基于半导体制冷的小空间控温除湿系统研究

　　为保证仪器的精度和稳定性，仪器中很多器件、部件对其周围的局部环境温度和湿度有着确定的要求，特别是对于自身含有热源且对温湿度比较敏感的仪器而言。而随着仪器的小型化、轻型化的发展，仪器所处的空间越来越小，因此研究小空间的控温除湿系统是十分有意义的。

　　在小空间的控温方面，传统的液体汽化制冷的方法，不仅结构复杂、能源消耗大，而且采用的制冷剂对环境也会产生污染。相对而言，半导体制冷技术则具有结构简单，体积小，无噪声，无磨损，而且寿命长，可靠性高，对环境没污染等优点[1]。而且这种技术还可以应用在在小空间除湿方面，且没有传统的化学干燥剂必须及时更换、再生和湿度不能实现自动控制的问题。我国许多学者对小空间的半导体控温、除湿做了一些实验研究[2-5]。但是，将半导体制冷技术同时用于小空间的控温除湿却鲜有人做过，因此，本文就将半导体制冷技术同时应用到小空间的控温除湿中，并对影响控温除湿关键因素进行了实验研究。

　　1　小空间控温除湿方法研究

　　1.1　半导体制冷控温、除湿原理

　　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[6]，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出热量(称为冷端)，而另一端则放出热量(称为热端)。如果在热端安装散热装置，冷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。而当改变直流电方向时，则其作用相反，冷端放热，从而达到制热的效果。利用半导体制冷技术来除湿根据初始温湿度的不同，可以分为升温除湿和冷却除湿两种[6]。升温除湿过程为通过半导体制冷片给湿空气加热使得温度升高从而使得相对湿度降低。冷却除湿过程为湿空气与半导体制冷片冷端表面接触后温度降低，当降至露点温度时相对湿度达到饱和状态，如果继续降温至将有水蒸气凝结为水析出，通过降低其绝对湿度从而使得相对湿度降低。

　　1.2　系统控温除湿方法

　　综合考虑上述半导体控温、除湿过程，本系统控温除湿采用湿度控制优先，温度控制为辅的方法。根据温湿度的不同，可以分为加热，冷却除湿再升温，冷却除湿再降温几个不同的处理过程。由于半导体制冷片在使用过程中需在5 分钟后才能通反向电压，所以本系统采用两个半导体制冷装置，一个主要用于降温除湿，另一个则用于温度补偿。

　　2　测量控制系统构建

　　小空间控温除湿系统包括温湿度采集单元、控制单元、执行单元三大部分。原理框图如图1 所示。该控制系统以低耗、高速、高可靠性能的单片机STC12C5A60S2 为控制核心，采用三个数字温湿度复合传感器DHT21，并辅以LCD 显示电路、串口发送电路和半导体制冷器驱动电路。其基本控制原理为：采用闭环控制形式，将温湿度预定值和温湿度采样值同时送到单片机中，经过控制算法运算后得到PWM 输出控制量，从而控制驱动电路得到控制电压施加到TEC1、TEC2 上，从而控制温湿度达到预定值。同时在人机交互方面可以由LCD 显示当前采样值，还可以通过串口把采样值发送至PC 上，在经过 VB 编程的界面上可以显示和存储采样值、曲线等。