一種可調(diào)溫水杯的設(shè)計(jì)與制作

季承等

摘要：本設(shè)計(jì)涉及的可調(diào)溫水杯，以半導(dǎo)體制冷技術(shù)為核心，采用單片機(jī)控制，可以迅速吸收杯內(nèi)液體舒適溫度以上的熱量，并轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在杯體內(nèi)的鋰電池中，當(dāng)溫度低于用戶所設(shè)定的舒適溫度時(shí)，單片機(jī)控制熱電制冷片吸收周圍環(huán)境熱量，補(bǔ)充杯內(nèi)液體熱量，實(shí)現(xiàn)水杯恒溫。本設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：恒溫 半導(dǎo)體制冷 單片機(jī)控制

1 研究背景

傳統(tǒng)的保溫杯只能通過阻隔熱量散失來提供有限的保溫功能，如果希望水溫不會(huì)因?yàn)榉胖脮r(shí)間長而冷卻，加進(jìn)去的水溫就要足夠高，但是這樣一來就要放置一段時(shí)間之后才能飲用；如果加進(jìn)去的時(shí)候水溫低，則很快又冷了，不具備使杯內(nèi)飲品長時(shí)間保持在最適合飲用溫度的功能。目前也有使用電熱絲來給水杯加熱的水杯恒溫裝置，但是其精度差、效率低，加熱后散熱也快，不能適應(yīng)使用的需要。本設(shè)計(jì)針對(duì)以上不足，提供一種可調(diào)溫水杯，以半導(dǎo)體制冷技術(shù)為核心，采用單片機(jī)控制，可以迅速吸收杯內(nèi)液體舒適溫度以上的熱量，并轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在杯體內(nèi)的鋰電池中，當(dāng)溫度低于用戶所設(shè)定的舒適溫度時(shí)，單片機(jī)控制熱電制冷片吸收周圍環(huán)境熱量，補(bǔ)充杯內(nèi)液體熱量，并且在散熱片工作良好的情況下，可以使制熱效率達(dá)到160%以上。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 可調(diào)溫水杯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)涉及的可調(diào)溫水杯的結(jié)構(gòu)如圖1所示，雙層杯體內(nèi)抽成真空，雙層杯體下方設(shè)有鋁制導(dǎo)熱板，導(dǎo)熱板與雙層杯體密封連接。所述導(dǎo)熱板下方設(shè)有制冷片，制冷片與導(dǎo)熱板之間壓緊固定且中間填充如導(dǎo)熱硅脂等導(dǎo)熱材料。所述制冷片下方設(shè)有鋁制散熱底座，散熱底座與制冷片壓緊固定且中間填充如導(dǎo)熱硅脂等導(dǎo)熱材料。所述雙層杯體周圍設(shè)有鋰電池、溫度控制系統(tǒng)、穩(wěn)壓電路。所述制冷片與溫度控制系統(tǒng)相連，所述溫度控制系統(tǒng)與穩(wěn)壓電路及鋰電池相連，所述溫度控制系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制中心。

水杯使用時(shí)，溫度控制系統(tǒng)對(duì)比用戶預(yù)設(shè)舒適溫度與杯內(nèi)液體溫度，當(dāng)杯內(nèi)液體溫度高于用戶預(yù)設(shè)舒適溫度時(shí)，溫度控制系統(tǒng)控制制冷片通過穩(wěn)壓電路與鋰電池連接，使得制冷片通過溫差所產(chǎn)生的電能升壓后儲(chǔ)存在鋰電池中，此時(shí)紅色指示燈亮，藍(lán)色和綠色指示燈熄滅。當(dāng)杯內(nèi)液體溫度在用戶預(yù)設(shè)舒適溫度±3°范圍內(nèi)時(shí)，溫度控制系統(tǒng)關(guān)閉藍(lán)色、紅色指示燈并且打開綠色指示燈。當(dāng)杯內(nèi)液體溫度低于用戶預(yù)設(shè)舒適溫度時(shí)，溫度控制系統(tǒng)斷開制冷片與穩(wěn)壓模塊的連接而使制冷片直接與鋰電池連接，使得制冷片通過散熱底座吸收周圍空氣熱量通過導(dǎo)熱板傳導(dǎo)到杯內(nèi)補(bǔ)充杯體內(nèi)液體熱量，并且打開藍(lán)色指示燈，關(guān)閉紅色和綠色指示燈。

