基于STM32的半导体温差发电仪的研制

发布时间：2018-10-05 20:10

【摘要】：为了解决工业余热、废热重新利用的问题以及响应国家节能减排的号召,本文基于热电效应设计并研制出了一种在实验室条件下可以实现的低温差发电仪,实现了温差发电目标以及演示功能。主要工作可总结为以下五个方面：(1)半导体温差发电仪总体方案的设计及研究。根据温差发电基本原理,建立半导体温差发电仪器的理想模型并利用热力学理论对其进行研究分析,推导出温差发电器件输出特性的表达式。在定性探究影响温差发电仪输出性能主要因素的基础上,分析半导体温差发电仪各功能分区的结构构成和工作机理,重点阐述半导体温差电仪控制系统的组成核心。根据该仪器总体设计原则以及项目新需要,从可维护性、美观性以及后续的可升级性的角度,给出其总体设计方案。使用STM32F103C8T6作为主控单元,由电压电流检测电路、A/D转换电路、温度控制电路、人机交互模块及温度采集单元等构成硬件电路控制模块,再结合PID控制算法和上位机统计算法等完成温差发电仪总体方案的设计。(2)半导体温差发电仪的硬件设计方案的研究及实现。基于温差发电仪控制系统的关键模块,提出了该仪器控制系统的硬件设计方案。在归纳各个模块硬件电路实现功能的基础上并结合其要完成的功能来搭建具体电路。温差发电器件的输出电压经由放大滤波钳位等电路输入到主控芯片STM32F103C8T6上的ADC,再把转化结果输入PID运算,利用PID输出结果控制PWM输出的脉宽,从而控制发电模块发热时长,达到控制温度的目的,使输出电压稳定然后带动负载电路工作。温度采集单元起辅助控制作用,所有采集的数据都经由串口转USB电路发送到上位机。(3)半导体温差发电仪软件设计方案的研究及实现。半导体温差发电仪控制系统的软件设计是研制该仪器的关键环节,软件部分主要由上位机和下位机两部分组成,上位机使用C#编写,其负责采集串口发来的数据,并完成数据解包、存储、分析、绘制曲线图等功能；下位机使用C编写,主要完成采集温度、电压转换、简单人机交互、控制发热器件温度、控制负载等功能,并把所有数据打包由USB转串口发送到上位机。(4)半导体温差发电仪测试平台设计方案的研究及实现。根据热力学基本热流法来确定温差发电仪从上至下的垂直安装顺序,从而方便地为热量传输提供了一个垂直流动渠道。再结合仪器外形要美观大方以及结构设计合理规范的原则,搭建出半导体温差发电仪器测试平台。在实验室进行模拟热源,采用DJR-G型硅橡胶加热器作为加热器件、翅片散热器作为散热器件再结合保温层,构成了温差发电仪测试平台。(5)半导体温差发电仪性能测试的实现。利用该仪器对半导体温差发电器件的发电特性进行研究分析,得到以下规律：负载电阻对温差发电器件有着复杂的影响。随着负载电阻增加,输出功率先增加后减小,当达到匹配电阻时达到最大值；温差发电器件的冷端对输出功率影响较大,选择不同的散热模式,输出功率是不同的,而有效的散热策略会提高输出功率。本课题的成功实现对半导体温差发电进一步的应用研究及该领域人才培养提供了良好平台,并为今后工业低品位余热重新利用找到了一条新路。
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【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM913

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