汽车冷热两用恒温箱

　　目 录
　　中文摘要----------------------------------------------------------2
　　英文摘要----------------------------------------------------------2
　　第1章    前言----------------------------------------------------3第3章    单元电路设计--------------------------------------------7第4章    制作与调试---------------------------------------------14          4.1  制作----------------------------------------------14          4.2  调试----------------------------------------------15
　　第5章    结论与前景---------------------------------------------16第6章    结束语-------------------------------------------------17参考文献---------------------------------------------------------18
　　汽车冷热两用恒温箱
　　半导体制冷/制热电路主要用到半导体温差制冷组件。半导体温差制冷制热组件一般由若干个温差电偶器件组成，它们在电气上是串联的,电流依次通过各个温差电偶器件。这些温差电偶在热交换上是并联的,通过改变流经温差电偶的电流来实现加热和降温，正是半导体温差制冷/制热组件具有逆运用功能，可以方便地实现制冷与制热的转换。
　　[关键词] 恒温箱；测温电路；温控电路；珀尔帖效应；热敏电阻
　　The Cold Hot Dual Thermostat The semiconductorrefrigeration or system hot electric circuit mainly uses thesemiconductor temperature difference to refrigerate the module. The semiconductor temperature difference refrigeration system hotmodule generally is composed by certain thermo couple component, theyon the electricity are series connected, the electric current passeseach thermo couple component in turn. These thermos couple in the heatchange are parallel, through changes the variable current to realizeafter the thermo couple electric current heats up with the temperaturedecrease, is precisely the semiconductor temperature differencerefrigeration/system hot module has counter uses the function, mayconveniently realize the refrigeration and the system hottransformation.
　　[KeyWords] The thermostat;measured the warm electric circuit;warm controls heelectric;circuit,pearl＂s card effect;the thermistor
　　第 1 章  前  言