2.2 溫度控制系統(tǒng) 項(xiàng)目設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)采用arduino nano開發(fā)板作為核心，控制系統(tǒng)通過DS18B20采集溫度信息，控制系統(tǒng)與熱電制冷片驅(qū)動(dòng)電路相連，在整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中遇到的最大難題是當(dāng)液體溫度處于臨界溫度時(shí)的處理，最終在指導(dǎo)老師的幫助下用如下方法解決：液體溫度由高到低降下來，當(dāng)液體溫度低于設(shè)定溫度上限時(shí)，將上限溫度上拉三度，當(dāng)液體溫度高于設(shè)定溫度上限時(shí)將上限溫度下拉三度，當(dāng)液體溫度低于設(shè)定溫度下限時(shí)，將下限溫度上拉三度，當(dāng)液體溫度高于設(shè)定溫度下限時(shí)將下限溫度下拉三度。并依照此方法編寫了一套控制算法，最終完善了整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.3 熱電制冷片驅(qū)動(dòng)電路 熱電制冷片需要流過較大的電流（約5A）才能工作，一般的單片機(jī)不能提供這樣大的電流，因此必須擴(kuò)流，即驅(qū)動(dòng)，項(xiàng)目采用電磁繼電器驅(qū)動(dòng)熱電制冷片。如圖2所示為NPN型三極管驅(qū)動(dòng)繼電器的工作示意圖，繼電器線圈作為集電極負(fù)載接在集電極和正極之間，當(dāng)輸入為0V時(shí)，三極管截止，氣泵無電流通過，則繼電器不工作，相反，當(dāng)輸入5V信號(hào)時(shí)，三極管飽和，繼電器線圈有相當(dāng)?shù)碾娏髁鬟^，則繼電器工作。

當(dāng)輸入電壓由5V變?yōu)?V時(shí)，三極管由飽和變?yōu)榻刂梗@樣繼電器線圈中的電流突然失去流通通路，這將在線圈兩端產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢(shì)，電壓值可以達(dá)到一百多伏，這個(gè)電壓加上電源電壓作用在三極管的集電極上足已損壞三極管，故電路中的二極管的作用是將這個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)通過二極管放電從而保護(hù)三極管，使三極管集電極對(duì)地的電壓最高不超過5V。（見圖2）

2.4 熱電制冷片 半導(dǎo)體制冷片，也叫熱電制冷片，是一種熱泵。它的優(yōu)點(diǎn)是沒有滑動(dòng)部件，應(yīng)用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無制冷劑污染的場(chǎng)合。利用半導(dǎo)體材料的peltier效應(yīng)，當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù)，其特點(diǎn)是無運(yùn)動(dòng)部件，可靠性也比較高。利用半導(dǎo)體制冷的方式來解決LED照明系統(tǒng)的散熱問題，具有很高的實(shí)用價(jià)值。項(xiàng)目恒溫杯即利用熱電制冷片的這種特點(diǎn)轉(zhuǎn)移杯內(nèi)液體熱量，并可通過溫差發(fā)電。

