基于半导体制冷片的电涌保护器的温控装置及其控温方法与流程

本发明属于电子、电气设备雷电保护技术领域，具体涉及一种基于半导体制冷片的电涌保护器的温控装置及其控温方法。

背景技术：

电涌保护器是用于带电系统中限制瞬态过电压和引导电涌电流泄放的非线性防护器件，用以保护耐压水平低的电气或电子系统免遭雷击及雷击电磁脉冲或操作过电压的损害。近年来，电气设备、电子信息系统发展迅猛，由于耐压水平较低极易受到雷电电磁脉冲的危害，为此需采用电涌保护器做过电压保护。电涌保护器性能的好坏直接影响防护能力，其安全性能也成为行业及用户关注的重要问题。

雷电过电压和操作过电压等暂态过电压的作用会导致内部的氧化锌压敏电阻温度升高，如不能及时将热量散发出去，氧化锌压敏电阻温度超过某一极限值将引起压敏电阻发生热崩溃，当发生热崩溃时会引起氧化锌压敏电阻的击穿破坏以及电涌保护器整体的破碎炸裂，严重时会引起电源系统短路甚至起火事故，导致电涌保护器的预期寿命大大缩短。因此当电涌保护器及其内部的氧化锌压敏电阻发热时对其进行降温显得尤为重要。

目前对电涌保护器及其内部的氧化锌压敏电阻进行降温主要采取物理降温措施。申请号为cn201611252325.4，名称为“一种具有自动散热结构的电涌保护器”的专利通过设置推动结构，当温度过高时主动联通内外空间，排出热气。这一方法可以起到一定散热作用，但工作效率很低，无法快速排出热气，降低电涌保护器内部温度。申请号为cn201420655729.8，名称为“一种电吹散热式浪涌保护器”的专利通过将电涌保护器主体与风机同时封装在壳体内，壳体的内部设有风道。风机的电机通过旋转轴控制叶片旋转，叶片旋转吹出的风能可以通过开口吹入风道，浪涌保护器主体实现散热。此方法能达到散热的目的，但在浪涌保护器正常工作的温度下也叶片也转动，造成资源的浪费，而且降温效果也不明显。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于半导体制冷片的电涌保护器的温控装置及其控温方法。半导体制冷片是由半导体所组成的一种冷却装置，由许多n型半导体和p型半导体的颗粒互相排列而成，当一块n型半导体材料和一块p型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，从而产生温差形成冷热端。半导体制冷片体积小且制冷效果好，多用于小空间（如车载冰箱）的温度控制。将半导体制冷片引入电涌保护器的温度控制可以取得良好效果，大大增加预期寿命并提高可靠性。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

基于半导体制冷片的电涌保护器温控装置，包括制冷模块、测温模块、温度控制模块、通信模块和电源模块，所述制冷模块中制冷片的制冷面紧贴电涌保护器内的氧化锌压敏电阻，所述测温模块设于电涌保护器内的氧化锌压敏电阻旁，进行温度的实时监控，温度控制模块接收测温模块测得的温度数据并进行处理，再将处理后的数据反馈给制冷模块，温度数据通过通信模块在测温模块、温度控制模块和制冷模块之间传输，电源模块进行不同电压之间的转换并为整个装置提供电能；

