摘  要： 溫差發(fā)電技術(shù)研究的基礎(chǔ)是搭建一套滿足需求的測試平臺，其中最為關(guān)鍵的是溫度控制系統(tǒng)。為此基于單片機(jī)建立了溫度控制系統(tǒng)，主要對硬件電路，特別是傳感器處理電路、加熱電路、PID控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。實驗數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)能夠滿足實驗要求，溫差發(fā)電片的開路電壓與其兩端的溫差基本呈線性關(guān)系。
關(guān)鍵詞： 溫差發(fā)電技術(shù)；測試平臺；溫度控制

    隨著世界各國對能源的需求以及環(huán)境污染的日益加劇，溫差發(fā)電在新能源領(lǐng)域中獲得了廣泛的關(guān)注和研究。溫差發(fā)電技術(shù)是利用熱電材料的塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，只要存在溫差就可以產(chǎn)生電能，具有無需增加發(fā)動機(jī)負(fù)載、無噪聲、體積小等特點。特別是對于發(fā)動機(jī)來說，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展已經(jīng)超過100年的歷史，雖然熱效率與最初的發(fā)動機(jī)相比有了顯著提高，但是大部分的能量還是以廢氣和冷卻的方式浪費掉，所占燃油能量的60%左右[1]。同時，傳統(tǒng)車輛上的電源由與發(fā)動機(jī)相連的發(fā)電機(jī)輸出，而采用發(fā)動機(jī)發(fā)電時的效率較低，綜合發(fā)電效率在10%~15%之間，也即產(chǎn)生1 kW 的電能大約需要10 kW 的化學(xué)能。如果能夠?qū)@部分能量進(jìn)行回收利用，則會明顯提高內(nèi)燃機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。有研究表明，如果能夠?qū)U氣能量進(jìn)行回收利用，內(nèi)燃機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性能夠輕而易舉地提高20%[2]。因此，溫差發(fā)電是一種較為理想的能量回收技術(shù)，日益受到關(guān)注[3-4]。
    圖1為對溫差發(fā)電器的熱電性能進(jìn)行測試時的實驗系統(tǒng)示意圖。該實驗系統(tǒng)中需要對熱端（利用加熱絲）進(jìn)行加熱，以模擬實際的熱源，而熱源溫度對于溫差發(fā)電器熱電性能有著重要的影響[5-8],需要對其溫度進(jìn)行精確控制，為此，對恒溫控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。

1 溫控系統(tǒng)硬件原理及構(gòu)成
    該系統(tǒng)的控制對象是加熱水箱內(nèi)水的溫度，即需要控制在實驗條件下溫差發(fā)電片的熱端溫度。首先，通過熱電偶傳感器將水的溫度轉(zhuǎn)化為電阻值，再通過MAX6675內(nèi)部放大電路輸出電壓，并將其保存在數(shù)據(jù)采集裝置中；然后，重新設(shè)定水的溫度，經(jīng)溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)，保存到單片機(jī)的存儲單元中；然后，調(diào)用顯示子程序顯示設(shè)定溫度和采樣溫度，再將采樣值與設(shè)定值輸入單片機(jī)內(nèi),與系統(tǒng)的給定值進(jìn)行比較得到誤差量，采用PID控制算法得到控制量進(jìn)行數(shù)字PID控制算法的運算，運算結(jié)果由單片機(jī)輸出；最后，通過固態(tài)繼電器的功率調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)寄存器的斷開與閉合,以實現(xiàn)設(shè)定溫度的恒定。該控制采用繼電接觸器控制系統(tǒng)，使整個設(shè)計系統(tǒng)電路簡單，調(diào)試方便，實際應(yīng)用可達(dá)到理想的精度。該系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    該恒溫控制電路由AT89C51單片機(jī)時鐘和復(fù)位電路、溫度傳感器、加熱控制電路、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、電源電路、顯示裝置電路等構(gòu)成[9]， 其主電路圖如圖3所示。