2.5 散熱底座 散熱片是一種給電器中的易發(fā)熱電子元件散熱的裝置，多由鋁合金、黃銅或青銅做成板狀、片狀、多片狀等，如電腦中CPU中央處理器要使用相當(dāng)大的散熱片，電視機(jī)中電源管、行管、功放器中的功放管都要使用散熱片。一般散熱片在使用中要在電子元件與散熱片接觸面涂上一層導(dǎo)熱硅脂，使元器件發(fā)出的熱量更有效的傳導(dǎo)到散熱片上，再經(jīng)散熱片散發(fā)到周圍空氣中去。目前常用的散熱片材質(zhì)是銅和鋁合金，二者各有其優(yōu)缺點(diǎn)。銅的導(dǎo)熱性好，但價(jià)格較貴，加工難度較高，重量過大（很多純銅散熱器都超過了CPU對(duì)重量的限制），熱容量較小，而且容易氧化。而純鋁太軟，不能直接使用，使用鋁合金才能提供足夠的硬度，鋁合金的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，重量輕，但導(dǎo)熱性比銅就要差很多。本項(xiàng)目散熱器就各取所長，在鋁合金散熱底座上嵌入一片銅板。散熱底座主體設(shè)計(jì)成與杯體直徑相等的圓柱片，在圓柱表面排列有片狀凹槽以增加散熱面積。

3 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)完成了溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作、完成了散熱底座的設(shè)計(jì)制作、進(jìn)而完成了整個(gè)恒溫杯項(xiàng)目的設(shè)計(jì)制作工作，可調(diào)溫水杯使用過程中在加載外接電源的情況下可實(shí)現(xiàn)杯內(nèi)液體的恒溫功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]安景飛.半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)性能的研究[D].西華大學(xué)，2013.

[2]張曉芳.水冷式半導(dǎo)體冰箱制冷性能的研究[D].湘潭大學(xué)， 2012.

[3]盧菡涵.半導(dǎo)體制冷性能及恒溫控制的研究[D].太原科技大學(xué)，2013.endprint

摘要：本設(shè)計(jì)涉及的可調(diào)溫水杯，以半導(dǎo)體制冷技術(shù)為核心，采用單片機(jī)控制，可以迅速吸收杯內(nèi)液體舒適溫度以上的熱量，并轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在杯體內(nèi)的鋰電池中，當(dāng)溫度低于用戶所設(shè)定的舒適溫度時(shí)，單片機(jī)控制熱電制冷片吸收周圍環(huán)境熱量，補(bǔ)充杯內(nèi)液體熱量，實(shí)現(xiàn)水杯恒溫。本設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：恒溫 半導(dǎo)體制冷 單片機(jī)控制

1 研究背景

傳統(tǒng)的保溫杯只能通過阻隔熱量散失來提供有限的保溫功能，如果希望水溫不會(huì)因?yàn)榉胖脮r(shí)間長而冷卻，加進(jìn)去的水溫就要足夠高，但是這樣一來就要放置一段時(shí)間之后才能飲用；如果加進(jìn)去的時(shí)候水溫低，則很快又冷了，不具備使杯內(nèi)飲品長時(shí)間保持在最適合飲用溫度的功能。目前也有使用電熱絲來給水杯加熱的水杯恒溫裝置，但是其精度差、效率低，加熱后散熱也快，不能適應(yīng)使用的需要。本設(shè)計(jì)針對(duì)以上不足，提供一種可調(diào)溫水杯，以半導(dǎo)體制冷技術(shù)為核心，采用單片機(jī)控制，可以迅速吸收杯內(nèi)液體舒適溫度以上的熱量，并轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在杯體內(nèi)的鋰電池中，當(dāng)溫度低于用戶所設(shè)定的舒適溫度時(shí)，單片機(jī)控制熱電制冷片吸收周圍環(huán)境熱量，補(bǔ)充杯內(nèi)液體熱量，并且在散熱片工作良好的情況下，可以使制熱效率達(dá)到160%以上。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 可調(diào)溫水杯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)涉及的可調(diào)溫水杯的結(jié)構(gòu)如圖1所示，雙層杯體內(nèi)抽成真空，雙層杯體下方設(shè)有鋁制導(dǎo)熱板，導(dǎo)熱板與雙層杯體密封連接。所述導(dǎo)熱板下方設(shè)有制冷片，制冷片與導(dǎo)熱板之間壓緊固定且中間填充如導(dǎo)熱硅脂等導(dǎo)熱材料。所述制冷片下方設(shè)有鋁制散熱底座，散熱底座與制冷片壓緊固定且中間填充如導(dǎo)熱硅脂等導(dǎo)熱材料。所述雙層杯體周圍設(shè)有鋰電池、溫度控制系統(tǒng)、穩(wěn)壓電路。所述制冷片與溫度控制系統(tǒng)相連，所述溫度控制系統(tǒng)與穩(wěn)壓電路及鋰電池相連，所述溫度控制系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制中心。

