帕尔贴发电机设计工作方案化工.docVIP

帕尔贴发电机设计-化工 帕尔贴发电机设计 施　栋 （无锡职业技术学院，江苏 无锡 214121） 【摘　要】帕尔贴发电是一种半导体发电技术，也是一种清洁绿色的发电技术，符合当代能源发展的要求。为了实时反应出电压的大小等参数，本文设计了一种开源单片机arduino为核心的帕尔贴温差发电系统。该控制器利用DS18B20温度传感器分别对帕尔贴的冷端和热端的温度进行检测，并能在OLED显示屏上显示相关信息，从而能达到实时反应帕尔贴发电参数的目的。并且能通过开关，实现在驱动单片机和对外部设备进行充电这两种功能之间切换。经过多次实验，测试采样数据准确，发电效率优秀，有比较大的推广价值。 关键词 绿色能源；低功耗；Arduino单片机；DS18B20温度传感器；充电功能 随着21世纪的到来，经济迅速发展，随之而来的也是环境污染日趋严重。因此，更多的绿色能源如太阳能、地热、化学能也越来越多的进入人们的视线。而这其中热能和电能的转换仍然是当代能源转换的主流。 温差发电是一种绿色环保的能源技术。这种全固态能量转换方式无噪音、无磨损、无污染物排放、体积小、重量轻、携带方便、使用寿命长、无需人工维护。基于上述优点，该项技术在国外已广泛应用于航天和军事等领域[1]。因此，本文旨在设计一套传感器与帕尔贴发点片结合的的设备，能实现对arduino单片机的驱动和对额定电压为5V的设备充电功能。 1　本设计任务和总体方案 1.1　发电原理 将两种半导体的一端结合在一起并使之处于高温状态（热端），而另一端开路且处于低温状态（冷端），则在冷端（T1）存在开路电压ΔV，这个效应称塞贝克效应。如图1所示。塞贝克电压ΔV与热冷两端的温度差ΔT成正比，即： ΔV= αSΔT= αSΔ（T2-T1） （1） 其中αS称为塞贝克系数，其单位是V/K或μV/K。塞贝克系数由材料本身的电子能带结构决定的[2]。 1.2　模块介绍 本设计是基于arduino控制下的温差发电方案，分别对半导体温差发电、电路升压稳压及控制设备的软硬件各个部分进行了设计研究。 本文设计的设计方案主要是依靠帕尔贴发电模块产生的电压通过5VDC-DC的升压稳压模块后产生的电压来通过两个开关能手动选择驱动arduino单片机的工作或是给外部的设备进行充电。若选择了驱动arduino的工作，单片机会接收来自DS18B20温度传感器帕尔贴冷热端温度，将数据送至arduino单片机进行计算温差，并能通过arduino的A1端口对帕尔贴产生的电压值进行测量，最后把这些数据值都能显示在OLED显示屏上。同样还可以通过手动控制开关来实现给外接USB接口提供5V直流电源。设计方案有以下几个模块组成：帕尔贴温差发电模块，5VDC-DC升压稳压模块，Arduino uno单片机模块，DS18B20温度传感器模块，OLED液晶显示器模块，USB外接充电模块。设计框图如图2所示。 2　主要模块设计 2.1　核心控制模块 本控制器的核心是一款开源的单片机arduino uno。它的核心处理器是ATmega328，同时具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。本设计中使用从A1引脚读取数据值。Arduino板包含一个6通道，10位模拟数字转换器。这意味着它将0至5伏特之间的输入电压映射到0至1023之间的整数值。这将产生读数之间的关系：5伏特/1024单位，或0.0049伏特（4.9mV）每单位。它需要大约100微秒（0.0001）来读取模拟输入，所以最大的阅读速度是每秒10000次。采样值的计算公式为： 2.2　采样模块 采样模块即为帕尔贴发电模块。该模块利用塞贝克效应，如图3所示，人们常将一定数量的半导体电偶臂对串联起来制成温差发电模块，将P型半导体和N型半导体在热端连接，则在冷端可得到一个电压，P型和N型半导体交替连接形成模块。这样做的目的是为了利用P型与N型半导体产生的塞贝克电压极性相反的性质，从而来实现温差发电模块热学上的并联和电学上串联的目的[3]。 2.3　显示模块 在数据的显示部分，由于帕尔贴发电模块产生的功率有限，因此本设计采用超低功耗的0.96寸OLED来对采集的数据进行显示。除了超低功耗之外，有机发光二极管显示器（OLED）具有自发光、强对比、大色域、广视角、快响应、高效率、低电压等优点，而且适用环境广、面板厚度薄、制程简单、可制作大尺寸与柔性面板，被誉为下一代的“梦幻显示器”[4]。由于I/O口充足，本文采用SPI接法，除去GND和VCC之外，将剩下的SDA、CLK、DC、RESET