基于Arduino 溫差發(fā)電溫控水杯的設(shè)計(jì)

邱承圣，李城州，王麗娟，徐海璐

（南京工業(yè)大學(xué) 浦江學(xué)院，江蘇南京，211134）

0 引言

近年來(lái)，隨著資源的過(guò)度開發(fā)和由此導(dǎo)致的環(huán)境惡化為人類敲響了警鐘，隨著化石能源的日益匱乏，人類的能源形勢(shì)也變得越來(lái)越嚴(yán)峻[1]。

在提高經(jīng)濟(jì)活動(dòng)成本的同時(shí)，能源的不可持續(xù)使用也使生存環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，加大對(duì)新能源和資源回收利用的研究投入。

清潔能源的開發(fā)和使用將越來(lái)越重要，因?yàn)槟茉聪暮铜h(huán)境問(wèn)題變得更加迫切。將熱能有效地通過(guò)溫差轉(zhuǎn)化為電能，是清潔能源領(lǐng)域的重要發(fā)展。溫度差發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是不動(dòng)部件，不污染噪音，不排放廢氣，可靠性高。因此，溫度差發(fā)電技術(shù)的研究在理論和工程上都具有十分重要的價(jià)值。

半導(dǎo)體溫度差發(fā)電是一種全固態(tài)發(fā)電方式，利用半導(dǎo)體材料的熱電效應(yīng)，直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能。溫度差發(fā)電有5大顯著優(yōu)勢(shì)，比傳統(tǒng)發(fā)電方式更具優(yōu)勢(shì)。一是不含機(jī)械部件、不會(huì)產(chǎn)生噪音、發(fā)電過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的溫度差發(fā)電技術(shù)；二是熱源適應(yīng)性強(qiáng)，可在不同溫度下實(shí)現(xiàn)熱電的轉(zhuǎn)換，適當(dāng)選用熱電材料；三是體積小，重量輕，攜帶方便，隨拿隨走；四是運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，可靠性高，壽命長(zhǎng)。不需要長(zhǎng)時(shí)間維護(hù)，性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長(zhǎng)，無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間保養(yǎng)；五是在能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中不產(chǎn)生廢料的安全無(wú)污染幾乎無(wú)污染的溫差環(huán)境發(fā)電技術(shù)[1～2]。因此，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，利用溫度差發(fā)電技術(shù)將各種熱能轉(zhuǎn)換成電能就成了一個(gè)炙手可熱的研究課題。

1 設(shè)計(jì)原理

原理是根據(jù)Seebeck 效應(yīng)制成的半導(dǎo)體溫度差發(fā)電模塊，將兩個(gè)半導(dǎo)體的吸熱端(熱端)置于高溫下，在低溫環(huán)境的另一端散熱端(冷端)得到電動(dòng)勢(shì)E[3]:

式中：αs為Seebeck 系數(shù)，單位為V/K。

Seebeck 系數(shù)αs是由材料本身的電子能帶結(jié)構(gòu)決定的。

在實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體廣泛用于產(chǎn)生溫差所帶來(lái)的能量轉(zhuǎn)換，這種半導(dǎo)體主要被分類為P 型和N 型兩種類型。P型半導(dǎo)體帶有帶正電的空穴，而N 型半導(dǎo)體則攜帶帶負(fù)電的自由電子。由于這兩種載流子的電極性質(zhì)不同，因此相同溫度梯度下，P 型和N 型半導(dǎo)體產(chǎn)生的電位差極性也不同。利用這種特性，經(jīng)過(guò)一定量的交替排列的P 型和N 型半導(dǎo)體進(jìn)行組合，從而形成了一個(gè)熱電轉(zhuǎn)換模塊。

本設(shè)計(jì)用了一個(gè)尺寸為40mm×40mm×3.4mm 的溫度區(qū)分功率模塊，127 對(duì)PN 結(jié)，Bi-TeRoHs 合金作為溫度區(qū)分功率模塊的主要原材料，連續(xù)工作溫度最高120℃，最高125℃。溫度差發(fā)電元件兩端有溫度差，則轉(zhuǎn)換元件可以產(chǎn)生連續(xù)的直流電流，而且元件兩端的溫度差越大，其產(chǎn)生的直流電流就越大，熱電轉(zhuǎn)換的效率也就越高，因此，轉(zhuǎn)換元件兩端的溫度差越大。

