基于Cortex-M0的半导体制冷温度控制系统设计*
王 威，王少轩
【摘 要】摘要：冷凝露点法是一种高精度的食品水分活度检测方法，温度控制是其关键技术之一。采用最新型Cortex-M0内核芯片LPC1114作为控制单元，选用半导体制冷器（TEC1-12706）和加热器作为温度控制元件，运用数字PID智能算法进行温度控制。该温度控制系统用于水分活度测量辅助实验，精度高、响应快，取得了良好的控制效果。 【期刊名称】机电工程技术 【年(卷),期】2011(040)004 【总页数】3
【关键词】Cortex-M0；半导体制冷；温度控制；PID
1 引言
水分活度反映食品中水分能够被微生物利用的程度，是食品质量控制的一个重要指标，也是食品安全的重要控制参数。研究表明，一定的水分活度，可以抑制微生物的生长，抑制食品中油脂的氧化，降低食品中酶的活性等等 ［1］。随着国家标准 《食品水分活度的测定》的应用，国内水分活度仪的研制也加快了步伐。其中，冷凝露点法是水分活度测量中除康卫氏皿扩散法外最直接且精度最高的方法。冷凝露点法要求将测试腔内温度降低并保持在露点值温度，便于后续测量计算。露点值的测定精度直接关系着食品水分活度的精度，所以设计一个高精度的温度控制系统十分必要。本文设计了一种基于最新型32位内核Cortex-M0的温度控制系统，功耗低，控制精度高，响应快速，人机界面友好，用于水分活度测量辅助实验效果良好。
2 半导体制冷
半导体制冷又称为热电制冷或温差电制冷，它主要是珀尔帖效应在制冷技术方面的应用。当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，节点上将产生吸热或放热现象，这就是珀尔帖效应。对于半导体热电材料来说，当电流方向从空穴半导体流向电子半导体（电流方向为P→N）时，接头处的温度升高并放出热量；反之，接头处温度降低并从外界吸收热量 ［2］。
一般工况下，半导体制冷器的制冷量Qc和散热量Qh的大小可以用如下的表达式描述：
其中：α为热电系数；Tc为冷端温度；Th为热端温度；I为工作电流；R为半导体电阻；K为导热率；△T为冷热端温差 ［3］。
半导体制冷器结构简单、尺寸小，无任何机械运动部件，噪音低、无磨损、寿命长；不用制冷剂，对环境没有污染，绿色环保；启动快，控制灵活，控制精度高；操作具有可逆性，既可制冷，又可供热 ［4］。
在半导体制冷器的正常工作状态下，热端会释放出较多的热量。本设计采用强迫风冷的方式，为热端降温，防止高温破环半导体制冷器元件；采用加热器辅助加热，避免制冷制热快速转换损坏半导体器件。
3 恒温系统硬件电路
本系统硬件部分由最新型32位微控制器LPC1114核心系统、LCD液晶屏、键盘、温度传感器、光电耦合器、半导体制冷器、强迫风冷系统、加热器和滤波放大电路组成，如图1所示。 3.1 微控制器核心系统
ARM公司于2009年初推出了Cortex-M0内核处理器。该处理器能耗非常低、
代码占用空间小，能以8位处理器的价位获得32位处理器的性能。超低门数还使其能够用于模拟信号设备和混合信号设备及MCU应用中，可明显降低系统成本，同时保留功能强大的Cortex-M3处理器的工具和二进制兼容能力 ［5］。
微控制器LPC1114由NXP公司于2010年初率先推出的基于Cortex-M0内核的32位MCU（微控制器），该芯片的内核运行频率高达50MHz，片上资源丰富，包括32kB片内Flash程序存储器、8kB片内SRAM、4个通用定时器以及多达42个通用I/O口等。本设计选用LPC1114作为主控单元，如图2所示。
3.2 温度检测模块
本设计采用DS18B20作为温度检测元件。DS18B20是由DALLAS公司生产的一款温度传感器芯片，体积小、硬件开销少，抗干扰能力强。DS18B20采用单总线数据通信，电压范围为3.0 V至5.5 V，测量温度范围为-55℃至+125℃，拥有12位的分辨率，精度为±0.5℃ ［6］。 3.3 温度控制模块
本设计选用的半导体制冷器型号为TEC1-12706。在热端温度为27℃的情况下，TEC1-12706的最大工作电流为6A，最大工作电压为15.4V，最大制冷功率为54W，冷热端最大温差为68℃。半导体制冷器采用H桥电路驱动，便于控制电流大小及流向。本设计采用飞思卡尔公司生产的芯片MC33886来控制半导体制冷器的工作状态，芯片MC33886的工作电压为5V～28V，直流驱动电流高达5A。
光电耦合器是一种以光为耦合媒介，通过光信号的传递来实现输入与输出间电
基于Cortex-MO的半导体制冷温度控制系统设计
