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以單片機(jī)AT89C51為控制核心，將半導(dǎo)體制冷技術(shù)引入到LED散熱研究中，采用PID算法和PWM調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體制冷片的輸入電壓的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對半導(dǎo)體制冷功率的控制，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。
隨著LED技術(shù)日新月異的發(fā)展，LED已經(jīng)走進(jìn)普通照明的市場。然而，LED照明系統(tǒng)的發(fā)展在很大程度上受到散熱問題的影響。對于大功率LED而言，散熱問題已經(jīng)成為制約其發(fā)展的一個瓶頸問題。而半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有體積小、無須添加制冷劑、結(jié)構(gòu)簡單、無噪聲和穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的進(jìn)步，以及高熱電轉(zhuǎn)換材料的發(fā)現(xiàn)，利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)來解決LED照明系統(tǒng)的散熱問題，將具有很現(xiàn)實(shí)的意義。
1 LED熱量產(chǎn)生的原因及熱量對LED性能的影響
LED 在正向電壓下，電子從電源獲得能量，在電場的驅(qū)動下，克服PN 結(jié)的電場，由N 區(qū)躍遷到P 區(qū)，這些電子與P 區(qū)的空穴發(fā)生復(fù)合。由于漂移到P 區(qū)的自由電子具有高于P 區(qū)價(jià)電子的能量，復(fù)合時(shí)電子回到低能量態(tài)，多余的能量以光子的形式放出。然而，釋放出的光子只有30%～40%轉(zhuǎn)化為光能，其余的60%～70%則以點(diǎn)振動的形式轉(zhuǎn)化為熱能。
由于LED是半導(dǎo)體發(fā)光器件，而半導(dǎo)體器件隨溫度的變化自身發(fā)生變化，從而其固有的特性會發(fā)生明顯的變化。對于LED結(jié)溫的升高會導(dǎo)致器件性能的變化和衰減。這種變化主要體現(xiàn)在以下三個方面：⑴減少LED的外量子效率;⑵縮短LED的壽命;⑶造成LED發(fā)出光的主波長發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致光源的顏色發(fā)生偏移。大功率LED一般都用超過1W的電功率輸入，其產(chǎn)生的熱量很大，解決其散熱問題是當(dāng)務(wù)之急。
2半導(dǎo)體制冷原理
半導(dǎo)體制冷又稱電子制冷，或者溫差電制冷，是從50年代發(fā)展起來的一門介于制冷技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)邊緣的學(xué)科，與壓縮式制冷和吸收式制冷并稱為世界三大制冷方式。半導(dǎo)體制冷器的基本器件是熱電偶對，即把一只N型半導(dǎo)體和一只P型半導(dǎo)體連接成熱電偶(如圖1)，通上直流電后，在接口處就會產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。在電路上串聯(lián)起若干對半導(dǎo)體熱電偶對，而傳熱方面是并聯(lián)的，這樣就構(gòu)成了一個常見的制冷熱電堆。借助于熱交換器等各種傳熱手段，是熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，而把熱電堆的冷端放到工作環(huán)境中去吸熱降溫，這就是半導(dǎo)體制冷的原理。
圖1 半導(dǎo)體制冷片TEC結(jié)構(gòu)
本文采用半導(dǎo)體制冷是因?yàn)榕c其他的制冷系統(tǒng)相比，沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動部分、無需制冷劑、無污染可靠性高、壽命長而且易于控制，體積和功率都可以做的很小，非常適合在LED有限的工作空間里應(yīng)用。
3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
LED散熱控制系統(tǒng)由溫度設(shè)定模塊、復(fù)位模塊、顯示模塊、溫度采集模塊、控制電路模塊[2]及制冷模塊組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。該系統(tǒng)以微處理器為控制核心，與溫度采集模塊通信采集被控對象的實(shí)時(shí)溫度，與溫度設(shè)定模塊通信設(shè)定制冷啟動溫度和強(qiáng)制冷溫度。利用C語言對未處理編程可實(shí)現(xiàn)，當(dāng)采集的實(shí)時(shí)溫度小于制冷啟動溫度時(shí)，無PWM調(diào)制波[1,6]輸出，制冷模塊處于閑置狀態(tài);當(dāng)采集的實(shí)時(shí)溫度大于制冷啟動溫度但小于強(qiáng)制冷溫度時(shí)，輸出一定占空比的PWM調(diào)制波，制冷模塊啟動小功率的制冷方式;當(dāng)采集的實(shí)時(shí)溫度大于強(qiáng)制冷溫度時(shí)，輸出一定占空比的PWM調(diào)制波，制冷模塊啟動大功率的制冷方式。
[$page] 4硬件電路設(shè)計(jì)及其元件選擇
該系統(tǒng)主要由溫度設(shè)定、溫度采集、PWM控制電路及輔助電路(復(fù)位電路和顯示電路)組成。本方案采用低價(jià)位、高性能的AT89C51作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的邏輯控制功能;采用單線通信的高精度溫度傳感器DS18B20，實(shí)現(xiàn)對被控對象LED芯片實(shí)時(shí)溫度的采集;同時(shí)設(shè)計(jì)了4×3輸入鍵盤，制冷啟動溫度和強(qiáng)制冷溫度由鍵盤輸入;設(shè)計(jì)了PWM控制電路，實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體制冷片TEC[5]的工作電壓的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體制冷片TEC制冷功率的控制，以達(dá)到對LED芯片及時(shí)散熱的效果。
4.1主控芯片AT89C51
該系統(tǒng)的主控芯片選用的是單片機(jī)AT89C51。單片機(jī)AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的處理器，為嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高的廉價(jià)方案。單片機(jī)AT89C51內(nèi)含4KB的Flash儲存器，可反復(fù)擦寫1000次、128字節(jié)的RAM、四個并行8位雙向I/O和2
