| 标题 | 一种可调温水杯的设计与制作 |
| 范文 | 季承等 摘要：本设计涉及的可调温水杯，以半导体制冷技术为核心，采用单片机控制，可以迅速吸收杯内液体舒适温度以上的热量，并转化为电能储存在杯体内的锂电池中，当温度低于用户所设定的舒适温度时，单片机控制热电制冷片吸收周围环境热量，补充杯内液体热量，实现水杯恒温。本设计具有结构简单，操作简便，应用广泛的特点。 关键词：恒温 半导体制冷 单片机控制 1 研究背景 传统的保温杯只能通过阻隔热量散失来提供有限的保温功能，如果希望水温不会因为放置时间长而冷却，加进去的水温就要足够高，但是这样一来就要放置一段时间之后才能饮用；如果加进去的时候水温低，则很快又冷了，不具备使杯内饮品长时间保持在最适合饮用温度的功能。目前也有使用电热丝来给水杯加热的水杯恒温装置，但是其精度差、效率低，加热后散热也快，不能适应使用的需要。本设计针对以上不足，提供一种可调温水杯，以半导体制冷技术为核心，采用单片机控制，可以迅速吸收杯内液体舒适温度以上的热量，并转化为电能储存在杯体内的锂电池中，当温度低于用户所设定的舒适温度时，单片机控制热电制冷片吸收周围环境热量，补充杯内液体热量，并且在散热片工作良好的情况下，可以使制热效率达到160%以上。 2 设计方案 2.1 可调温水杯结构设计 本设计涉及的可调温水杯的结构如图1所示，双层杯体内抽成真空，双层杯体下方设有铝制导热板，导热板与双层杯体密封连接。所述导热板下方设有制冷片，制冷片与导热板之间压紧固定且中间填充如导热硅脂等导热材料。所述制冷片下方设有铝制散热底座，散热底座与制冷片压紧固定且中间填充如导热硅脂等导热材料。所述双层杯体周围设有锂电池、温度控制系统、稳压电路。所述制冷片与温度控制系统相连，所述温度控制系统与稳压电路及锂电池相连，所述温度控制系统以单片机作为控制中心。 水杯使用时，温度控制系统对比用户预设舒适温度与杯内液体温度，当杯内液体温度高于用户预设舒适温度时，温度控制系统控制制冷片通过稳压电路与锂电池连接，使得制冷片通过温差所产生的电能升压后储存在锂电池中，此时红色指示灯亮，蓝色和绿色指示灯熄灭。当杯内液体温度在用户预设舒适温度±3°范围内时，温度控制系统关闭蓝色、红色指示灯并且打开绿色指示灯。当杯内液体温度低于用户预设舒适温度时，温度控制系统断开制冷片与稳压模块的连接而使制冷片直接与锂电池连接，使得制冷片通过散热底座吸收周围空气热量通过导热板传导到杯内补充杯体内液体热量，并且打开蓝色指示灯，关闭红色和绿色指示灯。 2.2 温度控制系统 项目设计的温度控制系统采用arduino nano开发板作为核心，控制系统通过DS18B20采集温度信息，控制系统与热电制冷片驱动电路相连，在整个控制系统的设计过程中遇到的最大难题是当液体温度处于临界温度时的处理，最终在指导老师的帮助下用如下方法解决：液体温度由高到低降下来，当液体温度低于设定温度上限时，将上限温度上拉三度，当液体温度高于设定温度上限时将上限温度下拉三度，当液体温度低于设定温度下限时，将下限温度上拉三度，当液体温度高于设定温度下限时将下限温度下拉三度。并依照此方法编写了一套控制算法，最终完善了整个温度控制系统的设计。 2.3 热电制冷片驱动电路 热电制冷片需要流过较大的电流（约5A）才能工作，一般的单片机不能提供这样大的电流，因此必须扩流，即驱动，项目采用电磁继电器驱动热电制冷片。如图2所示为NPN型三极管驱动继电器的工作示意图，继电器线圈作为集电极负载接在集电极和正极之间，当输入为0V时，三极管截止，气泵无电流通过，则继电器不工作，相反，当输入5V信号时，三极管饱和，继电器线圈有相当的电流流过，则继电器工作。 当输入电压由5V变为0V时，三极管由饱和变为截止，这样继电器线圈中的电流突然失去流通通路，这将在线圈两端产生较大的反向电动势，电压值可以达到一百多伏，这个电压加上电源电压作用在三极管的集电极上足已损坏三极管，故电路中的二极管的作用是将这个反向电动势通过二极管放电从而保护三极管，使三极管集电极对地的电压最高不超过5V。（见图2） 2.4 热电制冷片 半导体制冷片，也叫热电制冷片，是一种热泵。它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。利用半导体材料的peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。利用半导体制冷的方式来解决LED照明系统的散热问题，具有很高的实用价值。项目恒温杯即利用热电制冷片的这种特点转移杯内液体热量，并可通过温差发电。 