基于ATMEGA16的太阳能供电制冷系统设计

1 制冷系统设计

1．1 制冷功率计算

系统各部分的参数匹配取决于系统所需要的制冷量，因此制冷量的计算是设计的前提。在本文中，制冷环境为一密闭圆筒粮仓。由于粮仓顶层在外界气温较高时易积热，为维持粮食在低温或准低温环境下储藏的目的，需要对粮仓内粮堆线以上的空气层进行制冷。根据传热学基本原理，可计算出粮仓的冷负荷。

粮仓内空气的制冷量需求：
Q1=ρVC(T0-T1) (1)
顶部空气层与粮仓侧面、仓顶以及粮仓内的粮食存在热量的传递，在τ时刻后，向外扩散的冷量：
Q2=KS(T2-T3) (2)
粮仓的总制冷负荷：
Q=Q1+Q2 (3)
式中，ρ为粮仓内空气的密度；V为空气体积；C为空气的比热；T0为粮仓内空气的初始温度；T1为制冷目标温度；K为等效传热系数，单位为W／K；S为有效传热面积；T2和T3分别为粮仓内外随时间变化的温度，单位为K。

根据半导体制冷片的热电制冷原理，可以根据测得的温度、电压和电流计算半导体制冷原件的特性参数：

式中，α为制冷元件的塞贝克系数，单位为V／K；I为半导体制冷片的工作电流，单位为A；Th和Tc分别为制冷片热端和冷端的温度，单位为K；R为制冷片的电阻，单位为Ω；Kt为制冷片的总导热系数，单位为W／K。
通过公式(1)、(2)和(3)，可以估算系统的冷负荷，即系统所需的制冷量，结合公式(4)、(5)、(6)和(7)对系统的制冷量和输入功率进行优化分析，从而确定供电电源的功率，使系统制冷效率达到最高，从而实现对系统关键器件参数(光伏电池的功率、蓄电池的容量、制冷片的制冷功率和输入功率)的合理匹配。

1．2 系统的总体结构

在此次设计中，太阳能半导体制冷是通过光伏电池板的光电转换，产生电能驱动半导体制冷片的方式来制冷，这种方式的优点是相对易于控制，成本较低。太阳能的强度受多种因素的影响而不能维持常量，为了实现电源和负载之间稳定、高效工作，提高供电质量，需要设计一种可靠的、高效的太阳能电源控制器。

太阳能半导体制冷系统由太阳能电池组、蓄电池、控制器、半导体制冷片、传感器、驱动电路、采样电路和显示电路构成，其结构如图1所示。

2 系统硬件设计

控制器的硬件电路主要由微处理器及其外围的制冷驱动电路，温度检测和电流采样电路所组成。

2．1 ATMEGA16微处理器

选择AVR系列ATMEGA16微处理器为核心控制处理单元。ATMEGA16单片机是AVR系列中高性能低功耗的8位处理器，内部具有丰富的资源，其内部集成8路十位具有可选可编程增益的模数转换器(ADC)及其独特的脉宽调制输出PWM功能。ATMEGA16具有高可靠性、实时性好、抗干扰能力强、成本低等优点。

2．2 半导体制冷驱动电路

选择的制冷片的型号为TEC1-12706，其最大工作电流为6 A，工作电压为12 V。半导体制冷片需用直流电流实现工作运转，既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，温度范围为正温80℃到负温度55℃。

半导体制冷片工作时采用ATMEGA16芯片PWM功能对其进行控制，通过光耦控制达林顿管BD243的通断，以达到对制冷片输入电压的控制，进而控制其冷端的工作温度。半导体制冷片的工作驱动电路如图2所示，其中RL即半导体制冷片。在实际的制冷过程中，为保证制冷效率，要求制冷片工作电流的数量级为安培。而电路中的BD243能提供最大6 A的集电极电流，满足了制冷片的工作需求。4700μF的电容对制冷片的输入电压进行平滑，使得纹波系数小于10％，以保证制冷工况。