所述测温模块上电后，微处理器首先对各模块、各传感器进行初始化，在无工作任务情况下进入睡眠低功耗模式，微处理器通过i2c总线对其控制寄存器进行设置，当微处理器接收到温度控制模块的指令后，温度传感器开始读取实时数据，并将温度数据发送给温度控制模块，在接收到温度控制模块的接收成功应答后重新进入睡眠低功耗模式，所述测温模块具体包括芯片u2、电阻r2、电阻r3和电容c1，所述电阻r2的一端和电阻r3的一端均与3.3v电压连接，电阻r2的另一端和电阻r3的另一端分别与芯片u2的引脚2和引脚3连接，芯片u2的引脚8分别与电容c1的一端和3.3v电压连接，电容c1的另一端和芯片u2的引脚4、引脚5、引脚6、引脚7均与地线连接，所述芯片u2为tmp275_dgk_8，所述微处理器为芯片stm32f103zet6。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的温度控制模块通电后，微处理器首先会初始化时钟、外设等。微处理器完成系统的初始化后，向测温模块发送识别数据，接收到回应后进入控制工作流程。微处理器向测温模块发送指令字符，接收到对应测温模块回传的温度数据后，将其保存在指定的存储空间。温度数据进行一些滤波算法的处理后被传入控制算法，从而对制冷模块进行控制。具体包括芯片ds1302、芯片stm32f103zet6、12864模块、ir模块、gms模块、wifi模块和dubug模块，所述芯片ds1302的引脚x1和引脚x2分别连接晶振的两端，芯片ds1302的引脚vcc1连接电源的正极，所述电源的负极和芯片ds1302的引脚gnd均连接地线，芯片ds1302的引脚sclk、引脚data和引脚rst分别连接芯片stm32f103zet6的引脚pd2、引脚pd3和pd1，所述12864模块的引脚vdd、引脚rst和引脚leda均与电源连接，引脚vss、引脚rsb和引脚ledk均与地线连接，引脚cs、引脚sid和引脚sck分别与芯片stm32f103zet6的引脚pg10、引脚pg12和引脚pg14连接，ir模块的引脚vcc、引脚gnd和引脚ir分别连接电源、地线和芯片stm32f103zet6的引脚pa1/tim2_ch2，gms模块的引脚gmsrx和引脚gmstx分别连接芯片stm32f103zet6的引脚pa9/usart1_tx和引脚pa10/usart1_rx，wifi模块的引脚wifirx和引脚wifitx分别连接芯片stm32f103zet6的引脚pa2/usart2_tx和引脚pa3/usart2_rx，dubug模块的引脚gnd、引脚dbgtx和引脚dbgrx分别连接地线、芯片stm32f103zet6的引脚pc11/usart3_rx和引脚pc10/usart3_tx，芯片stm32f103zet6的引脚reset分别连接电容c1的一端，按键的一端和电阻r1的一端，电容c1的另一端和按键的另一端均与地线连接，电阻r1的另一端连接电源，芯片stm32f103zet6的引脚gnd和引脚vcc分别连接地线和电源，芯片stm32f103zet6的引脚pb0/tim3_ch3连接pwm_out网络节点，引脚osc_in分别连接晶振的一端和电容c3的一端，引脚osc_out分别连接晶振的另一端和电容c2的一端，电容c3的另一端和电容c2的另一端均连接地线。

上述的通信模块是整个温控装置内部各模块相互联系，以及整个装置与外界连接的通道，选择通信模块将实时监控所得的温度数据传输至后方终端，而装置内部各模块间的数据通信交流同样通过串口将数据传给通信模块实现无线通信，具体包括芯片u3和电容，所述芯片u3的引脚5和引脚6分别与网络节点urx和utx连接，引脚16连接地线，引脚15、引脚12、引脚10和电容c4的一端均连接3.3v电压，电容c4的另一端连接地线，所述芯片u3为c4usr-wifi1232-s。

上述的电源模块为整个装置提供电能，变压器和二极管将220v交流电通过变压、整流、稳压转变为15v直流电，为半导体制冷片供电，再通过ams1117-3.3电源稳压芯片，将输入15v电压通过ams1117-3.3降到3.3v为微处理器、wi-fi等工作电压为3.3v的器件供电，具体包括芯片u5，电容c5和电容c6，所述芯片u5的引脚3和电容c5的一端均与5v电压连接，芯片u5的引脚2和电容c6的一端均与3.3v电压连接，芯片u5的引脚1、电容c5的另一端和电容c6的另一端均与地线连接，所述芯片u5为ams1117-3.3。

