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基于太阳能的微型制冷控制系统

摘要：该设计以太阳能光伏电池板提供能量来源,以低成本半导体制冷片TEC1-12706为制冷单元,系统通过开关制冷片个数来达到控制制冷量的目的.系统以STC12C5A08S2单片机为核心,采用温度传感器DS18B20来检测粮库的温度,单片机读取温度值后与设定值比较,并采用PID算法,控制多个电子制冷片的通断,进而控制粮库的温度.系统具有体积小、重量轻,低等优点.

关键词：太阳能；单片机；半导体制冷

中图分类号：TM615；TB657 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2016.12.104

1 课题研究背景及意义

1.1 课题设计背景和目的

低温储藏作为我国粮食储藏工作中一项带有方向性、重要性的技术措施,是当前绿色储粮技术推广的首选方法[1].

低温储粮技术中,冷源的选择极其关键.当前的低温储粮主要有机械压缩式制冷和天然低温储粮.但前者电能消耗大,运行成本高,停机后粮仓内温度容易回升；后者利用天然低温资源如自然通风降温、深井水降温等进行储粮,虽然费用低廉,但可利用时间短,达不到满意的制冷效果,不能大量实施.二者均难以满足绿色储粮“高质量、高效益、低能耗、低污染”的发展要求[2].因此,低温粮仓新冷源的研究与应用必然具有广阔的前景.

我国太阳能资源比较丰富,大部分地区日照充足,能满足低温粮仓的制冷能量消耗.太阳能空调的最大优点在于,冷负荷的需求与太阳能的供给能够保持一致性：当天气越热、太阳辐射越强的时候,冷负荷的需求越大.采用太阳能微型制冷系统,既可以达到粮仓低温效果,又能减少运行成本,而且符合国家提出的节能减排的要求[3].

1.2 太阳能制冷的方式及意义

随着人们节能和环保意识的加深,开发新能源和可再生能源已经成为许多发达国家和发展中国家21世纪能源发展战略的基本选择.太阳能就是一种可再生清洁能源,长期以来一直受到科学家的关注和重视.在太阳能的利用中,太阳能制冷空调是一个极具发展前景的领域,也是当前制冷技术研究中的热点[4-6].

电子制冷是由半导体制冷片（TE）制冷的.它由大量碲化铋PN结组成.当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时,在这个电路中接通直流电流后,就能产生能量的转移,电流由N型元件流向P型元件吸收热量,成为冷端；由P型元件流向N型元件释放热量,成为热端[7-8].文中用到的太阳能制冷方法是电子制冷,采用的是半导体制冷片,制冷效果符合设计要求,且成本低.

1.3 设计的框图及内容

笔者设计的制冷控制系统主要包括硬件设计和软件设计两部分.系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成主电路、数据采集电路、驱动电路、温度显示电路等的设计.软件程序编写主要用来实现对驱动电路控制、温度的检测、温度显示等数据处理功能,见图1.

2 硬件设计中主要器件选型

2.1 单片机

单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器和各种输入输出接口电路的微型计算机,简称单片机.STC12C5A08S2单片机包含处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块.STC12C5A08S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块,可称得上是一个片上系统.图2为STC12C5A08S2单片机的封装图.

2.2 电子制冷片

2.2.1 电子制冷片简介

电子制冷片是制冷系统的核心,其能力和特征决定了制冷系统的能力和特征.电子制冷片具有体积小、重量轻、高功率、低能耗、工作安静无振动、可变频和易于精确控制等特点,是极为理想的移动或者便携的小型热管理系统的首选.

半导体制冷片（TE）也叫热电制冷片,是一种热泵,它的优点是没有滑动部件,可用在一些空间受到限制、可靠性要求高、无制冷剂污染的场合.

半导体制冷片的工作运转是用直流电流,它既可制冷又可加热,通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热,这个效果的产生是利用热电的原理.

2.2.2 制冷片的选择

制冷器的选择应考虑以下6点.

1）被冷却物体所欲达到的温度.

2）制冷元件的最大电流数值.

3）热负载、被冷却物的发热量和从外部渗入的热量.

4）选取何种散热方式(自然对流的散热、强迫对流的散热或液冷等)以及热端与周围介质的热交换系数.

5）冷端同被冷却物体间取何种热交换方式(紧密接触或液体循环等)以及热交换系数.

6）冷却速度与达到温度的时间.

半导体制冷粮仓的负荷计算公式为

QT 等于 QB + QA + QP + QM .（1）

式中：QB为粮仓的泄漏能量；QA为开门泄漏能量；QP为粮食散发热量；QM为其他热量.

文中将条件设定为密闭粮仓,在湿度一定的情况下,通过计算制冷量来选择半导体制冷片.粮仓热量主要来自外部,选择粮仓面积为70 m2,制冷高度为1 m,可估算所需制冷量为2 324 W.

根据设计要求可选用的制冷片型号为THC1-12706,所选制冷片对应型号的主要参数有工作

电流为6 A,工作电压为12 V,温度范围为-55~

80 ℃.根据粮仓大小,共选择了10片制冷片.

2.2.3 制冷片的散热

散热管是焊接的矩形截面空心铝管或铜管,空气在散热管中流动,其外表面与半导体制冷片接触,半导体制冷片的另一面与散热片接触,散热片之间通过散热片螺栓组件连接,保温隔板在散热片之间,保温套管套装在散热管两边的管上,用于散热管保温.制冷器风扇通过制冷器风扇螺栓组件固定在U型板上,制冷器风扇的风吹到散热片上,将散热片的热量吹到大气中,防止半导体制冷片过热,U型板通过散热片螺栓组件连接散热片,U型板上的一组孔用于对外连接,固定半导体制冷器.