2 溫控系統(tǒng)硬件設(shè)計及其實現(xiàn)
2.1傳感器信號處理
    溫度測量轉(zhuǎn)換部分是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，直接影響系統(tǒng)的可靠性。測量裝置采用K型熱電偶與MAX6675模/數(shù)轉(zhuǎn)換器作為溫度測量電路核心器件。傳統(tǒng)的K型熱電偶需要進(jìn)行冷端補償及修正因熱電偶本身的非線性所帶來的測量誤差，而MAX6675是一種帶有冷端補償、線性校正、熱電偶斷線檢測的串行K型熱電偶模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,從而給K型熱電偶的使用帶來了極大的方便。
     溫度數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換部分的電路如圖4所示。MAX6675的T+、T-接熱電偶正、負(fù)極，用于接收熱電偶的模擬信號，經(jīng)過內(nèi)部的放大、補償、修正后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過S0端發(fā)送給單片機(jī)，進(jìn)而為后續(xù)溫度控制系統(tǒng)提供輸入信號。

2.2 加熱控制電路
    加熱控制電路圖如圖5所示，用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象實施控制。被控對象為加熱水箱，采用對加載熱水箱兩端的電壓通斷的方法進(jìn)行控制，以實現(xiàn)對水加熱功率的調(diào)整，從而達(dá)到對水溫控制的目的。對電爐絲的通斷控制采用SRD-05VDC-SL-C固態(tài)繼電器。它的使用非常簡單，只要在控制端加上一個TTL電平，即可實現(xiàn)對繼電器的開關(guān)控制。當(dāng)單片機(jī)的P2.7為高電平時，三極管驅(qū)動固態(tài)寄存器工作，接通加熱器工作；當(dāng)單片機(jī)的P2.7為低電平時，固態(tài)繼電器關(guān)閉，加熱片不工作。

3 PID恒溫控制算法
3.1 PID 控制調(diào)節(jié)器原理
    在控制系統(tǒng)中,控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制[10-11]。PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖6所示，系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。
  

    圖8所示為溫差發(fā)電片兩端溫差與開路電壓之間的關(guān)系曲線,由圖可知,開路電壓與溫差基本呈線性關(guān)系。

    基于單片機(jī)建立了能夠用于測試溫差發(fā)電系統(tǒng)特性的溫度控制系統(tǒng)，通過設(shè)計與實驗可得到以下結(jié)論：
    (1)所設(shè)計的恒溫控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度的控制，滿足實驗要求；
    (2)對于溫差發(fā)電片，其開路電壓與溫差發(fā)電片兩端的溫差基本呈線性關(guān)系。
參考文獻(xiàn)
[1] Yang Jihui. Opportunities & challenges of thermoelectric waste heat recovery in the automotive industry[C]. 2005 Diesel Engine Emissions Reduction (DEER) Conference Chicago, IL August 25, 2005.
[2] SNYDER G J, TOBERER E S. Complex thermoelectric materials [J]. Nature Materials, 2008(7):105-114.
[3] WOO B C, LEE H W. Relation between electric power and temperature difference for thermoelectric generator [J].International Journal of Modern Physics B, 2003,17(8/9):1421-1426.
[4] Chen Wei-Hsin, Liao Chen-Yeh, Hung Chen-I, et al.Experimental study on thermoelectric modules for power generation at various operating conditions[J]. Energy,2012,45(1):874-881.
[5] HOLLOT C.Analysis and design of controllers for AQMroters supporting TCP flows[J]. IEEE Transactions on Automatic Control，2002，47(6):945-959.
[6] 鄭文波,王禹,吳知非,等.溫差發(fā)電器熱電性能測試平臺的搭建[J].實驗技術(shù)與管理，2006,23(11):62-65.
[7] 徐立珍，李彥，楊知,等.汽車尾氣溫差發(fā)電的實驗研究[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010,50(2):287-289.
[8] 周澤廣,朱冬生,吳紅霞,等.溫差發(fā)電器的傳熱特性分析與實驗研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報，2009，39(11):47-52.
[9] 曹龍漢,劉安才,高占國．MCS-51單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]．重慶:重慶出版社，2004.
[10] 馬江濤.單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)[J].計算機(jī)測量與控制,2004(12):219-1229.
[11] 黃禎祥,鄧懷雄,郭延文,等.基于MCS-51單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2005,28(6):22-24.