2.5 散热底座 散热片是一种给电器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金、黄铜或青铜做成板状、片状、多片状等，如电脑中CPU中央处理器要使用相当大的散热片，电视机中电源管、行管、功放器中的功放管都要使用散热片。一般散热片在使用中要在电子元件与散热片接触面涂上一层导热硅脂，使元器件发出的热量更有效的传导到散热片上，再经散热片散发到周围空气中去。目前常用的散热片材质是铜和铝合金，二者各有其优缺点。铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大（很多纯铜散热器都超过了CPU对重量的限制），热容量较小，而且容易氧化。而纯铝太软，不能直接使用，使用铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。本项目散热器就各取所长，在铝合金散热底座上嵌入一片铜板。散热底座主体设计成与杯体直径相等的圆柱片，在圆柱表面排列有片状凹槽以增加散热面积。 3 结束语 本设计完成了温度控制系统的设计制作、完成了散热底座的设计制作、进而完成了整个恒温杯项目的设计制作工作，可调温水杯使用过程中在加载外接电源的情况下可实现杯内液体的恒温功能。 参考文献： [1]安景飞.半导体制冷系统性能的研究[D].西华大学，2013. [2]张晓芳.水冷式半导体冰箱制冷性能的研究[D].湘潭大学， 2012. [3]卢菡涵.半导体制冷性能及恒温控制的研究[D].太原科技大学，2013. 摘要：本设计涉及的可调温水杯，以半导体制冷技术为核心，采用单片机控制，可以迅速吸收杯内液体舒适温度以上的热量，并转化为电能储存在杯体内的锂电池中，当温度低于用户所设定的舒适温度时，单片机控制热电制冷片吸收周围环境热量，补充杯内液体热量，实现水杯恒温。本设计具有结构简单，操作简便，应用广泛的特点。 关键词：恒温 半导体制冷 单片机控制 1 研究背景 传统的保温杯只能通过阻隔热量散失来提供有限的保温功能，如果希望水温不会因为放置时间长而冷却，加进去的水温就要足够高，但是这样一来就要放置一段时间之后才能饮用；如果加进去的时候水温低，则很快又冷了，不具备使杯内饮品长时间保持在最适合饮用温度的功能。目前也有使用电热丝来给水杯加热的水杯恒温装置，但是其精度差、效率低，加热后散热也快，不能适应使用的需要。本设计针对以上不足，提供一种可调温水杯，以半导体制冷技术为核心，采用单片机控制，可以迅速吸收杯内液体舒适温度以上的热量，并转化为电能储存在杯体内的锂电池中，当温度低于用户所设定的舒适温度时，单片机控制热电制冷片吸收周围环境热量，补充杯内液体热量，并且在散热片工作良好的情况下，可以使制热效率达到160%以上。 2 设计方案 2.1 可调温水杯结构设计 本设计涉及的可调温水杯的结构如图1所示，双层杯体内抽成真空，双层杯体下方设有铝制导热板，导热板与双层杯体密封连接。所述导热板下方设有制冷片，制冷片与导热板之间压紧固定且中间填充如导热硅脂等导热材料。所述制冷片下方设有铝制散热底座，散热底座与制冷片压紧固定且中间填充如导热硅脂等导热材料。所述双层杯体周围设有锂电池、温度控制系统、稳压电路。所述制冷片与温度控制系统相连，所述温度控制系统与稳压电路及锂电池相连，所述温度控制系统以单片机作为控制中心。 水杯使用时，温度控制系统对比用户预设舒适温度与杯内液体温度，当杯内液体温度高于用户预设舒适温度时，温度控制系统控制制冷片通过稳压电路与锂电池连接，使得制冷片通过温差所产生的电能升压后储存在锂电池中，此时红色指示灯亮，蓝色和绿色指示灯熄灭。当杯内液体温度在用户预设舒适温度±3°范围内时，温度控制系统关闭蓝色、红色指示灯并且打开绿色指示灯。当杯内液体温度低于用户预设舒适温度时，温度控制系统断开制冷片与稳压模块的连接而使制冷片直接与锂电池连接，使得制冷片通过散热底座吸收周围空气热量通过导热板传导到杯内补充杯体内液体热量，并且打开蓝色指示灯，关闭红色和绿色指示灯。 2.2 温度控制系统 项目设计的温度控制系统采用arduino nano开发板作为核心，控制系统通过DS18B20采集温度信息，控制系统与热电制冷片驱动电路相连，在整个控制系统的设计过程中遇到的最大难题是当液体温度处于临界温度时的处理，最终在指导老师的帮助下用如下方法解决：液体温度由高到低降下来，当液体温度低于设定温度上限时，将上限温度上拉三度，当液体温度高于设定温度上限时将上限温度下拉三度，当液体温度低于设定温度下限时，将下限温度上拉三度，当液体温度高于设定温度下限时将下限温度下拉三度。并依照此方法编写了一套控制算法，最终完善了整个温度控制系统的设计。 