基于半导体制冷片的电涌保护器温控装置的控温方法，包括以下步骤：

步骤一：安装在电涌保护器内部的测温模块对氧化锌压敏电阻以及器件内部环境温度实时监测，测得的温度数据传递给温度控制模块；

步骤二：温度控制模块在接收到测温模块传输的温度信号后进行判断，是否达到预设温度，控制半导体制冷片的是否工作；

步骤三：若氧化锌压敏电阻片工作发热导致温度高于预设温度，温度控制模块便驱动制冷模块，半导体制冷片开始工作，对电涌保护器进行降温。当电涌保护器内部温度到达预设温度后，温度控制模块发出新的指令，制冷模块停止工作。

上述的步骤一中测温模块在电涌保护器内部监测到的实时温度数据通过通讯模块传输至外部终端，在后方平台对于电涌保护器内部的温度及时掌握了解。

本发明具有以下有益效果：

（1）利用半导体制冷片对氧化锌压敏电阻工作发热时进行降温的设计，降温速度快、效率高，绝缘性能好。可以有效防止氧化锌压敏电阻因温度过高而增加功率损耗导致其过快老化裂化或电涌保护器外壳及附属器件发生爆裂的现象，从而达到电涌保护器长期稳定运行的目的；

（2）测温模块对电涌保护器内部温度进行实时监控，温度控制模块可以实时获取器件内部温度，再通过软件算法控制制冷模块，使电涌保护器内部的温度能够保持在一个适合工作的区间内，可有效延长电涌保护器寿命；

（3）电涌保护器内部的实时温度数据可以通过通讯模块传输至外部终端，可在后方平台对电涌保护器内部的温度进行24小时监控。

附图说明

图1为本发明的温控装置各模块示意图；

图2为本发明的增加半导体制冷片前后氧化锌压敏电阻功耗随温度变化示意图；

图3为本发明的测温模块程序流程图；

图4为本发明的测温模块电路原理图；

图5为本发明的控制程序流程图；

图6为本发明的温度控制模块电路原理图；

图7为本发明的通信模块电路原理图；

图8为本发明的电源模块电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

参见图1，本发明的基于半导体制冷片的电涌保护器温控装置，包括制冷模块、测温模块、温度控制模块、通信模块和电源模块。各模块具体如下：

（1）制冷模块：

制冷模块根据不同尺寸的氧化锌压敏电阻片选择合适功率、尺寸的半导体制冷片，本实施例选择型号为tec1-12715的半导体制冷片，将其制冷面贴近氧化锌压敏电阻片。当接收到温度控制模块发送的指令后开始工作，迅速对氧化锌压敏电阻降温。其散热面贴近电涌保护器外壳，通过在外壳上的通风孔进行散热。达到对电涌保护器进行温度控制的目的。

制冷模块运用的是珀尔帖半导体制冷技术，运用珀尔帖效应半导体制冷片作为制冷模块的核心。半导体制冷片体积小，尺寸与氧化锌压敏电阻类似，制冷片的制冷面紧贴电涌保护器内的氧化锌压敏电阻，当电涌保护器处于工作状态温度升高时，制冷片工作对其进行降温，使氧化锌压敏电阻表面温度及电涌保护器内部环境温度处于正常值，制冷片的散热面则通过散热片将热量传导至电涌保护器的外部，从而降低器件内部的温度。同时半导体制冷片制冷效率高，可在短时间内迅速降温，当雷电流来袭氧化锌压敏电阻工作发热时，半导体制冷片可迅速工作，将温度控制在合适值。

参见图2，图2中左部分图是未加半导体制冷片前不同参考电压的氧化锌压敏电阻功耗随温度的变化情况。温度越高，其功耗也越大，当温度超过一定值后很容易造成压敏电阻片的热崩溃现象。图2中右部分图是加装半导体制冷片后不同参考电压的氧化锌压敏电阻片功耗随温度的变化情况。在相同的温度变化情况下，功耗降低了很多，说明半导体制冷片对氧化锌压敏电阻片的散热效果明显，能够对氧化锌压敏电阻片起到很好的保护作用。