　　在当今高速发展的社会，汽车已经成为人们的必备的交通工具，而又在这竞争激烈的社会，想在汽车这个市场上独占鳌头，就必需在汽车的整体质量和服务方面下功夫。汽车的内部性能指标这需要进行长期的研究，但服务方面我们可以比较容易着手，现在很多家庭都自己开车去旅游,想在旅途中享受冷饮(夏天)或是保温食物(冬天),大多数人很容易想到在车里装个小型冰箱和微波炉。但大家想想这样占了很大的空间而又不经济实惠。现在就让我们来解决这问题吧。这个课题正是冷热两用恒温箱的设计,一举两得,当然还经济实惠。 恒温箱的应用越来越广, 生产、科研对它的要求也越来越高。要求它的性能价格比更高, 使用寿命更长, 使用费用更少(省电) , 响应速度更快。汽车冷热两用恒温箱采用半导体制冷技术,既可制冷,又可以制热,箱内温度可以在0~50 范围内调节,并具有自动恒温控制功能，无污染，无噪声，绿色环保。半导体制冷技术用途非常广泛,并且发展空间很大,在这领域今后必将飞速发展,对社会的发展起重要的作用。
　　第2章  系统设计
　　2.2系统设计方案
　　2.2.1设计思路
　　汽车冷热两用恒温箱的电路一般由测温电路,温控电路,制冷制热电路三大部分组成。各部分分别独立设计完成，然后再系统连接起来就达到了恒温的作用。其中温控电路部分采用了集成块电路,温控电路和制冷制热组件之间也用了反馈电路。
　　2.2.2系统组成框图及原理图
　　温度反馈
　　图2.1 系统原理框图
　　图2.2 系统原理图
　　2.2.3系统工作原理
　　系统工作原理：汽车冷热两用恒温箱电路由测温电路,控制电路,半导体制冷/制热组件等部分构成，来实现箱内的自动恒温的作用。半导体制冷/制热组件是利用半导体的珀尔帖效应实现电制冷的一种器件, 由半导体温差电偶器件，导流片，导热板等组成。一对P，N型半导体材料即构成一个温差电偶器件，当电流从P型半导体流向N型半导体时，P-N接头处会吸收热量；当电流从N型半导体流向P型半导体时，N-P接头处会释放热量, 半导体温差电制冷制热组件一般由若干个温差电偶器件组成，它们在电气上是串联的,电流依次通过各个温差电偶器件。而这些温差电偶器件在热交换上是并联的,正是通过改变流经温差电偶器件的电流流向,从而使半导体温差电制冷组件具有逆运用功能,可以方便地实现制冷与制热的转换。
　　先由测温电路把温度的变化转变为相应的阻值的变化，也就是把温度的比较转化为了三极管NPN前面的a和b号脚的电位高低的比较，当a号脚处为高电平时，即此时箱内温度高于所需要要的温度，由温控电路而使A1组件处于制冷工作状态，而制冷到一定时候，使得a号脚为低电平时，A1组件就停止制冷，不工作。当b号脚处为高电平时，即此时箱内温度低于所需要要的温度，由控温电路而使A1组件处于制热工作状态，而制热到一定时候，使得b号脚为低电平时，A1组件就停止制热，不工作。这样使得设计能达到自动恒温的作用，可以实现制冷与制热的转换，即达到了本设计的目的。
　　第3章  单元电路设计
　　3.1测温电路（circuit of temperature survey）设计
　　测温电路有很多,包括二阶式电桥电路,集成式半导体传感器电路,基于单片机的温度控制器等等方案。
　　二阶式电桥电路法这种温度推测器精度可达0.1 以上, 传统的不平衡电桥作为电阻温度变送器的测量电路，在温度测量和控制中起着极其重要的作用。这种电路也经常作为单片机的一种前向通道接口使用，进而构成智能化测量控制仪表，但是，不平衡电桥中存在的非线性特性一直是人们需要彻底解决的问题。除此之外，在设计中，还要考虑自热温升、引线电阻、零点迁移等因素。所以此设计不采用。
　　综合上述设计中存在的优缺点,本设计采用铂电阻测温电路方案。 热电阻和热电偶是工业生产过程自动化最常用的两种温度传感器。热电阻由于在测量的灵敏度、线性度等诸多方面均优于热电偶，因此，在中低温区得到了更广泛的应用。
　　图3.1测温电路
　　铂电阻测温电路原理:通过三个集成运算放大器LM2902和一个三极管等组成控制电路,PT1000铂电阻测温范围0 50 ,RT为正温度系数热敏电阻,TW1为可调电阻,为设定温度调节电位器,通过来调节电阻从而达到调节所需要的温度。电路的a和b输出需要高低电平来表示此时对应箱内温度与所调节所需温度的比较。当a为高电平时表示箱内温度高于调节所需要的温度；当b为高电平时表示箱内温度低于调节所需要的温度。
　　当S置于＂制冷＂挡时,电路为制冷工作状态。当RT的温度高于设定的温度,即RT的电阻大于TW1+R3,也就是3号脚电位高于4号脚, 6号输出高电平。这样直接使三极管NPN导通，组件A1通电制冷。当箱内温度下降到设定温度以下时,RT的电阻小于TW1+R3，即3号脚电位低于4号脚，6号输出低电平。三极管NPN截止。组件A1停止制冷。调节TW1可以改变制冷设定温度。3.2 温控电路（control circuit of temperature）设计
　　温控电路也有很多实现的方案,分析之后,采用了如下方案,电路原理图为
　　图3.2 温控电路
