摘  要： 溫差發(fā)電技術(shù)研究的基礎(chǔ)是搭建一套滿(mǎn)足需求的測(cè)試平臺(tái),，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(duì)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(jì),。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,，該系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求，溫差發(fā)電片的開(kāi)路電壓與其兩端的溫差基本呈線(xiàn)性關(guān)系,。
關(guān)鍵詞： 溫差發(fā)電技術(shù),；測(cè)試平臺(tái)；溫度控制

    隨著世界各國(guó)對(duì)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(wú)需增加發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載、無(wú)噪聲,、體積小等特點(diǎn),。特別是對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展已經(jīng)超過(guò)100年的歷史,，雖然熱效率與最初的發(fā)動(dòng)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(fèi)掉，所占燃油能量的60%左右[1],。同時(shí),，傳統(tǒng)車(chē)輛上的電源由與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的發(fā)電機(jī)輸出，而采用發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電時(shí)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(huì)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(duì)溫差發(fā)電器的熱電性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖,。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中需要對(duì)熱端（利用加熱絲）進(jìn)行加熱，以模擬實(shí)際的熱源,，而熱源溫度對(duì)于溫差發(fā)電器熱電性能有著重要的影響[5-8],需要對(duì)其溫度進(jìn)行精確控制,，為此，對(duì)恒溫控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),。

1 溫控系統(tǒng)硬件原理及構(gòu)成
    該系統(tǒng)的控制對(duì)象是加熱水箱內(nèi)水的溫度,，即需要控制在實(shí)驗(yàn)條件下溫差發(fā)電片的熱端溫度。首先,，通過(guò)熱電偶傳感器將水的溫度轉(zhuǎn)化為電阻值,，再通過(guò)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(chǔ)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(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果由單片機(jī)輸出,；最后,，通過(guò)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(kāi)與閉合,以實(shí)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(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單,，調(diào)試方便，實(shí)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(shí)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(jì)及其實(shí)現(xiàn)
2.1傳感器信號(hào)處理
    溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源,，直接影響系統(tǒng)的可靠性,。測(cè)量裝置采用K型熱電偶與MAX6675模/數(shù)轉(zhuǎn)換器作為溫度測(cè)量電路核心器件。傳統(tǒng)的K型熱電偶需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償及修正因熱電偶本身的非線(xiàn)性所帶來(lái)的測(cè)量誤差,，而MAX6675是一種帶有冷端補(bǔ)償,、線(xiàn)性校正、熱電偶斷線(xiàn)檢測(cè)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(lái)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(hào)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部的放大,、補(bǔ)償,、修正后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)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(hào),。

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(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制,。被控對(duì)象為加熱水箱,，采用對(duì)加載熱水箱兩端的電壓通斷的方法進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水加熱功率的調(diào)整,，從而達(dá)到對(duì)水溫控制的目的,。對(duì)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(jiǎn)單,，只要在控制端加上一個(gè)TTL電平,，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的開(kāi)關(guān)控制。當(dāng)單片機(jī)的P2.7為高電平時(shí),，三極管驅(qū)動(dòng)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(shí),，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(duì)象組成。
  

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

    基于單片機(jī)建立了能夠用于測(cè)試溫差發(fā)電系統(tǒng)特性的溫度控制系統(tǒng),，通過(guò)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)可得到以下結(jié)論：
    (1)所設(shè)計(jì)的恒溫控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度的控制，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求,；
    (2)對(duì)于溫差發(fā)電片,，其開(kāi)路電壓與溫差發(fā)電片兩端的溫差基本呈線(xiàn)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(cè)試平臺(tái)的搭建[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006,23(11):62-65.
[7] 徐立珍,，李彥,，楊知,等.汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電的實(shí)驗(yàn)研究[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(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(shí)驗(yàn)研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào),，2009,，39(11):47-52.
[9] 曹龍漢,劉安才,高占國(guó)．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(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)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.