溫度值控制的設(shè)計(jì)
溫度值控制部分的功能是根據(jù)初始設(shè)定值，與傳感器在便攜式細(xì)胞培養(yǎng)箱培養(yǎng)區(qū)的溫度檢測(cè)值比較，當(dāng)檢測(cè)值低于設(shè)定值時(shí)，通過散熱方式使細(xì)胞培養(yǎng)區(qū)溫度升高；當(dāng)檢測(cè)值高于設(shè)定值時(shí)，通過散熱的方式使培養(yǎng)區(qū)的溫度下降。最終實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)區(qū)的溫度值維持在細(xì)胞樣本培養(yǎng)或其他用途的所需要的適宜環(huán)境。在本設(shè)計(jì)中，溫度控制部分使用的加熱和降溫主器件為半導(dǎo)體制冷片。
3.2.1 半導(dǎo)體制冷原理
半導(dǎo)體制冷又稱熱電制冷、溫差電制冷，是利用珀?duì)柼?yīng)在制冷方面的應(yīng)用。半導(dǎo)體制冷片的基本元件是熱電偶對(duì)，即把一只 N 型半導(dǎo)體和一只 P 型半導(dǎo)體連接成電偶，如圖 3.4 所示，兩端加上直流電后，在接口處就會(huì)產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。在電路上串連起若干多對(duì)半導(dǎo)體熱電偶對(duì)，在傳熱方面是并聯(lián)的，這樣就構(gòu)成了一個(gè)常見的制冷熱電堆。借助熱交換器等各種傳熱手段，使熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，而把電熱堆的冷端放到工作環(huán)境中去吸熱降溫， 這就是半導(dǎo)體制冷的原理
[21,22]。
圖 3.4 半導(dǎo)體制冷片結(jié)構(gòu)圖
Fig. 3.4 Structure of the semiconductor refrigerant
3.2.2 溫度控制電路
溫度控制電路中選用的半導(dǎo)體制冷片型號(hào)為 TEC-12706（圖 3.5）。TEC-12706
半導(dǎo)體制冷片的額定電壓為 12 V。其輸入電壓為 15.4 V，的輸入電流為
6.0 A；在 27
oC 溫度條件環(huán)境下，的產(chǎn)冷量為 51.4 W。
圖 3.5 TEC-12706 外觀圖
Fig. 3.5 External view of the TEC-12706
圖 3.6 溫度控制驅(qū)動(dòng)電路圖
Fig. 3.6 Drive circuit of the temperature control
圖 3.6 是溫度控制驅(qū)動(dòng)電路原理圖。根據(jù)微控制器兩個(gè)輸出端口 RC1 和 RC2 的輸出值，通過繼電器 RL1 和RL2 切換半導(dǎo)體制冷片的工作狀態(tài)。U3 器件 74HC86 的功能是將一組 RC1 與 RC2 輸出異或，U4、U5 是兩個(gè)光電耦合器，其作用是提
升 RC1 和 RC2 的輸出電平值，通過提升的電平值控制繼電器的位置狀態(tài)。D10、D11 為 1A 的肖特基二極管 SS12，起保護(hù)電路的作用。SS12 能承受的電壓值為 20 V。微控制器（PIC16F877A）的兩組輸出 RC1、RC2，由四種不同的輸出值通過溫控驅(qū)動(dòng)電路，切換半導(dǎo)體制冷片兩端的供電，從而切換半導(dǎo)體片
TEC-16-2706 的工作狀態(tài)。具體對(duì)應(yīng)的狀態(tài)如表 3.1 所示。
表 3.1 微控制器輸出對(duì)應(yīng)電路器件的工作狀態(tài)
Table. 3.2 Output of the MCU corresponding to the working state of the circuit | RC1 輸出 | RC2 輸出 | U4 輸出 | U5 輸出 | RL1 | RL2 | TEC-12706 兩端電壓值(V) |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 常開 | 常開 | 0 |
| 0 | 1 | 高 | 0 | 常閉 | 常開 | 12 |
| 1 | 0 | 高 | 高 | 常閉 | 常閉 | -12 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 常開 | 常開 | 0 |
注：①0 表示低電平，1 表示高電平；②“高”表示光耦的輸出為提升輸入部分的高電平的電壓值；③符號(hào)為負(fù)表示與上面電壓值相反。
當(dāng) RC1、RC2 輸出 00 時(shí)（0 表示低電平，1 表示高電平），U3 的輸出為低電平，光耦 U4 截止，繼電器 RL1 處于常開狀態(tài)，同時(shí)光耦 U5 也處于截止?fàn)顟B(tài)，RL2 處于常開狀態(tài)，半導(dǎo)體制冷片接通繼電器 RL2 的 2 端和 4 端，此時(shí)其兩端的電壓值為 0，因此 TEC-12706 處于不工作狀態(tài)。在 RC1、RC2 輸出“11”時(shí)也是相同道理。當(dāng) RC1、RC2 輸出“01”時(shí)，U3 輸出高電平，光電耦合器提升輸出電平值，繼電器 RL1 的開關(guān)打在常閉端，U5 截止，繼電器 RL2 的兩個(gè)開關(guān)雙擲在常開端， 此時(shí)半導(dǎo)體制冷片兩端的電壓值為+12 V，制冷片開始一面發(fā)熱，另一面致冷。若RC1、RC2 輸出 10 時(shí)，RL1、RL2 的輸出端開關(guān)都打在常閉位置，此時(shí)制冷片兩端的電壓與 RC1、RC2 輸出 01 時(shí)相反，半導(dǎo)體片在微控制器輸出 01 時(shí)發(fā)熱的一面開始致冷，制冷的一面開始加熱。
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