水杯使用時(shí)，溫度控制系統(tǒng)對(duì)比用戶預(yù)設(shè)舒適溫度與杯內(nèi)液體溫度，當(dāng)杯內(nèi)液體溫度高于用戶預(yù)設(shè)舒適溫度時(shí)，溫度控制系統(tǒng)控制制冷片通過穩(wěn)壓電路與鋰電池連接，使得制冷片通過溫差所產(chǎn)生的電能升壓后儲(chǔ)存在鋰電池中，此時(shí)紅色指示燈亮，藍(lán)色和綠色指示燈熄滅。當(dāng)杯內(nèi)液體溫度在用戶預(yù)設(shè)舒適溫度±3°范圍內(nèi)時(shí)，溫度控制系統(tǒng)關(guān)閉藍(lán)色、紅色指示燈并且打開綠色指示燈。當(dāng)杯內(nèi)液體溫度低于用戶預(yù)設(shè)舒適溫度時(shí)，溫度控制系統(tǒng)斷開制冷片與穩(wěn)壓模塊的連接而使制冷片直接與鋰電池連接，使得制冷片通過散熱底座吸收周圍空氣熱量通過導(dǎo)熱板傳導(dǎo)到杯內(nèi)補(bǔ)充杯體內(nèi)液體熱量，并且打開藍(lán)色指示燈，關(guān)閉紅色和綠色指示燈。

2.2 溫度控制系統(tǒng) 項(xiàng)目設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)采用arduino nano開發(fā)板作為核心，控制系統(tǒng)通過DS18B20采集溫度信息，控制系統(tǒng)與熱電制冷片驅(qū)動(dòng)電路相連，在整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中遇到的最大難題是當(dāng)液體溫度處于臨界溫度時(shí)的處理，最終在指導(dǎo)老師的幫助下用如下方法解決：液體溫度由高到低降下來，當(dāng)液體溫度低于設(shè)定溫度上限時(shí)，將上限溫度上拉三度，當(dāng)液體溫度高于設(shè)定溫度上限時(shí)將上限溫度下拉三度，當(dāng)液體溫度低于設(shè)定溫度下限時(shí)，將下限溫度上拉三度，當(dāng)液體溫度高于設(shè)定溫度下限時(shí)將下限溫度下拉三度。并依照此方法編寫了一套控制算法，最終完善了整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.3 熱電制冷片驅(qū)動(dòng)電路 熱電制冷片需要流過較大的電流（約5A）才能工作，一般的單片機(jī)不能提供這樣大的電流，因此必須擴(kuò)流，即驅(qū)動(dòng)，項(xiàng)目采用電磁繼電器驅(qū)動(dòng)熱電制冷片。如圖2所示為NPN型三極管驅(qū)動(dòng)繼電器的工作示意圖，繼電器線圈作為集電極負(fù)載接在集電極和正極之間，當(dāng)輸入為0V時(shí)，三極管截止，氣泵無電流通過，則繼電器不工作，相反，當(dāng)輸入5V信號(hào)時(shí)，三極管飽和，繼電器線圈有相當(dāng)?shù)碾娏髁鬟^，則繼電器工作。

當(dāng)輸入電壓由5V變?yōu)?V時(shí)，三極管由飽和變?yōu)榻刂?，這樣繼電器線圈中的電流突然失去流通通路，這將在線圈兩端產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢(shì)，電壓值可以達(dá)到一百多伏，這個(gè)電壓加上電源電壓作用在三極管的集電極上足已損壞三極管，故電路中的二極管的作用是將這個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)通過二極管放電從而保護(hù)三極管，使三極管集電極對(duì)地的電壓最高不超過5V。（見圖2）

