半导体制冷片在车载保温箱中的应用

摘要：本文基于HC89F301单片机设计控制半导体制冷片。实现车载保温箱进行加热制冷的硬件电路和软件设计原理，硬件电路主要有电源电路、驱动电路、风扇电路、NTC温度检测和反馈电路、TM1650控制LED显示电路等组成。整个系统结构简单，运行可靠。

关键词：半导体制冷片；温度控制；车载保温箱

引言

伴随着社会的快速发展，人们生活水平有了显著提高，汽车的配套产品正在火热的销售中。但车内被“捂”得发热的饮料和新鲜度欠佳的食品往往让外出野餐的人们失去胃口。因此，购买一台车载保温箱便成了不少有车族的选择。该文提出的半导体制冷片组成的温度控制系统，可以用于小汽车保温箱制冷制热和保温。

1 制冷片原理

半导体制冷片（图1）由许多N型半导体和P型半导体之颗粒互相排列而成，而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路，当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。

2 硬件电路介绍

系统包括了按键输入、 数码管显示、温度测量、半导体制冷片控制回路。

首先采用TM1650芯片 控制数码管显示，如图 3 所示，TM1650是一种数字 LED 驱动器芯片，主要用于控制和驱动7段数码管或者16x8点阵LED显示器。TM1650芯片能够简化数字显示的控制和管理，广泛用于各种数字显示应用，例如数字时钟、温度计、电压表等。TM1650最大的优点是集成度高TM1650集成了数字显示驱动器和键盘扫描器，同时，还包括了控制电路使得整个控制系统的硬件设计更加简化。

78m05 是一个三端口电压稳压器，有三个管脚，输入，接地，输出，前面两个有极电容和无极电容 （Ec2和Ｃ2），前后功能都可以完成滤波，进入的电压通过两个电容滤波整流，有极电容相当于大水池，而有极电容中会有一部分外溢， 而外溢的一部分会被无极电容所吸收，会使滤波更加平滑，由于吸收的是一小部分，所以用无极电容，它所存储的容量较小，78m05输出5V，接后面的电路，在后面的两个电容中，如果在断电的情况下，输出端电压不会完全释放，需要用它（Ec3和C3）把剩于电荷消耗掉，防止产生的电压倒置的现象，会损坏芯片，由于芯片有线性电源，会很容易发热，一般会在实体芯片加铝型散热片，加快散热功能，并且会损坏后面的电路，一般输入电压必须是7伏以上不能超过35V，关于为什么选择78m05原因，78代表是一个正电压稳压器， 05代表输出 5v，而79代表是一个负电压稳压器，中间的m系列最大输出电流为1A，而l系列最大输出为 100ma，可能会导致功率不够。

兀型 LC 滤波电路：这种电路相当于兀型 IC 滤波器的基础上加了一个滤波电容器，它的滤波作用比前几种好。电流大、纹波电压要求比较高的场合。 该电路 Ec1+Ec2电容形成二次滤波，第二次的滤波更加平稳，而下面的mos管用于开关作用。

防反接Nmos管：当 mos的栅极有电压，mos就导通，形成回路，并且防止电源反接，与晶闸管区别，mos管用电压控制，三极管用电流控制，而且 mos更加稳定。

H桥驱动电路：是设想的H桥流程图便携式车载保温箱，保温箱是具有制冷或制热的功能，所以需要一个驱动电路来控制制冷制热，于是就想到了H桥驱动电路。

H桥是一种电路拓扑结构，通常用于驱动直流电机或控制直流负载的方向。H桥电路由四个开关（通常是三极管或MOSFET）组成，形成一个H形的连接结构，可以控制电流的流向。这种电路常见于电机驱动、继电器控制和逆变器控制的应用。

电机或负载（LOAD）：电机或负载被连接在H桥的中间，可以通过开关的控制来改变电流的方向。

控制信号：控制H桥的对角开关需要使用适当的控制信号。这些信号通常是以控制电平（高电平或低电平）表示的。

工作原理：H桥的工作原理是通过控制开关的通断状态，实现电流在电机或负载中的正向或反向流动。例如，通过关闭S1和S4、同时打开S2和S3，电流从左上方进入LOAD，然后从右下方离开，实现正向运转；反之，则实现反向运转。

