一种用于纽扣电池的半导体制冷片双向温度控制装置的制作方法

本发明涉及温度控制领域，尤其涉及一种基于单片机的应用于纽扣电池研究的TEC双向温度控制系统。

背景技术：

半导体制冷片(Thermoelectric Cooler,TEC)是一种基于热电材料的新型半导体器件，具有一面制冷，另一面制热的功能。通过改变半导体制冷片中供电电流的方向和大小，可以交换制冷面与制热面和调节制冷量或者制热量，从而实现温度的调节。由于半导体制冷片具有体积小、无机械部件、可持续操作、启动快、无制冷剂以及寿命长、环境友好等优点，常应用于空间有限和高可靠性的场合。

随着能源的不断消耗，新能源材料成为当今的研究热点，尤其是热电转换的研究。热电池是一种新型的热电转换器件，即通过热动力循环将热能转换成电能的一种电池。热电池利用电极材料电压随温度变化的特性，在不同温度下充电和放电，经过一个热动力循环从而将吸收的热能转换成电能。因此对热电池的研究，需要可快速调温的控温器来调节电池所处温度。

另外，由于环境温度对电池的性能影响很大，如低温条件下，电池内部的电化学反应不能够进行有效的反应，而高温条件下，电池内部的会发生不可逆的化学反应，造成不可逆的容量损失，因此有许多研究者研究了不同温度下电池的性能变化。

目前，对电池进行不同温度下的研究，常用的方法为将电池封装成扣式电池，然后将整个纽扣电池放到恒温箱中。这种方法需要很多很长的接线来将电池连接到电池测试系统上，使得整个系统的占地面积大，成本高。恒温箱内温度分布不均匀，而纽扣电池的体积非常小，使得电池所处温度不一定是所研究的温度点，研究结果和实际结果将存在一定的误差。另外，恒温箱升温降温速度慢，且不能达到低于室温的温度。

技术实现要素：

为了克服现有测试方法中存在的升降温速率慢、温度不精确等问题，本发明提出一种基于单片机的应用于纽扣电池研究的TEC双向温度调控系统。该系统具有控制灵敏、可靠性强、精度高、速度快等优点,且可以将温度控制到零度以下，更利于实验研究。

本发明的技术解决方案是：一种用于纽扣电池的半导体制冷片双向温度控制装置，该装置包括：数据采集模块、数据处理模块、驱动模块、调温模块，其中通过数据采集模块对纽扣电池的温度进行实时采集，采集到的数据经过数据处理模块的分析得出判断结果，根据判断结果通过驱动模块对调温模块进行控制，由调温模块对纽扣电池进行温度调节；其特征在于所述调温模块包括左右两部分，这两部分结构完全对称，每一部分都包括：导热板、设置于导热板背面的半导体制冷片，设置于半导体制冷片上的散热装置，所述导热板正面中部设置有用于放置纽扣电池的凹槽。

进一步的，所述驱动模块为双向驱动电路，可以控制半导体制冷片对纽扣电池进行加热或制冷。

进一步的，所述导热板为铝板，该铝板正面的凹槽深度为纽扣电池的一半，凹槽底部到铝板背面的厚度为1毫米。

进一步的，所述数据处理模块为单片机，且该单片机额外连接有计算机，与计算机实现双向通信。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、可靠性强。本发明所提供的纽扣电池的TEC双向温度控制系统包括2个热敏电阻来分别测量纽扣电池两面的温度，然后通过单片机关联2个驱动电路，进而分别驱动2个TEC，使得2个TEC分别对纽扣电池的两面进行调温。当设定温度值一定时，2个TEC的异步工作保证了纽扣电池两面的温度一致，而纽扣电池厚度较小，因此电池2面的分别调温使得整个纽扣电池的温度趋于一致，提高了实验研究的可靠性。