2.4 熱電制冷片 半導(dǎo)體制冷片，也叫熱電制冷片，是一種熱泵。它的優(yōu)點(diǎn)是沒有滑動(dòng)部件，應(yīng)用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無制冷劑污染的場(chǎng)合。利用半導(dǎo)體材料的peltier效應(yīng)，當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù)，其特點(diǎn)是無運(yùn)動(dòng)部件，可靠性也比較高。利用半導(dǎo)體制冷的方式來解決LED照明系統(tǒng)的散熱問題，具有很高的實(shí)用價(jià)值。項(xiàng)目恒溫杯即利用熱電制冷片的這種特點(diǎn)轉(zhuǎn)移杯內(nèi)液體熱量，并可通過溫差發(fā)電。

2.5 散熱底座 散熱片是一種給電器中的易發(fā)熱電子元件散熱的裝置，多由鋁合金、黃銅或青銅做成板狀、片狀、多片狀等，如電腦中CPU中央處理器要使用相當(dāng)大的散熱片，電視機(jī)中電源管、行管、功放器中的功放管都要使用散熱片。一般散熱片在使用中要在電子元件與散熱片接觸面涂上一層導(dǎo)熱硅脂，使元器件發(fā)出的熱量更有效的傳導(dǎo)到散熱片上，再經(jīng)散熱片散發(fā)到周圍空氣中去。目前常用的散熱片材質(zhì)是銅和鋁合金，二者各有其優(yōu)缺點(diǎn)。銅的導(dǎo)熱性好，但價(jià)格較貴，加工難度較高，重量過大（很多純銅散熱器都超過了CPU對(duì)重量的限制），熱容量較小，而且容易氧化。而純鋁太軟，不能直接使用，使用鋁合金才能提供足夠的硬度，鋁合金的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，重量輕，但導(dǎo)熱性比銅就要差很多。本項(xiàng)目散熱器就各取所長，在鋁合金散熱底座上嵌入一片銅板。散熱底座主體設(shè)計(jì)成與杯體直徑相等的圓柱片，在圓柱表面排列有片狀凹槽以增加散熱面積。

3 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)完成了溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作、完成了散熱底座的設(shè)計(jì)制作、進(jìn)而完成了整個(gè)恒溫杯項(xiàng)目的設(shè)計(jì)制作工作，可調(diào)溫水杯使用過程中在加載外接電源的情況下可實(shí)現(xiàn)杯內(nèi)液體的恒溫功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]安景飛.半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)性能的研究[D].西華大學(xué)，2013.

[2]張曉芳.水冷式半導(dǎo)體冰箱制冷性能的研究[D].湘潭大學(xué)， 2012.

[3]盧菡涵.半導(dǎo)體制冷性能及恒溫控制的研究[D].太原科技大學(xué)，2013.endprint

摘要：本設(shè)計(jì)涉及的可調(diào)溫水杯，以半導(dǎo)體制冷技術(shù)為核心，采用單片機(jī)控制，可以迅速吸收杯內(nèi)液體舒適溫度以上的熱量，并轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在杯體內(nèi)的鋰電池中，當(dāng)溫度低于用戶所設(shè)定的舒適溫度時(shí)，單片機(jī)控制熱電制冷片吸收周圍環(huán)境熱量，補(bǔ)充杯內(nèi)液體熱量，實(shí)現(xiàn)水杯恒溫。本設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：恒溫 半導(dǎo)體制冷 單片機(jī)控制