本研究測(cè)量了其開路電壓和開路電壓性能與熱端溫度在不同冷端溫度下的關(guān)系[4]，見圖1（Tc：冷端溫度）。

圖1 隨著熱端溫度的不同，開路電壓與開路電壓的表現(xiàn)關(guān)系

2 實(shí)物設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

本文想研究設(shè)計(jì)的是一種基于初始電池的自溫差發(fā)電給自己供電，并且基于Arduino 主板控制的實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)模塊和電池實(shí)時(shí)電量并顯示于OLED 屏幕的溫控水杯。因?yàn)闇夭畎l(fā)電消耗熱量較快，且溫差發(fā)電有最低溫度差，當(dāng)開水(100℃)倒入杯中激活溫差發(fā)電裝置時(shí)，會(huì)快速消耗熱量進(jìn)行發(fā)電，并且有鋁制散熱片進(jìn)行散熱，保證溫差發(fā)電片具有溫差發(fā)電的同時(shí)，可對(duì)開水進(jìn)行有效散熱，當(dāng)溫度降到一定溫度，發(fā)電停止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫度的控制。

基于溫差發(fā)電的溫控水杯的設(shè)計(jì)由以上三個(gè)硬件部分組成。溫度差發(fā)電部分與蓄電池部分相連，蓄電池部分與Arduino 主控硬件部分相連，見圖2、圖3。

圖2 溫差發(fā)電溫控水杯設(shè)計(jì)圖

圖3 實(shí)物放電拍攝

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 溫差發(fā)電硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用了以Bi-TeRoHs 合金為主要原材料的溫差發(fā)電組件，溫差發(fā)電參數(shù)為：溫差40 度：開路電壓1.8V，發(fā)電電流：368mA；溫差60 度：開路電壓2.4V，發(fā)電電流：469 mA；溫差80 度：開路電壓3.6V，發(fā)電電流：558mA；溫差100 度：開路電壓4.8V，發(fā)電電流：669mA。溫差發(fā)電模塊：將一個(gè)不銹鋼杯體和半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件的吸熱面（熱端）粘貼，將半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件的散熱面（冷端）與散熱鋁片相連，以此保證半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件不會(huì)因?yàn)闊嵩吹臒醾鲗?dǎo)而失去兩面的溫度差，而失去發(fā)電能力。因?yàn)榭紤]到還會(huì)有其他方式進(jìn)行散熱，溫差發(fā)電所得開路電壓并達(dá)不到5V，需要升壓模塊來(lái)將電壓升至穩(wěn)壓5V，才能進(jìn)行穩(wěn)定提供供電。

本設(shè)計(jì)采用的升高電壓原理[5]。當(dāng)開關(guān)處于關(guān)閉時(shí)，輸入的電壓被施加到電感器上面，電感器此時(shí)被電壓（Vi）通電，增加的電感器上的電流為：（Vi）＊Ton。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，二極管VD 由于持續(xù)輸出電流而變得導(dǎo)電，電感器被關(guān)閉，電感器減少的電流為：（Vo-Vi）＊Toff。如果開關(guān)關(guān)閉時(shí)達(dá)到平衡，(VI)＊TON=(VO-VI)＊TOFF，VI

結(jié)合實(shí)際生活中的使用需求，使溫差發(fā)電的溫差更小，本文研究設(shè)計(jì)的溫控水杯溫差發(fā)電模組用到的升壓模塊原理圖如圖4 所示。

圖4 本文所用升壓器原理圖

溫差發(fā)電的關(guān)鍵部件是散熱器，它直接影響著溫差發(fā)電的功率輸出，成為提高該功率輸出的必要因素。散熱器以冷空氣在翅片之間流動(dòng)為主要散熱過(guò)程，通過(guò)熱交換與翅片表面實(shí)現(xiàn)向外界空氣傳熱的目標(biāo)，自然空氣冷卻則是主要的冷卻方式。通過(guò)合理的散熱模塊設(shè)計(jì)，可以達(dá)到減少材料用量和裝置重量，同時(shí)還能夠降低散熱所需電能，提高裝置的工作效率。

2.2.2 蓄電池硬件設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件經(jīng)過(guò)升壓模塊的升壓穩(wěn)壓后雖能供給Arduino 的5V 用電需求，但是發(fā)電時(shí)間短，并不適用于長(zhǎng)時(shí)間使用，為此本設(shè)計(jì)配置了一塊1500mA/3.7V的鋰電池[6]（鋰電池具有能量比高、使用壽命長(zhǎng)、重量輕、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)），利用又一升壓模塊來(lái)給Arduino 進(jìn)行無(wú)線供電，并考慮到如果在溫差發(fā)電給鋰電池充電的同時(shí)使用Arduino 會(huì)使鋰電池進(jìn)行邊充邊放，這樣不利于電池的長(zhǎng)期使用，而且會(huì)對(duì)電池造成損傷，為此，本設(shè)計(jì)將充電與放電過(guò)程分為兩部分，使用一個(gè)開關(guān)控制，開關(guān)為充電時(shí)僅進(jìn)行充電操作，反之供電。使水杯整體攜帶，使用簡(jiǎn)單、方便、快捷。

