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。
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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分别与数字端口9、10、11、12相连，从而实现arduino对于OLED的驱动。
3 软件设计
本设计主要是利用Arduino配套的开发工具Arduino IED进行工程开发，使用该软件能够进行程序的编译，单步，全速调试，简单易用，本设计中程序主要是由采样、显示和驱动三部分组成。程序开始，先进行初始化阶段，其中包括定义引脚、写字模和调用库的过程。随后，单片机发送命令读取电压温度的模拟值，然后对读取的数据进行采样处理，得出数字量，最后调用Display函数输出电压和温度值。
4 硬件调试
上电后即将程序下载到Arduino uno，系统可以正常的工作。通过热电阻丝给帕尔贴发电模块加热，升压稳压模块的红色指示灯随着温差的加大逐渐由暗变亮。闭合开关S2，用手机数据线连接外接USB接口，手机上能正确显示正在充电中。断开开关S2，闭合开关S1，单片机能驱动OLED和DS18B20正常工作，OLED上面能准确显示温差（temperature）以及电压值（voltage）大小。经过反复多次测试，系统的响应及时，稳健。
5 结语
报告分析认为，目前化石能源在一次性能源消费量中占绝对优势，太阳能、生物质能等绿色能源飞速发展领跑世界、赶超煤电，绿色能源取代化石能源是世界也是中国大势所趋[5]。作为半导体发电技术，类似于帕尔贴发电等绿色能源技术也会越来越成为未来的主流。而将发电设备与单片机、传感器等设备相结合能更好的实现对能源参数的监测或者控制，这也将会给能源问题带来物联网技术的一些好处，利于能源问题的解决。
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参考文献
［1］姜晓丽.半导体温差发电装置的研制[D].大连理工大学，2009.
［2］许志建，徐行.塞贝克效应与温差发电[J].现代物理知识，2004（01）.
［3］杨素文.中低温温差发电器系统性能研究[D].重庆大学，2012.
［4］陈知新.OLED显示屏驱动电路的研究[D].西安理工大学，2010.
［5］林智钦，林宏赡.2011中国能源环境发展研究——绿色能源:引领未来[J].中国软科学，2011，S1:49-60.
［责任编辑：刘展］