1 研究背景

傳統(tǒng)的保溫杯只能通過阻隔熱量散失來提供有限的保溫功能，如果希望水溫不會(huì)因?yàn)榉胖脮r(shí)間長而冷卻，加進(jìn)去的水溫就要足夠高，但是這樣一來就要放置一段時(shí)間之后才能飲用；如果加進(jìn)去的時(shí)候水溫低，則很快又冷了，不具備使杯內(nèi)飲品長時(shí)間保持在最適合飲用溫度的功能。目前也有使用電熱絲來給水杯加熱的水杯恒溫裝置，但是其精度差、效率低，加熱后散熱也快，不能適應(yīng)使用的需要。本設(shè)計(jì)針對(duì)以上不足，提供一種可調(diào)溫水杯，以半導(dǎo)體制冷技術(shù)為核心，采用單片機(jī)控制，可以迅速吸收杯內(nèi)液體舒適溫度以上的熱量，并轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在杯體內(nèi)的鋰電池中，當(dāng)溫度低于用戶所設(shè)定的舒適溫度時(shí)，單片機(jī)控制熱電制冷片吸收周圍環(huán)境熱量，補(bǔ)充杯內(nèi)液體熱量，并且在散熱片工作良好的情況下，可以使制熱效率達(dá)到160%以上。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 可調(diào)溫水杯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)涉及的可調(diào)溫水杯的結(jié)構(gòu)如圖1所示，雙層杯體內(nèi)抽成真空，雙層杯體下方設(shè)有鋁制導(dǎo)熱板，導(dǎo)熱板與雙層杯體密封連接。所述導(dǎo)熱板下方設(shè)有制冷片，制冷片與導(dǎo)熱板之間壓緊固定且中間填充如導(dǎo)熱硅脂等導(dǎo)熱材料。所述制冷片下方設(shè)有鋁制散熱底座，散熱底座與制冷片壓緊固定且中間填充如導(dǎo)熱硅脂等導(dǎo)熱材料。所述雙層杯體周圍設(shè)有鋰電池、溫度控制系統(tǒng)、穩(wěn)壓電路。所述制冷片與溫度控制系統(tǒng)相連，所述溫度控制系統(tǒng)與穩(wěn)壓電路及鋰電池相連，所述溫度控制系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制中心。

水杯使用時(shí)，溫度控制系統(tǒng)對(duì)比用戶預(yù)設(shè)舒適溫度與杯內(nèi)液體溫度，當(dāng)杯內(nèi)液體溫度高于用戶預(yù)設(shè)舒適溫度時(shí)，溫度控制系統(tǒng)控制制冷片通過穩(wěn)壓電路與鋰電池連接，使得制冷片通過溫差所產(chǎn)生的電能升壓后儲(chǔ)存在鋰電池中，此時(shí)紅色指示燈亮，藍(lán)色和綠色指示燈熄滅。當(dāng)杯內(nèi)液體溫度在用戶預(yù)設(shè)舒適溫度±3°范圍內(nèi)時(shí)，溫度控制系統(tǒng)關(guān)閉藍(lán)色、紅色指示燈并且打開綠色指示燈。當(dāng)杯內(nèi)液體溫度低于用戶預(yù)設(shè)舒適溫度時(shí)，溫度控制系統(tǒng)斷開制冷片與穩(wěn)壓模塊的連接而使制冷片直接與鋰電池連接，使得制冷片通過散熱底座吸收周圍空氣熱量通過導(dǎo)熱板傳導(dǎo)到杯內(nèi)補(bǔ)充杯體內(nèi)液體熱量，并且打開藍(lán)色指示燈，關(guān)閉紅色和綠色指示燈。