　　本温度控制电路这里采用电平的高低来控制三极管的导通与截止，最后来调节电流的流向，从而使半导体电偶组件处于不同的工作状态。    当S置于＂制冷＂档时，电路为制冷工作状态，电压比较器的输出端不经D3的反相就直接控制三极管的导通与截止。当箱内温度高于设定的温度时，RT阻值变小，电压比D3较器输出为高电平，三极管导通，电偶组件A1处于制冷状态，双色发光二极管发绿光；当箱内温度低于设定的温度时，RT阻值变大，电压比较器输出为低电平，三极管截止，组件A1停止制冷，绿灯熄灭。调节TW1可以改变制冷的设定温度。
　　3.3 制冷/制热电路( circuit of refrigeration and heating )设计
　　热电制冷又称半导体制冷或温差电制冷。具有热电能量转换特性的材料,在通过直流电时有制冷功能,因此而得名热电制冷。由于半导体材料具有最佳的热电能量转换特性,它的应用才真正使热电制冷实用化,为此人们又把热电制冷称为半导体制冷。至于温差电制冷名称的由来,是由于人们发现了材料的温差电动势之后再发现其反效应,即具有制冷功能的珀尔帖效应,与温差发电对应,把后者称为温差电制冷。
　　本世纪50年代以后,半导体材料在各个技术领域得到了广泛应用,发展非常迅速。热电性能较好的半导体材料使热电效应的效率大大提高,从而使热电发电和热电制冷进入工程实践领域。早期出现的半导体热电制冷器大多是各种小型低温器件和恒温器,应用在电子医疗器械,真空冷阱,显微镜物台,电子器件冷却,热电制冷仪器和小型冰箱等方面。以后又在核潜艇上研制了热电空调系统和热电冷库。目前,热电制冷器已在国防,工业,农业,医疗,商业,日常生活等领域中获得了广泛应用。
　　珀尔帖效应就是把载流子从一种材料到另一种材料的迁移当作电流来看,则每种材料载流子的势能不同,因此,为满足能量守恒的要求,载流子通过结点时,必然与其周围环境进行能量交换。能级的改变是现象的本质,这使构成制冷系统成为可能。举个例子,来更清楚的认识珀尔帖效应。看图3.3:
　　图3.3 两种不同的热电材料片之间的冷热结点
　　N型材料有多余的电子,有负温差电势。P型材料电子不足,有正温差电势。当电子从P型穿过结点到N型时,其能量必然增加,而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。这一点可用温度降低来证明。相反,当电子从N型流到P型材料时,结点的温度就升高。
　　金属热电偶的珀尔帖效应，可以用接触电位差现象定性的说明。由于接触电位差的存在，使通过接头的电子经历电位突变，当接触电位差与外电场同向时，电场力做功使电子能量增加。同时，电子与晶体点阵碰撞将此能量变为晶体内能的增量。结果使接头的温度升高，并释放出热量。当接触电位差与外电场反向时，电子反抗电场力做功，其能量来自接头处的晶体点阵。结果使接头的温度下降，并从周围环境吸收热量。
　　本设计热电制冷采用半导体制冷/制热组件。它是利用半导体的珀尔帖效应实现电制冷的一种器件,其原理结构如图3.4所示,
　　图3.4 半导体制冷制热组件
　　由半导体温差电偶器件，导流片，导热板等组成。一对P，N型半导体材料即构成一个温差电偶器件，当电流从P型半导体流向N型半导体时，P-N接头处会吸收热量；当电流从N型半导体流向P型半导体时，N-P接头处会释放热量，如图所示。
　　图3.5 吸热放热图
　　半导体温差电制冷制热组件一般由若干个温差电偶器件(图 3.4中所示为4个)组成，它们在电气上是串联的,电流依次通过各个温差电偶器件。
　　3.4 元器件的选择
　　热电制冷器是一种不用制冷剂、没有运动件的电器。它的热电堆起着普通制冷压缩机的作用,冷端及其热交换器相当于普通制冷装置的蒸发器,而热端及其热交换器则相当于冷凝器。通电时,自由电子和空穴在外电场的作用下,离开热电堆的冷端运动,相当于制冷剂在制冷压缩机中的压缩过程。在热电堆的冷端,通过交换器吸热,同时产生电子-空穴对,这相当于制冷剂在蒸发器中的吸热和蒸发。在热电堆的热端,发生电子-空穴对的复合,同时通过热交换器散热,相当于制冷剂在冷凝器的放热和凝结。
　　在本设计中A1半导体制冷/制热组件是能否达到恒温的关键部分。先来比较下两种不同的制冷系统。机械压缩式制冷与热电制冷系统间存在着一些类似的地方，各对应部位见图3.6。
　　机械压缩式制冷系统  1——冷剂流
　　2——密闭管路
　　3——压缩机
　　4——冷凝器
　　5——蒸发器
　　6——节流阀
　　热电制冷系统 1——电子流
　　2——电路
　　3——电流
　　4——热端
　　5——冷端
　　6——能级
　　图3.6 两种制冷系统的比较
