以微控制器at89c51為控制核心，將半導體製冷技術引入到led散熱研究中，採用pid演算法和pwm調製技術實現對半導體製冷片的輸入電壓的控制，進而實現了對半導體製冷功率的控制，通過實驗驗證了該方法的可行性。
隨著led技術日新月異的發展，led已經走進普通照明的市場。然而，led照明系統的發展在很大程度上受到散熱問題的影響。對於大功率led而言，散熱問題已經成為制約其發展的乙個瓶頸問題。
而半導體製冷技術具有體積小、無須新增製冷劑、結構簡單、無雜訊和穩定可靠等優點，隨著半導體材料技術的進步，以及高熱電轉換材料的發現，利用半導體製冷技術來解決led照明系統的散熱問題，將具有很現實的意義。
1 led熱量產生的原因及熱量對led效能的影響
led 在正向電壓下，電子從電源獲得能量，在電場的驅動下，克服pn 結的電場，由n 區躍遷到p 區，這些電子與p 區的空穴發生復合。由於漂移到p 區的自由電子具有高於p 區價電子的能量，復合時電子回到低能量態，多餘的能量以光子的形式放出。然而，釋放出的光子只有30%～40%轉化為光能，其餘的60%～70%則以點振動的形式轉化為熱能。
由於led是半導體發光器件，而半導體器件隨溫度的變化自身發生變化，從而其固有的特性會發生明顯的變化。對於led結溫的公升高會導致器件效能的變化和衰減。這種變化主要體現在以下三個方面：
⑴減少led的外量子效率;⑵縮短led的壽命;⑶造成led發出光的主波長發生偏移，從而導致光源的顏色發生偏移。大功率led一般都用超過1w的電功率輸入，其產生的熱量很大，解決其散熱問題是當務之急。
2半導體製冷原理
半導體製冷又稱電子製冷，或者溫差電製冷，是從50年代發展起來的一門介於製冷技術和半導體技術邊緣的學科，與壓縮式製冷和吸收式製冷並稱為世界三大製冷方式。半導體製冷器的基本器件是熱電偶對，即把乙隻n型半導體和乙隻p型半導體連線成熱電偶（如圖1），通上直流電後，在介面處就會產生溫差和熱量的轉移。在電路上串聯起若干對半導體熱電偶對，而傳熱方面是併聯的，這樣就構成了乙個常見的製冷熱電堆。
借助於熱交換器等各種傳熱手段，是熱電堆的熱端不斷散熱並且保持一定的溫度，而把熱電堆的冷端放到工作環境中去吸熱降溫，這就是半導體製冷的原理。
圖1 半導體製冷片tec結構
本文採用半導體製冷是因為與其他的製冷系統相比，沒有機械轉動部分、無需製冷劑、無汙染可靠性高、壽命長而且易於控制，體積和功率都可以做的很小，非常適合在led有限的工作空間裡應用。
3系統總體設計方案
led散熱控制系統由溫度設定模組、復位模組、顯示模組、溫度採集模組、控制電路模組［2］及製冷模組組成，系統總體框圖如圖1所示。該系統以微處理器為控制核心，與溫度採集模組通訊採集被控物件的實時溫度，與溫度設定模組通訊設定製冷啟動溫度和強制冷溫度。利用c語言對未處理程式設計可實現，當採集的實時溫度小於製冷啟動溫度時，無pwm調製波［1，6］輸出，製冷模組處於閒置狀態;當採集的實時溫度大於製冷啟動溫度但小於強制冷溫度時，輸出一定占空比的pwm調製波，製冷模組啟動小功率的製冷方式;當採集的實時溫度大於強制冷溫度時，輸出一定占空比的pwm調製波，製冷模組啟動大功率的製冷方式。
4硬體電路設計及其元件選擇
該系統主要由溫度設定、溫度採集、pwm控制電路及輔助電路（復位電路和顯示電路）組成。本方案採用低價位、高效能的at89c51作為主控晶元，實現整個系統的邏輯控制功能;採用單線通訊的高精度溫度感測器ds18b20，實現對被控物件led晶元實時溫度的採集;同時設計了4×3輸入鍵盤，製冷啟動溫度和強制冷溫度由鍵盤輸入;設計了pwm控制電路，實現對半導體製冷片tec［5］的工作電壓的控制，進而實現對半導體製冷片tec製冷功率的控制，以達到對led晶元及時散熱的效果。
4.1主控晶元at89c51
該系統的主控晶元選用的是微控制器at89c51。微控制器at89c51是美國atmel公司生產的低電壓、高效能的處理器，為嵌入式控制系統提供了一種靈活性高的廉價方案。微控制器at89c51內含4kb的flash儲存器，可反覆擦寫1000次、節的ram、四個並行8位雙向i/o和2個16位可程式設計定時器。
此外，主控晶元at89c51採用頻率為12mhz的晶振，這樣系統執行乙個機器週期，有利於程式的編寫。微控制器at89c51主要功能：從鍵盤電路讀入設定的製冷啟動功率和強制功率，從溫度感測器ds18b20讀入實時採集的led晶元工作溫度，。
4.2鍵盤電路
該系統採用4×3鍵盤［4］，包含0～9共10個數字鍵、乙個「確定」鍵和乙個「清除」鍵。操作流程為：輸入2位設定溫度，按下「確定」，將設定溫度輸入到at89c51內使用者自定義區某儲存單元，作為半導體製冷片的啟動溫度。
然後，同理再次輸入2位溫度，作為半導體製冷片的強制冷溫度。鍵盤工作原理：i/o口p1.