上面这个H桥驱动电路，左边上面是 P型mos ，一般基本电路图都有上拉电阻，导通条件是栅极电压要小于源极电压，当有上拉电阻时，Vgs=Vcc -Vcc=0不导通，当有 out1 输出电压时，三极管导通。栅极电压小于源极电压，此时 Pmos 管导通，左边 12v电压直接流向负载到右边 Nmos 管上方，右边下方是N型mos，导通条件是栅极电压大于源极电压，当有out4 有输出电压时，经过 R6电阻，栅极电压大于源极电压，Nmos管导通，电压通向地形成回路完成制冷，另一半与之相同完成制热。

上拉电阻和下拉电阻作用：（1）上电时给mos管的栅极一个确定的电平，防止上电时 GPIO为高阻状态时，mos栅极电平不确定而受到干扰， mos管的上拉电阻/下拉电阻总比栅极接的电阻大。（2）断电时，如果mos是导通的状态，GS间的寄生电容没有放电路径，电阻给Cgs一个放电路径。（3）防止静电击穿。因为断电时电荷没有放电路径只能累计在mos管栅极，当累计过多可能会损毁mos管。

风扇电路一般包括：风扇是电路的核心部分，负责产生气流并降低周围环境的温度。风扇通常包括一个或多个旋转的叶片和一个电机。电源，提供电能给风扇电路和电机。电源电压和电流应符合风扇和电机的规格。风扇驱动电路，控制电机的电路部分。它通常包括驱动电路元件，例如MOSFET，用于调整电流流经电机的方式，从而控制风扇的转速。速度控制，一些风扇电路具有速度控制功能，允许用户或系统动态地调整风扇的转速。转速控制，如果电路支持速度控制，用户或系统可以通过调整电压或通过PWM信号来控制电机的转速，从而调整风扇的风速。温度控制；如果有温度传感器，电路会根据环境温度自动调整风扇的转速。当温度升高时，风扇转速增加，提供更多的冷却。而在以上我们运用了启停，转速控制。

风扇电路的基本工作原理：当电源被连接时，风扇电路会启动电机，从而启动风扇。停止风扇可以通过切断电源或通过控制驱动电路中的开关来实现。上述电路左边有一个R16电阻分走一部分电压，所以左边为低速，右边为高速，R16在正常情况下具有普通电阻的功能，一旦电路出现故障，超过其额定功率时，它会在规定时间内断开电路，从而达到保护其它元器件的作用。在风扇驱动电路中，R16是保险电阻，如果没有这个电阻，风扇为正常功率，如果加上这个电阻，风扇为原来85%的功率。当单片机的P3.4口输出时mos管（Q7）起开关作用，左边电路接通，风扇低速运转。反之则正常运转。同时这边也是选用mos管控制导通，但是这边的mos管可以尽量偏小选型，他只需要承载风扇电机，不承载大负载，右边有一个二极管是续流二极管，通常用于并联在电感元件（如电动机、变压器或线圈）的端口，其作用是防止电流因电感元件的崩溃而产生反向电压，对风扇起一个保护作用。

电压分压电路：NTC电阻可以被连接到一个电压分压电路中，与另一个电阻串联，形成一个电压分压网络。通过测量这个电压，可以推导出NTC电阻的电阻值，从而间接测量温度。

电桥电路：NTC电阻可以用于电桥电路，通过测量电桥平衡时的电压来计算温度。在此设计中应用的是电压分压电路方法。

电源启动限流：NTC电阻可用于电源电路的启动时限流保护。在电源启动时，NTC电阻的电阻值较高，限制启动时的电流。随着电源电路升温，NTC电阻的电阻值减小，限流效果逐渐减弱。

温度报警系统：NTC电阻可以作为温度报警系统的一部分，当环境温度达到或超过某个阈值时，触发报警。

4 结论

该文详细介绍了一种基于半导体制冷片在车载保温箱中的应用在详细介绍了硬件结构后， 又给出了软件结构思维导图。整个系统设计简单，而且成本低。如果能够配加相应的辅助设备，完全可以用于车载保温。

参考文献：

[1] 柴钰． 单片机原理及应用[M]． 西安： 西安电子科技大 学出版社，2009．

[2] 李全利，迟荣强． 单片机原理及接口技术[M]． 北京： 高等教育出版社，2004．

[3] 周 坚． 用单片机制作温度计[J]． 无 线 电，2006 （ 6） ： 39 － 40．