基于STC单片机的太阳能恒温箱设计

　　0　引言

　　随着太阳能电池产业及半导体工业的快速发展，热电材料的传热性能有了很大的提高，并出现了一系列新型热电材料。太阳能光伏发电是一种超低排放的清洁能源，也是一种能够规模应用的现实能源，由于现有半导体冷热箱制冷系统启停频繁，系统运行效率较低，现大多使用机械式开关型继电器来完成制冷片的方向控制，此方式噪音大，并且会降低其使用寿命。随着我国科技与经济的发展，制冷中的环保和节能问题逐渐成为人们关注的焦点。

　　1　基本理论

　　热电制冷又称作半导体制冷，它以温差电现象为基础，利用“塞贝克”效应的逆反应———珀米尔效应的原理达到制冷目的。帕尔帖系具有加和性，现在生产的单级制冷片通常在两个陶瓷基板间焊接多对串联的PN结而制成。其制冷功率Qc与制热功率Qh的关系如下：

　　其中：P为输入电功率;Cpw为循环水的比热容，取常温常压下的水的定压比热容值为4.183Kj/kg·k;qvw为循环水体积流量;ρw为循环水的密度，取常温常压下的水的密度值1g/mL;ΔTw为循环水进出口处的温差;U为供给半导体热电堆的电压;I为供给半导体热电堆的电流。

　　通过(1)式可以得出制冷效率(COP)的计算公式如下：

　　结合公式(1)、(2)可以对系统的制冷量和输入功率进行分析，从而确定系统光伏电池的输出功率、蓄电池的容量、制冷片的相关功率和输入功率等器件参数的匹配。

　　2　系统总体设计方案

　　系统利用太阳能光伏发电为系统提供电能，选用STC89C52单片机作为核心控制器。系统利用模块化系统结构，模块之间由总线连接，易维护。系统主要包括太阳能电池方阵模块、充放电控制模块、驱动电路模块、箱体制冷与产热模块、控制等模块。系统采用模糊控制策略，精确控制冷箱体的温度、蓄电池的充放电。制冷片冷面在制冷的同时，热面会产生大量的热。利用水的循环，将热面的热量传到热箱体。控制水泵的转速来调节循环水的速率以及风扇的开关，来实现热恒温箱的温度控制。

　　3　硬件系统设计

　　3.1　中央控制器

　　在本系统设计中，主控单元的主要任务是温度控制、充放电控制、水泵控制。考虑到低能，所以本系统选择使用STC单片机。此单片机低功耗、廉价、稳定性能好，并且FLASH程序储存4～64K，RAM数据储存512～1280B，内部集成EEPROM2～16K及看门狗和专用复位电路，带A/D功能，很适合应用于采用电池供电的长时间工作场合，满足本系统设计的要求。

　　3.2　充放电控制

　　由于环境因素，导致太阳能电池板输出不稳定的直流电压，系统设计了BoostDC-DC变换器进行稳压。BoostDC-DC变换器通过控制开关管T的导通和关断时间，配合电感、电容等元件以连续改变和控制输出直流电压。经过控制器不断采集蓄电池端电压进行电压及电流调节，以对蓄电池进行MPPT充电。