2.2 溫度控制系統(tǒng) 項(xiàng)目設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)采用arduino nano開發(fā)板作為核心，控制系統(tǒng)通過DS18B20采集溫度信息，控制系統(tǒng)與熱電制冷片驅(qū)動(dòng)電路相連，在整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中遇到的最大難題是當(dāng)液體溫度處于臨界溫度時(shí)的處理，最終在指導(dǎo)老師的幫助下用如下方法解決：液體溫度由高到低降下來，當(dāng)液體溫度低于設(shè)定溫度上限時(shí)，將上限溫度上拉三度，當(dāng)液體溫度高于設(shè)定溫度上限時(shí)將上限溫度下拉三度，當(dāng)液體溫度低于設(shè)定溫度下限時(shí)，將下限溫度上拉三度，當(dāng)液體溫度高于設(shè)定溫度下限時(shí)將下限溫度下拉三度。并依照此方法編寫了一套控制算法，最終完善了整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.3 熱電制冷片驅(qū)動(dòng)電路 熱電制冷片需要流過較大的電流（約5A）才能工作，一般的單片機(jī)不能提供這樣大的電流，因此必須擴(kuò)流，即驅(qū)動(dòng)，項(xiàng)目采用電磁繼電器驅(qū)動(dòng)熱電制冷片。如圖2所示為NPN型三極管驅(qū)動(dòng)繼電器的工作示意圖，繼電器線圈作為集電極負(fù)載接在集電極和正極之間，當(dāng)輸入為0V時(shí)，三極管截止，氣泵無電流通過，則繼電器不工作，相反，當(dāng)輸入5V信號(hào)時(shí)，三極管飽和，繼電器線圈有相當(dāng)?shù)碾娏髁鬟^，則繼電器工作。

當(dāng)輸入電壓由5V變?yōu)?V時(shí)，三極管由飽和變?yōu)榻刂?，這樣繼電器線圈中的電流突然失去流通通路，這將在線圈兩端產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢(shì)，電壓值可以達(dá)到一百多伏，這個(gè)電壓加上電源電壓作用在三極管的集電極上足已損壞三極管，故電路中的二極管的作用是將這個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)通過二極管放電從而保護(hù)三極管，使三極管集電極對(duì)地的電壓最高不超過5V。（見圖2）

2.4 熱電制冷片 半導(dǎo)體制冷片，也叫熱電制冷片，是一種熱泵。它的優(yōu)點(diǎn)是沒有滑動(dòng)部件，應(yīng)用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無制冷劑污染的場(chǎng)合。利用半導(dǎo)體材料的peltier效應(yīng)，當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù)，其特點(diǎn)是無運(yùn)動(dòng)部件，可靠性也比較高。利用半導(dǎo)體制冷的方式來解決LED照明系統(tǒng)的散熱問題，具有很高的實(shí)用價(jià)值。項(xiàng)目恒溫杯即利用熱電制冷片的這種特點(diǎn)轉(zhuǎn)移杯內(nèi)液體熱量，并可通過溫差發(fā)電。

2.5 散熱底座 散熱片是一種給電器中的易發(fā)熱電子元件散熱的裝置，多由鋁合金、黃銅或青銅做成板狀、片狀、多片狀等，如電腦中CPU中央處理器要使用相當(dāng)大的散熱片，電視機(jī)中電源管、行管、功放器中的功放管都要使用散熱片。一般散熱片在使用中要在電子元件與散熱片接觸面涂上一層導(dǎo)熱硅脂，使元器件發(fā)出的熱量更有效的傳導(dǎo)到散熱片上，再經(jīng)散熱片散發(fā)到周圍空氣中去。目前常用的散熱片材質(zhì)是銅和鋁合金，二者各有其優(yōu)缺點(diǎn)。銅的導(dǎo)熱性好，但價(jià)格較貴，加工難度較高，重量過大（很多純銅散熱器都超過了CPU對(duì)重量的限制），熱容量較小，而且容易氧化。而純鋁太軟，不能直接使用，使用鋁合金才能提供足夠的硬度，鋁合金的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，重量輕，但導(dǎo)熱性比銅就要差很多。本項(xiàng)目散熱器就各取所長，在鋁合金散熱底座上嵌入一片銅板。散熱底座主體設(shè)計(jì)成與杯體直徑相等的圓柱片，在圓柱表面排列有片狀凹槽以增加散熱面積。

3 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)完成了溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作、完成了散熱底座的設(shè)計(jì)制作、進(jìn)而完成了整個(gè)恒溫杯項(xiàng)目的設(shè)計(jì)制作工作，可調(diào)溫水杯使用過程中在加載外接電源的情況下可實(shí)現(xiàn)杯內(nèi)液體的恒溫功能。

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