Q1I R F 5 4 0P 1 . 112J2T E C 1 1 2 7 0 6+ 1 2 VR41P 1 . 2C60 . 1 μ F 圖 驅(qū)動芯片與單片機(jī)接口圖 表 制冷片與對應(yīng)單片機(jī)接口 制冷片編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 對應(yīng)的單片機(jī)接口 溫度檢測 本設(shè)計(jì) 中 溫度傳感器使用的是 DS18B20。 如圖 所示為驅(qū)動采樣電路 。電路采用 IR 公司芯片 IR2103 作為核心驅(qū)動芯片，輸人與單片機(jī)的接口相連，通過開關(guān)原件的通斷來調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動電流。 驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的就是利用何種電路將太陽能電池和制冷片連接起來。 如圖 所示 為系統(tǒng)的整體硬件電路圖。 第三種方案是 加入恒流源電路，控制半導(dǎo)體制冷片的電流，但因與直接和太陽能電池相連同樣的原因，再次被否決掉了。第一種方案 是用一個升壓電路然后連接蓄電池，對蓄電池充電，然后將蓄電池端電壓加到半導(dǎo)體上，驅(qū)動半導(dǎo)體進(jìn)行工作，但由于功率在前面損耗過多，以至于半導(dǎo)體制冷片只是發(fā)熱，并不能達(dá)到預(yù)期的制冷效果。軟件主要完成對驅(qū)動電路的控制和采集的溫度信號進(jìn)行處理及數(shù)碼管顯示等功能。系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)盡可能選擇低功耗產(chǎn)品。由于本設(shè)計(jì)的響應(yīng)時間要求不高，所以有一些功能可以用軟件編程實(shí)現(xiàn)。軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng) 本著以下原則： (1) 盡可能選擇典型電路，并符合單片機(jī)常規(guī)用法。當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。 如圖 所示為溫度傳感器的封裝引腳圖。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通ghR 10 信線，可以 連接 很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。 本設(shè)計(jì)中采用的光伏電池主要參數(shù)如表 所示 。 圖 太陽能電池等效電 路 在針對低溫儲藏中的糧倉時，選擇太陽能電池主要考慮到制冷量和半導(dǎo)體制冷片的實(shí)際效率。相對于串聯(lián)電阻來說，并聯(lián)電阻比較大，一般在 1K 歐以上。 在實(shí)際的太陽能電池中，一般串聯(lián)電阻都比較小，大都在 ～ 3歐之間。上表面層為 N 型層，是受光層，它和基體在交界面處形成一個 PN 結(jié)。光伏陣列就是由許多太陽電池組件經(jīng)過相應(yīng)的串、并聯(lián)后構(gòu)成。由于單個太陽電池的功 率極小 ， 因此一般不單獨(dú)作為電源使用。 太陽能光伏電池 太陽能電池通常由半導(dǎo)體硅材料制成。 制冷片的散熱 散熱管是焊接的矩形截面空心鋁管或銅管，空氣在散熱管中流動，其外表面與半導(dǎo)體 制冷片接觸 ， 半導(dǎo)體制冷片的另一面與散熱片接觸 ， 散熱片之間通過散熱片螺栓組件聯(lián)接 ， 保溫隔板在散熱片之間，保溫套管套裝在散熱管兩邊的管上，用于散熱管保溫。 根據(jù)設(shè)計(jì)中的要求可選用的制冷片的型號為 THC112706， 所選制冷片對應(yīng)的型號主要參數(shù)有工作電流為 6A， 工作電壓為 12V， 溫度范圍為 正溫 80℃到負(fù)溫度 55℃。 這本文中將條件設(shè)定為密閉糧倉，在濕度一定的情況下，計(jì)算制冷量，來選擇 8 半導(dǎo)體制冷片。 圖 半導(dǎo)體制冷片 制冷片的選擇 在制冷器的選擇中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： （ 1)被冷卻物體所欲達(dá)到的溫度； （ 2)制冷元件的最大電流數(shù)值； （ 3)熱負(fù)載，被冷卻物的發(fā)熱量和從外部滲入的熱量； （ 4)選取何種散熱方式 (自然對流散熱、強(qiáng)迫對流散熱或液冷等 )以及熱端與周圍 介質(zhì)的熱交換系數(shù)； （ 5)冷端同被冷卻物體間取何種熱交換方式 (緊密接觸或液體循環(huán)等 )以及熱交換系數(shù)； （ 6)冷卻速度與達(dá)到溫度的時間。 7 （ 7） 半導(dǎo)體制冷片的溫差范圍，從正溫 90℃到負(fù)溫度 130℃都可以實(shí)現(xiàn)。 （ 5） 半導(dǎo)體制冷片的反向使用就是溫差發(fā)電，半導(dǎo)體制冷片一般適用于中低溫區(qū)發(fā)電。 （ 3） 半導(dǎo)體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制 ， 可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)控制，便于組成自動控制系統(tǒng)。 （ 2）半導(dǎo)體制冷片具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，制冷效 率 一般不高，但制熱效率很高，永遠(yuǎn)大于 1。 半導(dǎo)體制冷片（ TE）也叫熱電制冷片，是 一種熱泵，它的優(yōu)點(diǎn)是沒有滑動部件，應(yīng)用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無制冷劑污染的場合。 電子制冷片 具有體積小、重量輕、高功率、低能耗、工作安靜無振動、可變頻和易于精確控制等特點(diǎn)，是極為理想的移動或者便攜的小型熱管理系統(tǒng)的首選。 STC12C5A08S2 單片機(jī)的封裝圖如圖 。 STC12C5A08S2 單片機(jī)中包含中央處理器 (CPU)、程序存儲器 (Flash)、數(shù)據(jù)存儲器 (SRAM)、定時 /計(jì)數(shù)器、 UART 串口、串口 I/O 接口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換、 SPI接口、 PCA、看門狗及片內(nèi) R/C 振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊。單片機(jī)根據(jù)其基本操作處理的位數(shù)可分為 1 32 位單片機(jī)，應(yīng)用最為廣泛的是八位單片機(jī)。單片機(jī)以其較高的性能價(jià)格比受到了人們的重視和關(guān)注。軟件程序編寫主要用來實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動電路控制、溫度的檢測、溫度顯示等數(shù)據(jù)處理功能 。 本 文 設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。 當(dāng)一塊N 型半導(dǎo)體材料和一塊 P 型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對時 ， 在這個電路中接通直流電 4 流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由 N 型元件流向 P 型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由 P 型元件流向 N 型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。 溴化鋰 吸 收式致冷機(jī)是目前比較常用的太陽能致冷機(jī) ， 它就是利用水在低壓真空環(huán)境下的蒸發(fā)進(jìn)行致冷的 ， 應(yīng)用吸收劑溴化鋰溶液極易吸收致冷的特性 ， 通過溴化鋰溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化 (發(fā)生與吸收過程 ) 使致冷劑在一 個 封閉的系統(tǒng)中不斷地循環(huán) ， 達(dá)到致冷空調(diào)的目的 。 現(xiàn)著重研究的是吸收式致冷開發(fā) ， 因?yàn)榇朔N致冷系統(tǒng)所需集熱溫度較低 ， 一般要求 65 90 度即可 ， 這對太陽能來說容易滿足 ， 從設(shè)備制造而言 ， 吸收式致冷也較簡單 ， 投資小 ， 易于家庭接受 ， 而且熱利用率也較高 ， 可達(dá) 。 目前太陽能致冷的方法有許多種主要是壓縮式致冷 ， 蒸汽噴射式致冷和吸收式致冷 。 太陽能制冷一般采用非氟氯烴類物質(zhì)作為制冷劑 ， 臭氧層破壞系數(shù) (ODP) 和溫室效應(yīng)系數(shù) (GWP) 均為零 ， 適合當(dāng)前環(huán)保要求 ， 同時可以減少燃燒化石能源發(fā)電帶來的環(huán)境污染。 而太陽能是取之不盡 ， 用之不竭的。 太陽能制冷具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)。太陽能就是一種可再生清潔能源 ， 長期以來一直受到科學(xué)家的研究和重視。 近幾年，太陽能光伏轉(zhuǎn)化效率有了很大的提高，而成本在逐漸降低，因此，太 3 陽能光 電制冷的應(yīng)用前景會相當(dāng)廣闊。 太陽能熱電制冷主要包括太陽能吸收式制冷及太陽能吸附制冷。實(shí)現(xiàn)太陽能制冷有兩條途徑： (1)進(jìn)行太陽能光電轉(zhuǎn)化，以電能制冷。自 1998 年以來，國務(wù)院大力開展糧食倉儲基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，分三批建設(shè)了 500 億公斤倉 容的國家貯備糧庫，在這些新建成的國家儲備糧庫里配置了國產(chǎn)的谷物冷卻機(jī)裝備。至 1990 年，機(jī)械制冷低溫儲糧技術(shù)已在世界上 50 多個國家和地區(qū)使用，每年采用此技術(shù)儲藏的糧食約 2020～ 2500 萬噸。此外，東南亞的泰 國等也進(jìn)行了機(jī)械制冷低溫儲糧技術(shù)的應(yīng)用研究。從 1959 年至 1970 年間，德克薩斯、依利諾、印地安那、內(nèi)布拉斯加等州陸續(xù)進(jìn)行了高水分玉米和 高粱 的冷卻低溫儲糧試驗(yàn)。1958 年成功地開發(fā)了機(jī)械制冷低溫儲糧專用設(shè)備“糧食冷卻機(jī)”，并開始投入工業(yè)化生產(chǎn)。進(jìn)行低溫儲糧 須在高溫季節(jié)采用制冷設(shè)備對儲糧進(jìn)行降溫或抑制糧溫回升。在絕大部分地區(qū)，冬季可利用自然冷源（干冷的環(huán)境空氣）對倉儲糧食進(jìn)行充分冷卻。 采用太陽能微型制冷 系統(tǒng) ，即可以達(dá)到糧倉低溫效果，又能減少運(yùn)行成本，同時符合國家提出的節(jié)能減排的要求。 我國太陽能資源比較豐富，大部分地區(qū) 日照充足，能滿足低溫糧倉的制冷能量消耗。 隨著社會生產(chǎn)活動的日益發(fā)展，人類對能源需求的日益增加，世界能源危機(jī)日益突出，開發(fā)利用太陽能等清潔能源已經(jīng)成為各國的一個基本共識。二者均難以滿足綠色儲糧“高質(zhì)量、高效益、低能耗、低污染”的發(fā)展要求。 當(dāng)前的低溫儲糧主要有機(jī)械壓縮式制冷和天然低溫儲糧。低溫儲藏作為我國糧食儲藏工作中一項(xiàng)帶有方向性、重要性的技術(shù)措施，是當(dāng)前綠色儲糧技術(shù)推廣的首選方法。 Semiconductor cooling III 目 錄 1 緒論 ...................................................................... 1 課題設(shè)計(jì)背景和目的 .................................................. 1 太陽能制冷國內(nèi)外研究狀況和發(fā)展趨勢 .................................. 2 .......................................................... 2 國內(nèi)的發(fā)展概況 ......................................................... 2 太陽能制冷的研究 ....................................................... 2 ............................................... 3 ..................................................... 4 2 硬件設(shè) 計(jì)中主要器件選型 .................................................... 5 ............................................................... 5 電子制冷片 .............................