2.3 太阳能光伏电池

太阳能电池通常由半导体硅材料制成.其作用是把太阳能直接转换为直流形式的电能,是光伏阵列中光电转换的最小单元.由于单个太阳电池的功率极小,因此一般不单独作为电源使用.实际应用中是将许多单个太阳电池经过串、并联组合并进行封装后构成太阳电池组件使用.光伏阵列就是由许多太阳电池组件经过相应的串、并联后构成.

第106页图3中的硅电池是基体材料为P型单晶硅,厚度在0.4 mm以下.上表面层为N型层,是受光层,它和基体在交界面处形成一个PN结.在上表面上加有栅状金属电极,可提高转换效率；另外,在受光面上,覆盖着一层减反射膜,它是一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜,用以减少入射太阳光的反射,使太阳电池对入射光的吸收率达到90%以上.太阳能电池的等效电路见图4.

针对低温储藏的粮仓,选择太阳能电池主要考虑到制冷量和半导体制冷片的实际效率.制冷量将在硬件电路设计中讨论并进行计算,根据实际综合情况来进行太阳能电池的选择.

2.4 温度传感器

DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1－Wire,即单总线器件,主要用它来组成一个测温系统,具有线路简单的特点,一根通信线,可以连接很多这样的数字温度计,十分方便（见图5）.在温度传感器的封装引脚图中,GND为地信号；DQ为数据输入/输出引脚,开漏单总线接口引脚,当被用在寄生电源下,也可以向器件提供电源；VDD为可选择的VDD引脚,当工作于寄生电源时,此引脚必须接地.

3 系统总体硬件设计方案

单片机应用系统的硬件电路设计就是为单片机温控系统选择合适的、最优的系统配置,即按照系统功能要求配置电路,如按键、数码管、器件合适的接口电路等.

该系统的硬件电路主要包括模拟部分和数字部分,系统功能由硬件和软件两大部分协调完成.硬件部分主要完成制冷片的驱动,传感器信号的采集处理,温度的显示等；软件部分主要对驱动电路的控制和采集的温度信号进行处理及数码管显示等.

在硬件设计中遇到的主要问题是如何将太阳能电池加到半导体制冷片上,在这个问题上有4种方案.第一种方案是用一个升压电路连接蓄电池,对蓄电池充电,然后将蓄电池端电压加到半导体上,驱动半导体进行工作,但由于功率在前面损耗过多,以至于半导体制冷片只是发热,并不能达到预期的制冷效果.第二种方案是去掉升压电路和蓄电池部分,直接用太阳能电池的端电压驱动制冷片工作,但太阳能电池内阻相对于半导体制冷片来说太大,能量损耗在了太阳能电池内阻上,效果也不理想.第三种方案是加入恒流源电路,控制半导体制冷片的电流,但因直接和太阳能电池相连,同样的原因,再次被否定.第四种方案是利用现在电路中的IR2103对电路进行驱动,这次完全避免了以上两个缺陷,得到了符合设计要求的电路[9-10].

4 系统软件设计

4.1 温度控制PID算法

系统中采用温度传感器DS18B20来检测环境温度,当环境温度超过设定值时,单片机经比较后,采用PID算法进行温度控制.

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容.它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小.当采样周期相当短时,可以用求和代替积分,用差商代替微分,即做如下近似变换

一个应用系统要完成各项功能,首先必须有较完善的硬件作保证,同时还必须得到相应设计合理的软件的支持,采用与STC51系列单片机相对应的51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程.

温度子程序是针对检测的模拟信号转化为数字信号,送入到单片机进行控制的.程序中应有延时程序来保证信号的稳定性,锁存一定时间的温度进行显示.

4.2 温度采集显示程序

数码管动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起,由位选线控制哪一位数码管有效.这样一来,就没有必要每一位数码管配一个锁存器,从而大大地简化了硬件电路.选亮数码管采用动态扫描显示.所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选,利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用,使人感觉各位数码管同时都在显示.动态显示的亮度比静态显示要差一些,所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的限流电阻.

4.3 系统主程序

单片机在编程时,需要先确定完成的具体内容,再根据内容写出程序流程图,最后依据所写流程图进行编程.

此节要根据各个电路模块的功能写出总体流程图.基于太阳能微型制冷控制系统,主要模块有单片机控制模块、电源供给模块、驱动模块、采样模块和显示模块.

根据上文,主程序开始到调用温度子程序,还有初始化及中断程序,再到各个具体的子程序.

5 结论

该设计本着方便、实用性、易于扩展的指导思想,采用STC12C5A08S2为处理器加上各种电路构成了整个单片机控制系统.在设计中运用温度传感器采集温度,通过转换、处理与设定值进行比较,得到控制信号用以控制粮仓的温度,实现了粮仓温度显示和控制功能.

参考文献：

[1] 争鸣,刘建政,孙晓瑛,等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005．

[2] 彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京:高等教育出版社,1996．

[3] 谢自美.电子线路设计实验测试[M].武汉:华中理工大学出版社,1992．

[4] 李先允,姜宁秋.电力电子技术[M]:北京:中国电力出版社,2006.

[5] 罗会龙,王如竹.太阳能制冷低温储粮研究[J].上海交通大学学报,2006,40(2):47-48.