　　每个系统中，最重要的是热边和冷边内能改变的方法。对于蒸发压缩循环，节流阀是使能量变化的设备。当制冷剂离开冷凝器时，它是处在高压和中等温度下的饱和液体，当制冷剂通过节流阀时，它绝热等焓膨胀。因此，制冷剂是作为低压、低温、低质量的蒸气而离开节流阀，而且处于最低的能级状态。这使制冷剂在蒸发过程中能吸收大量的热。没有节流阀，压力就不变，制冷剂的焓就不变，也就不会出现＂抽热＂。在热电制冷系统中的类似部分是P型和N型半导体材料中电子能量的差，假若整个系统电子能级相同，也就不会出现＂抽热＂。通过对比，热电制冷系统优于机械压缩式制冷系统。所以本方案采用热电制冷系统。
　　第4章  制作与调试
　　4.1 制作整个箱内结构如图4.1所示，所有元器件都安装在恒温箱的箱盖中。
　　图4.1 恒温箱
　　图 4.2 恒温箱外形
　　4.2调试
　　半导体制冷的热面温度不应超过60 ，否则就有损坏的可能。若在额定的工作电压（12V）下，一般的散热风扇根本无法为制冷片提供足够的散热能力，容易造成制冷片过热损坏。同时千万不要在无散热器的情况下为致冷器长时间通电，否则会造成致冷器内部过热而烧毁。
　　为了使温度调节的误差减小，我们需要多测试几次。测试比较简单，所有元器件安装在保温瓶盖中，正式测试时，将插头插入汽车点烟器插座（12V），把一个气温计（－10 60 ）放入恒温箱中测量箱内温度，多调节几次旋钮，即多测几次温度，记录下来。再关掉电源，让恒温箱完全达到室温（大约二十分钟），再接上电源，继续测温。这样反复测三四次，求出平均值。然后在调温旋钮旁相应地标上温度数值。这样就实现了汽车冷热恒温箱设计的目的。
　　第5章 结论和前景
　　到这里汽车冷热两用恒温箱的设计就基本完成了，此恒温箱的优点就是既可制冷,又可以制热,箱内温度可以在0~50 范围内调节,并具有自动恒温控制功能，无污染，无噪声，绿色环保。操作起来更方便，只要调节所需要温度就行。但恒温箱的制冷系数不高，由于散热的问题，使得恒温箱工作时间不能过长，还有虽放在汽车内占空间不大，但有些小汽车空间有限，放了之后有点拥挤。建议把恒温箱放在前排座位中间后点的位置，也就是汽车档位控制后点的位置。当然恒温箱在家庭房屋中一样适用的。
　　在当今高速发展的社会,人们的精神生活要求也越来越高,普通的冰箱和微波炉达不到人们的要求,恒温箱刚好解决了问题,即可制冷,又可制热，还经济实惠，不占很多空间，必定是将来发展的趋势，在这个领域将有很广的发展空间。很可能就像电视一样，以后就是每家每户都捅用。当然现在设计存在的一些问题要大家去研究解决，这样才能真正的发挥恒温箱的优势。
　　这里制冷运用的是半导体珀尔帖效应制冷技术, 在各个技术领域得到了广泛应用,发展非常迅速。热电性能较好的半导体材料使热电效应的效率大大提高,从而使热电发电和热电制冷进入工程实践领域。早期出现的半导体热电制冷器大多是各种小型低温器件和恒温器,应用在电子医疗器械,真空冷阱,显微镜物台,电子器件冷却,热电制冷仪器和小型冰箱等方面。以后又在核潜艇上研制了热电空调系统和热电冷库。目前,热电制冷器已在国防,工业,农业,医疗,商业,日常生活等领域中获得了广泛应用。
　　第6章 结束语
　　在这里，我要感谢我的老师和同学们，顺利的完成此毕业设计和他们的指导和帮助是离不开的。通过完成毕业设计，使自己以前学到的理论知识运用于实践，更加巩固了课本上的知识，锻炼了自己动手能力，掌握了一些以前没有接触到的知识领域。汽车冷热两用恒温箱在今后应用会更广泛，在家庭房屋中也是实用的，因为它能自动恒温，无污染、无噪声、绿色环保，还经济实惠。这里设计的恒温箱是利用半导体制冷技术来完成的,目前，半导体制冷技术已在国防,工业,农业,医疗,商业,日常生活等领域中获得了广泛应用。
　　[参考文献] [2]杨荫彪，穆云书主编《特种半导体器件及基本应用》，北京，电子工业出版社，1991。
　　[3]华中工学院电子学教研室编，康华光主编, 《电子技术基础》,模拟部分, 修订3版, 高等教育出版社,1988。
　　[4]西南交通大学电子教研室编，袁光明主编《新型电子器件应用手册》，西南交通大学出版社，1993。
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　　[6]华中科技大学谢自美主编,<<电子线路设计>>,(第二版)华中科技大学出版社,2000年5月。
　　[7]黄继昌，张海贵等主编的《检测专用集成电路及其应用》，北京，人民邮电出版社，2006。
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