（2）测温模块：

参见图3和图4，测温模块采用了温度传感器tmp275，tmp275是一款9位到12位精度可设置的温度传感器，工作电流为50µa，待机电流只需0.1µa。测温模块上电后，微处理器首先对各模块、各传感器进行初始化，在无工作任务情况下进入睡眠低功耗模式，微处理器通过i2c总线对其控制寄存器进行设置，当微处理器接收到温度控制模块的指令后，温度传感器开始读取实时数据，并将温度数据发送给温度控制模块，在接收到温度控制模块的接收成功应答后重新进入睡眠低功耗模式。

测温模块设于电涌保护器内的氧化锌压敏电阻旁，进行温度的实时监控，温度控制模块接收测温模块测得的温度数据并进行处理，再将处理后的数据反馈给制冷模块，温度数据通过通信模块在测温模块、温度控制模块和制冷模块之间传输，电源模块进行不同电压之间的转换并为整个装置提供电能。测温模块具体包括芯片u2、电阻r2、电阻r3和电容c1，电阻r2的一端和电阻r3的一端均与3.3v电压连接，电阻r2的另一端和电阻r3的另一端分别与芯片u2的引脚2和引脚3连接，芯片u2的引脚8分别与电容c1的一端和3.3v电压连接，电容c1的另一端和芯片u2的引脚4、引脚5、引脚6、引脚7均与地线连接，芯片u2为tmp275_dgk_8，微处理器为芯片stm32f103zet6。

（3）温度控制模块：

参见图5和图6，温度控制模块根据应用领域与功能需求选择基于amrcortex-m4内核的stm32f40高性能微控制器。温度控制模块是整个温控装置的核心，温度控制模块运行程序中设有一个预设温度，通过i2c总线协议与温度传感器进行通信，温度控制模块在接收到测温模块传输的温度信号后进行判断，是否达到预设温度，控制半导体制冷片是否工作。温度控制模块还包含时间采集单元，其由外部时钟组成，时钟模块采用ds1302实时时钟芯片。ds1302外部需要提供一个精确的32.768khz的时钟信号作为其时间计数时钟，还需提供一个3v电源为其内部计时部分供电，保证系统掉电的状态下不会丢失时间。

温度控制模块通电后，微处理器首先会初始化时钟、外设等，微处理器完成系统的初始化后，向测温模块发送识别数据，接收到回应后进入控制工作流程。微处理器向测温模块发送指令字符，接收到对应测温模块回传的温度数据后，将其保存在指定的存储空间。温度数据进行一些滤波算法的处理后被传入控制算法，从而对制冷模块进行控制。具体包括芯片ds1302、芯片stm32f103zet6、12864模块、ir模块、gms模块、wifi模块和dubug模块，芯片ds1302的引脚x1和引脚x2分别连接晶振的两端，芯片ds1302的引脚vcc1连接电源的正极，电源的负极和芯片ds1302的引脚gnd均连接地线，芯片ds1302的引脚sclk、引脚data和引脚rst分别连接芯片stm32f103zet6的引脚pd2、引脚pd3和pd1，12864模块的引脚vdd、引脚rst和引脚leda均与电源连接，引脚vss、引脚rsb和引脚ledk均与地线连接，引脚cs、引脚sid和引脚sck分别与芯片stm32f103zet6的引脚pg10、引脚pg12和引脚pg14连接，ir模块的引脚vcc、引脚gnd和引脚ir分别连接电源、地线和芯片stm32f103zet6的引脚pa1/tim2_ch2，gms模块的引脚gmsrx和引脚gmstx分别连接芯片stm32f103zet6的引脚pa9/usart1_tx和引脚pa10/usart1_rx，wifi模块的引脚wifirx和引脚wifitx分别连接芯片stm32f103zet6的引脚pa2/usart2_tx和引脚pa3/usart2_rx，dubug模块的引脚gnd、引脚dbgtx和引脚dbgrx分别连接地线、芯片stm32f103zet6的引脚pc11/usart3_rx和引脚pc10/usart3_tx，芯片stm32f103zet6的引脚reset分别连接电容c1的一端，按键的一端和电阻r1的一端，电容c1的另一端和按键的另一端均与地线连接，电阻r1的另一端连接电源，芯片stm32f103zet6的引脚gnd和引脚vcc分别连接地线和电源，芯片stm32f103zet6的引脚pb0/tim3_ch3连接pwm_out网络节点，引脚osc_in分别连接晶振的一端和电容c3的一端，引脚osc_out分别连接晶振的另一端和电容c2的一端，电容c3的另一端和电容c2的另一端均连接地线。