2、控制灵活。本发明所提供的纽扣电池的TEC双向温度控制系统可以达到快速升温和快速降温的双向温度调控效果。通过单片机与计算机通讯，可以随时通过计算机输入温度设定值，改变纽扣电池的温度，且可以在计算机上实时显示当前纽扣电池的温度。系统体积小，控制可靠，精度高。

附图说明

图1为基于单片机的纽扣电池的TEC双向温度调控系统示意图；

图2为调温模块内部示意图；

图3为调温模块整体示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的介绍。

图1为一种纽扣电池的TEC双向温度调控系统示意图,包括单片机(1)、驱动模块(2)、数据采集模块(3)、温度传感器(4)、TEC(5)、铝板(6)、散热装置(7)和纽扣电池(8)。

单片机是一种超低功耗、带有数据采集模块(3)的混合信号处理器，用以实现与计算机的通信、温度数据采集和对驱动模块的调控。具体过程为数据采集模块采集来自温度传感器的模拟信号后转换成数字信号，即温度测量值。温度设定值通过计算机超级终端输入后，在单片机芯片中与温度测量值进行比较，若温度测量值大于温度设定值，则输出信号至驱动模块，使得TEC对电池进行制冷；若温度测量值小于温度设定值，则输出信号至驱动模块，使得TEC供电电流方向反向，对电池进行加热；若温度测量值等于温度设定值，则输出信号至驱动模块，对TEC停止供电。驱动模块中包含H桥电路，以实现电流方向的改变。

温度传感器为NTC热敏电阻，体积非常小，灵敏度高,响应速度快。系统中有两个温度传感器，分别放置在纽扣电池的两面，用于分别测量电池两面的温度，进而分别反馈给各自的驱动模块，对各自响应的TEC加热制冷状态进行调整。这样进一步保证了电池两面温度的一致，有利于实验的研究。

铝的导热系数高，成本低，因此系统采用铝板作为导热媒介，如图2所示。铝板的一面用导热系数高的导热胶与TEC紧密接触，保证热传导良好；铝板的另外一面中央有一个圆柱状的槽用来放置纽扣电池。为了使纽扣电池与槽的接触固定，槽的内壁附有一个弹性橡胶圈(9)，橡胶宽度为1mm左右，橡胶圈的直径为纽扣电池的直径。根据纽扣电池尺寸，槽的高度为纽扣电池厚度的一半。由于热扩散速率与距离成反比，所以铝板的厚度不能太厚，大约比纽扣电池厚度的一半厚1mm。另外由于铝是导体，纽扣电池外壳也是导体，因此，为了对纽扣电池进行性能测试，需要在槽的底部喷涂一层很薄的导热好但不导电的涂层，然后放置测试导线，把纽扣电池的正极或者负极与相应的测试接线相怜。为了保证系统闭合良好，在铝板上有细长凹槽以便放置测试导线和热敏电阻接线。

TEC工作时，一面制冷的同时另外一面制热。为了保证TEC正常工作，系统使用了散热装置对热端进行散热，如图2所示，使得制冷面可以快速达到设定温度值。散热装置包括了散热片和散热风扇，有效地达到快速散热的效果。所述散热风扇有单独的供电装置。

本发明提供的TEC双向温度控制系统的应用对象为纽扣电池，主要控制单元为单片机。系统其特殊之处为调温模块的设计和具有加热制冷两个工作状态，基本调温过程为：首先通过计算机界面窗口输入设定温度值，通过通讯模块传输给单片机；然后单片机读取温度设定值，同时读取数据采集模块采集到的两个温度传感器的温度测量值，并将温度测量值回传给计算机，进行实时显示。在单片机中比较温度设定值与两个温度测量值的大小后，对驱动模块中的两个驱动电路发出指令，进而驱动TEC对纽扣电池进行加热或者制冷工作。整个温度调控处于动态稳定过程，输入温度设定值时，调温模块能迅速做出相应的反应，控制灵活，精度高。