2.3 热电制冷片驱动电路 热电制冷片需要流过较大的电流（约5A）才能工作，一般的单片机不能提供这样大的电流，因此必须扩流，即驱动，项目采用电磁继电器驱动热电制冷片。如图2所示为NPN型三极管驱动继电器的工作示意图，继电器线圈作为集电极负载接在集电极和正极之间，当输入为0V时，三极管截止，气泵无电流通过，则继电器不工作，相反，当输入5V信号时，三极管饱和，继电器线圈有相当的电流流过，则继电器工作。 当输入电压由5V变为0V时，三极管由饱和变为截止，这样继电器线圈中的电流突然失去流通通路，这将在线圈两端产生较大的反向电动势，电压值可以达到一百多伏，这个电压加上电源电压作用在三极管的集电极上足已损坏三极管，故电路中的二极管的作用是将这个反向电动势通过二极管放电从而保护三极管，使三极管集电极对地的电压最高不超过5V。（见图2） 2.4 热电制冷片 半导体制冷片，也叫热电制冷片，是一种热泵。它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。利用半导体材料的peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。利用半导体制冷的方式来解决LED照明系统的散热问题，具有很高的实用价值。项目恒温杯即利用热电制冷片的这种特点转移杯内液体热量，并可通过温差发电。 2.5 散热底座 散热片是一种给电器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金、黄铜或青铜做成板状、片状、多片状等，如电脑中CPU中央处理器要使用相当大的散热片，电视机中电源管、行管、功放器中的功放管都要使用散热片。一般散热片在使用中要在电子元件与散热片接触面涂上一层导热硅脂，使元器件发出的热量更有效的传导到散热片上，再经散热片散发到周围空气中去。目前常用的散热片材质是铜和铝合金，二者各有其优缺点。铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大（很多纯铜散热器都超过了CPU对重量的限制），热容量较小，而且容易氧化。而纯铝太软，不能直接使用，使用铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。本项目散热器就各取所长，在铝合金散热底座上嵌入一片铜板。散热底座主体设计成与杯体直径相等的圆柱片，在圆柱表面排列有片状凹槽以增加散热面积。 3 结束语 本设计完成了温度控制系统的设计制作、完成了散热底座的设计制作、进而完成了整个恒温杯项目的设计制作工作，可调温水杯使用过程中在加载外接电源的情况下可实现杯内液体的恒温功能。 参考文献： [1]安景飞.半导体制冷系统性能的研究[D].西华大学，2013. [2]张晓芳.水冷式半导体冰箱制冷性能的研究[D].湘潭大学， 2012. [3]卢菡涵.半导体制冷性能及恒温控制的研究[D].太原科技大学，2013. 摘要：本设计涉及的可调温水杯，以半导体制冷技术为核心，采用单片机控制，可以迅速吸收杯内液体舒适温度以上的热量，并转化为电能储存在杯体内的锂电池中，当温度低于用户所设定的舒适温度时，单片机控制热电制冷片吸收周围环境热量，补充杯内液体热量，实现水杯恒温。本设计具有结构简单，操作简便，应用广泛的特点。 关键词：恒温 半导体制冷 单片机控制 1 研究背景 传统的保温杯只能通过阻隔热量散失来提供有限的保温功能，如果希望水温不会因为放置时间长而冷却，加进去的水温就要足够高，但是这样一来就要放置一段时间之后才能饮用；如果加进去的时候水温低，则很快又冷了，不具备使杯内饮品长时间保持在最适合饮用温度的功能。目前也有使用电热丝来给水杯加热的水杯恒温装置，但是其精度差、效率低，加热后散热也快，不能适应使用的需要。本设计针对以上不足，提供一种可调温水杯，以半导体制冷技术为核心，采用单片机控制，可以迅速吸收杯内液体舒适温度以上的热量，并转化为电能储存在杯体内的锂电池中，当温度低于用户所设定的舒适温度时，单片机控制热电制冷片吸收周围环境热量，补充杯内液体热量，并且在散热片工作良好的情况下，可以使制热效率达到160%以上。 2 设计方案 2.1 可调温水杯结构设计 本设计涉及的可调温水杯的结构如图1所示，双层杯体内抽成真空，双层杯体下方设有铝制导热板，导热板与双层杯体密封连接。所述导热板下方设有制冷片，制冷片与导热板之间压紧固定且中间填充如导热硅脂等导热材料。所述制冷片下方设有铝制散热底座，散热底座与制冷片压紧固定且中间填充如导热硅脂等导热材料。