0～p1.3充當行選線，p1.5～p1.
7（外接上拉電阻到+5v電源）充當列選線。初始化時p1.0～p1.
3置低電位，p1.5～p1.7置高電位並等待按鍵。
當有鍵按下時，相應的列選線電平被強制拉低，讀相應的行碼和列碼，則按鍵的編號即可確定。
圖3 鍵盤外觀
4.3溫度採集電路
該系統採用美國dallas公司的生產的數字溫度感測器ds18b20。ds18b20是一款僅使用一根訊號線（1-wire）與微控制器通訊的溫度測量晶元，可以測量（滿足該系統的測溫要求）之間的溫度，利用程式程式設計可實現9為數字溫度輸出，測量精度為由於溫度高於時，ds18b20表現出的漏電流比較大，可能出現與微控制器at89c51的通訊崩潰，故採用外部電源模式供電。ds18b20最大的特點就是單匯流排傳輸方式，因此對讀寫資料位具有嚴格的時序要求。
時序包括：初始化時序、讀時序、寫時序。每一次命令和資料的傳輸都是從微控制器的啟動寫時序開始，如果要求ds18b20回送資料，在進行寫時序後，微控制器需啟動讀時序完成資料接收，資料和命令的傳輸都是地位在先。
圖4 ds18b20外接電源
4.4pwm控制電路
pwm.控制電路由光電耦合器和乙個cuk電路［3］組成。在此控制電路中，光電耦合器能夠有效抑制接地迴路的雜訊，消除地干擾，提高了整個系統的抗干擾能力;光電耦合器把輸入端（微控制器at89c51）和輸出端（半導體製冷片tec）電氣隔離，避免了主控晶元at89c51受到意外傷害，有效保護了微控制器at89c51。
另外，此控制電路中還利用光電耦合器組成了開關電路，節省了開關器件的使用。cuk直流斬波電路的功能是將+15v的外接電源轉變為可調電壓的直流電，即cuk電路輸出端的電壓（半導體製冷片tec的工作電壓）是可調的。輸出端out+和out-之間的可調電壓是受q1端和q2之間的關斷頻率控制的。
在此控制電路中選用cuk電路，因為cuk斬波電路有乙個明顯的優點，即其輸入電源電流和輸出負載電流都是連續的，且脈動很小，有利於保證半導體製冷片tec處於良好的工作狀態。
限於篇幅有限，下面僅對此pwm控制電路進行簡單的介紹：當pwm控制訊號為低電平時，電晶體t1處於截止狀態，光電耦合器中發光二極體的電流近似為零，輸出端q1和q2間的電阻很大，相當於開關「斷開」;當pwm波控制訊號為高電平時，電晶體t1處於導通狀態，光電耦合器中發光二極體發光，輸出端q1和q2間的電阻很小，相當於開關「導通」。由上面介紹可知，當ds18b20採集的實時溫度小於製冷啟動溫度時，光電耦合器的pwm輸入端無訊號輸入時，光電耦合器處於不工作狀態，圖5中的out+端和out-端無輸出電壓，即半導體製冷片處於閒置狀態;當ds18b20採集的實時溫度大於製冷啟動溫度時，光電耦合器的pwm輸入端有訊號輸入，圖5中的out+端和out-端即有輸出電壓。
通過pwm調製波控制q1和q2兩端的通斷，即可實現對半導體製冷片tec工作電壓的控制，進而控制了半導體製冷片tec的散熱功率。圖5中的out+端和out-端分別接在半導體製冷片tec的輸入端線上。根據cuk電路的輸出電壓和供電電源電壓的關係，可得出pwm波占空比和半導體製冷片tec輸入電壓的關係：
其中d為pwm波的占空比，
為半導體製冷片tec的工作電壓，e為供電電源的電壓（在此電路中e=15v）。由上式可知，控制pwm波的占空比就可以控制半導體製冷片tec的工作電壓。
圖5 pwm控制電路
5結束語
隨著電力技術不斷的發展，大功率led日益普及，然而大功率led照明系統的散熱問題嚴重制約了其進一步發展，因此大功率led照明系統的散熱問題也受到越來越多的重視。各個學科的研究人員也都投入到其中的研究當中，諸如尋找導熱性能更好的材料和提高其電光轉換效率等。針對這種情況，本文選擇一些成本低廉相對高效能的元器件，對led晶元工作溫度不同的情況，進行不同的功率製冷，在一定程度上節約電力資源。
此方案與傳統的散熱方案相比較，具有可控性好和製冷效果良好等優點，對於解決大功率led照明系統散熱問題具有很現實的意義。
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