（4）通信模块：

通信模块是整个温控装置内部各模块相互联系，以及整个装置与外界连接的通道。选择wi-fi通信模块将实时监控所得的温度数据传输至后方终端，而装置内部各模块间的数据通信交流同样通过串口将数据传给wi-fi通信模块实现无线通信。wi-fi通信模块使用的是usr公司生产的wi-fi通信芯片1232-s，该芯片支持ieee802.11b/g，传输速度为54mbps。

参见图7，通信模块是整个温控装置内部各模块相互联系，以及整个装置与外界连接的通道，选择通信模块将实时监控所得的温度数据传输至后方终端，而装置内部各模块间的数据通信交流同样通过串口将数据传给通信模块实现无线通信，具体包括芯片u3和电容，芯片u3的引脚5和引脚6分别与网络节点urx和utx连接，引脚16连接地线，引脚15、引脚12、引脚10和电容c4的一端均连接3.3v电压，电容c4的另一端连接地线，芯片u3为c4usr-wifi1232-s。

（5）电源模块：

参见图8，电源模块为整个装置提供电能，变压器和二极管将220v交流电通过变压、整流、稳压转变为15v直流电，为半导体制冷片供电，再通过ams1117-3.3电源稳压芯片，将输入15v电压通过ams1117-3.3降到3.3v为微处理器、wi-fi等工作电压为3.3v的器件供电，具体包括芯片u5，电容c5和电容c6，芯片u5的引脚3和电容c5的一端均与5v电压连接，芯片u5的引脚2和电容c6的一端均与3.3v电压连接，芯片u5的引脚1、电容c5的另一端和电容c6的另一端均与地线连接，芯片u5为ams1117-3.3。

基于半导体制冷片的电涌保护器温控装置的控温方法，包括以下步骤：

步骤一：安装在电涌保护器内部的测温模块对氧化锌压敏电阻以及器件内部环境温度实时监测，测得的温度数据传递给温度控制模块；

步骤二：温度控制模块在接收到测温模块传输的温度信号后进行判断，是否达到预设温度，控制半导体制冷片的是否工作；

步骤三：若氧化锌压敏电阻片工作发热导致温度高于预设温度，温度控制模块便驱动制冷模块，半导体制冷片开始工作，对电涌保护器进行降温。当电涌保护器内部温度到达预设温度后，温度控制模块发出新的指令，制冷模块停止工作。

同时，测温模块在电涌保护器内部监测到的实时温度数据通过通讯模块传输至外部终端，在后方平台对于电涌保护器内部的温度及时掌握了解。

另外，对于电涌保护器的散热方面，当雷电流来袭，在工作时氧化锌压敏电阻吸收的能量为：

。

在冲击电流作用下，可视为绝热温升的过程，单位体积的瞬时能量可以由氧化锌压敏电阻的参数求得

，

整理后可得到温升为：

。

当温度超过某一极限值将引起压敏电阻发生热崩溃，同时由于受到热应力的作用会引起氧化锌压敏电阻晶粒结构的变化，最终导致击穿破坏。

本发明对发热的氧化锌压敏电阻利用半导体制冷片进行降温，制冷面产生的低温经过氧化锌压敏电阻外侧的包封层传导至其内部，使内部的晶粒结构温度降低，维持正常状况下的排列结构。同时在电涌保护器外壳上进行开孔，以便散热面产生的热量迅速从外壳空隙处排除，保证电涌保护器内部维持合适的工作温度。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。