2.2.3 Arduino 主控硬件設(shè)計(jì)

主芯片選用Arduino UNO R3，輕松上手經(jīng)典[7]。經(jīng)典上手方便。

本文選用四針腳分辨率高、體積小、功耗小的0.96 英寸OLED 顯示屏。OLED，有機(jī)發(fā)光二極管，由于其出色的特性，如自發(fā)光、無(wú)背光、高對(duì)比度、薄、寬視角、快速響應(yīng)時(shí)間、靈活性、寬溫度范圍以及簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和制造工藝，被公認(rèn)是下一代平板顯示應(yīng)用。該模塊有4 個(gè)觸點(diǎn)：VCC、GND、SCL 和SDA。VCC 是電源觸點(diǎn)，用于為模塊供電，通常是3.3V 或5V。GND 是接地觸點(diǎn)，用于模塊接地。SCL 是時(shí)鐘信號(hào)接點(diǎn)，用來(lái)作為時(shí)鐘信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)。SDA是數(shù)據(jù)信號(hào)引腳，用于數(shù)據(jù)傳輸。它通常應(yīng)連接到主站的數(shù)據(jù)引腳。使用I2C 接口時(shí)，該引腳也可以被指定為SDA（順序數(shù)據(jù)線）。

溫度感應(yīng)器采用防水的DS18B20 數(shù)碼溫度感應(yīng)器，可直接放入水中，以測(cè)量水溫。DS18B20 溫度傳感器相當(dāng)精確，不需要外部元件。它可以測(cè)量從-55℃～+125℃的溫度，精度為±0.5℃。然而，默認(rèn)設(shè)置為12 位（即0.0625℃的精度）。該傳感器可以在3V 和5.5V 之間操作，在有效的溫度轉(zhuǎn)換過(guò)程中只消耗1mA。DS18B20 數(shù)碼溫度感應(yīng)器為3 線接口：分為A 型和B 型。在連接電線之前，要對(duì)傳感器的接口進(jìn)行標(biāo)記。A 型：紅線（VCC），黑線（GND），黃線（DATA）；B 型：紅線（VCC），黑線（GND），綠線（DATA）。

電路原理圖如圖5 所示。

圖5 電路原理圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)以上硬件設(shè)計(jì)，已初步建立好溫差發(fā)電溫控水杯的硬件框架，以下為Arduino 的軟件設(shè)計(jì)部分，編程語(yǔ)言為Arduino 語(yǔ)言，為使溫控水杯更人性化設(shè)計(jì)及使用方便，我們外置采用OLED 顯示屏顯示：電池剩余電量；實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前水溫。軟件設(shè)計(jì)主流程圖如圖6 所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)主流程圖

軟件調(diào)試采用Arduino 1.8.15，在 Arduino IDE 中打開一個(gè)新的項(xiàng)目，并確保已經(jīng)安裝了 OneWire 庫(kù)（用于DS18B20 傳感器）。

子程序1，DS18B20 溫度傳感器部分程序如下：

子程序2，在 Arduino IDE 中打開一個(gè)新的項(xiàng)目，并確保已經(jīng)安裝了 Adafruit SSD1306 庫(kù)（用于 OLED 屏幕），導(dǎo)入所需的庫(kù)。在代碼的頂部添加以下行：

OLED 顯示屏的部分程序如下所示：

3 結(jié)論

溫差發(fā)電技術(shù)提供了一種利用低質(zhì)量熱源的新方法，并具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即只要溫差存在就能發(fā)電，這就開辟了廣泛的應(yīng)用。

熱電材料沒有氣態(tài)或液態(tài)流出物，能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中不排放廢水、廢氣等污染物，是一種對(duì)環(huán)境幾乎零排放的能源材料，對(duì)保護(hù)環(huán)境、改善人類生存和可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

本文采用基于熱電材料Seebeck 效應(yīng)的溫差發(fā)電技術(shù)設(shè)計(jì)的溫控水杯，安裝方便，加工成本低，熱變電效率較高，充分利用了開水的熱量，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益，運(yùn)行安全可靠，無(wú)污染，有促進(jìn)市場(chǎng)推廣的前景。