所述双层杯体周围设有锂电池、温度控制系统、稳压电路。所述制冷片与温度控制系统相连，所述温度控制系统与稳压电路及锂电池相连，所述温度控制系统以单片机作为控制中心。 水杯使用时，温度控制系统对比用户预设舒适温度与杯内液体温度，当杯内液体温度高于用户预设舒适温度时，温度控制系统控制制冷片通过稳压电路与锂电池连接，使得制冷片通过温差所产生的电能升压后储存在锂电池中，此时红色指示灯亮，蓝色和绿色指示灯熄灭。当杯内液体温度在用户预设舒适温度±3°范围内时，温度控制系统关闭蓝色、红色指示灯并且打开绿色指示灯。当杯内液体温度低于用户预设舒适温度时，温度控制系统断开制冷片与稳压模块的连接而使制冷片直接与锂电池连接，使得制冷片通过散热底座吸收周围空气热量通过导热板传导到杯内补充杯体内液体热量，并且打开蓝色指示灯，关闭红色和绿色指示灯。 2.2 温度控制系统 项目设计的温度控制系统采用arduino nano开发板作为核心，控制系统通过DS18B20采集温度信息，控制系统与热电制冷片驱动电路相连，在整个控制系统的设计过程中遇到的最大难题是当液体温度处于临界温度时的处理，最终在指导老师的帮助下用如下方法解决：液体温度由高到低降下来，当液体温度低于设定温度上限时，将上限温度上拉三度，当液体温度高于设定温度上限时将上限温度下拉三度，当液体温度低于设定温度下限时，将下限温度上拉三度，当液体温度高于设定温度下限时将下限温度下拉三度。并依照此方法编写了一套控制算法，最终完善了整个温度控制系统的设计。 2.3 热电制冷片驱动电路 热电制冷片需要流过较大的电流（约5A）才能工作，一般的单片机不能提供这样大的电流，因此必须扩流，即驱动，项目采用电磁继电器驱动热电制冷片。如图2所示为NPN型三极管驱动继电器的工作示意图，继电器线圈作为集电极负载接在集电极和正极之间，当输入为0V时，三极管截止，气泵无电流通过，则继电器不工作，相反，当输入5V信号时，三极管饱和，继电器线圈有相当的电流流过，则继电器工作。 当输入电压由5V变为0V时，三极管由饱和变为截止，这样继电器线圈中的电流突然失去流通通路，这将在线圈两端产生较大的反向电动势，电压值可以达到一百多伏，这个电压加上电源电压作用在三极管的集电极上足已损坏三极管，故电路中的二极管的作用是将这个反向电动势通过二极管放电从而保护三极管，使三极管集电极对地的电压最高不超过5V。（见图2） 2.4 热电制冷片 半导体制冷片，也叫热电制冷片，是一种热泵。它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。利用半导体材料的peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。利用半导体制冷的方式来解决LED照明系统的散热问题，具有很高的实用价值。项目恒温杯即利用热电制冷片的这种特点转移杯内液体热量，并可通过温差发电。 2.5 散热底座 散热片是一种给电器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金、黄铜或青铜做成板状、片状、多片状等，如电脑中CPU中央处理器要使用相当大的散热片，电视机中电源管、行管、功放器中的功放管都要使用散热片。一般散热片在使用中要在电子元件与散热片接触面涂上一层导热硅脂，使元器件发出的热量更有效的传导到散热片上，再经散热片散发到周围空气中去。目前常用的散热片材质是铜和铝合金，二者各有其优缺点。铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大（很多纯铜散热器都超过了CPU对重量的限制），热容量较小，而且容易氧化。而纯铝太软，不能直接使用，使用铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。本项目散热器就各取所长，在铝合金散热底座上嵌入一片铜板。散热底座主体设计成与杯体直径相等的圆柱片，在圆柱表面排列有片状凹槽以增加散热面积。 3 结束语 本设计完成了温度控制系统的设计制作、完成了散热底座的设计制作、进而完成了整个恒温杯项目的设计制作工作，可调温水杯使用过程中在加载外接电源的情况下可实现杯内液体的恒温功能。 参考文献： [1]安景飞.半导体制冷系统性能的研究[D].西华大学，2013. [2]张晓芳.水冷式半导体冰箱制冷性能的研究[D].湘潭大学， 2012. [3]卢菡涵.半导体制冷性能及恒温控制的研究[D].太原科技大学，2013. |
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