一種可調溫水杯的設計與制作

季承等

摘要：本設計涉及的可調溫水杯，以半導體制冷技術為核心，采用單片機控制，可以迅速吸收杯內液體舒適溫度以上的熱量，并轉化為電能儲存在杯體內的鋰電池中，當溫度低于用戶所設定的舒適溫度時，單片機控制熱電制冷片吸收周圍環境熱量，補充杯內液體熱量，實現水杯恒溫。本設計具有結構簡單，操作簡便，應用廣泛的特點。

關鍵詞：恒溫 半導體制冷 單片機控制

1 研究背景

傳統的保溫杯只能通過阻隔熱量散失來提供有限的保溫功能，如果希望水溫不會因為放置時間長而冷卻，加進去的水溫就要足夠高，但是這樣一來就要放置一段時間之后才能飲用；如果加進去的時候水溫低，則很快又冷了，不具備使杯內飲品長時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，不能適應使用的需要。本設計針對以上不足，提供一種可調溫水杯，以半導體制冷技術為核心，采用單片機控制，可以迅速吸收杯內液體舒適溫度以上的熱量，并轉化為電能儲存在杯體內的鋰電池中，當溫度低于用戶所設定的舒適溫度時，單片機控制熱電制冷片吸收周圍環境熱量，補充杯內液體熱量，并且在散熱片工作良好的情況下，可以使制熱效率達到160%以上。

2 設計方案

2.1 可調溫水杯結構設計 本設計涉及的可調溫水杯的結構如圖1所示，雙層杯體內抽成真空，雙層杯體下方設有鋁制導熱板，導熱板與雙層杯體密封連接。所述導熱板下方設有制冷片，制冷片與導熱板之間壓緊固定且中間填充如導熱硅脂等導熱材料。所述制冷片下方設有鋁制散熱底座，散熱底座與制冷片壓緊固定且中間填充如導熱硅脂等導熱材料。所述雙層杯體周圍設有鋰電池、溫度控制系統、穩壓電路。所述制冷片與溫度控制系統相連，所述溫度控制系統與穩壓電路及鋰電池相連，所述溫度控制系統以單片機作為控制中心。

水杯使用時，溫度控制系統對比用戶預設舒適溫度與杯內液體溫度，當杯內液體溫度高于用戶預設舒適溫度時，溫度控制系統控制制冷片通過穩壓電路與鋰電池連接，使得制冷片通過溫差所產生的電能升壓后儲存在鋰電池中，此時紅色指示燈亮，藍色和綠色指示燈熄滅。當杯內液體溫度在用戶預設舒適溫度±3°范圍內時，溫度控制系統關閉藍色、紅色指示燈并且打開綠色指示燈。當杯內液體溫度低于用戶預設舒適溫度時，溫度控制系統斷開制冷片與穩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熱板傳導到杯內補充杯體內液體熱量，并且打開藍色指示燈，關閉紅色和綠色指示燈。

2.2 溫度控制系統 項目設計的溫度控制系統采用arduino nano開發板作為核心，控制系統通過DS18B20采集溫度信息，控制系統與熱電制冷片驅動電路相連，在整個控制系統的設計過程中遇到的最大難題是當液體溫度處于臨界溫度時的處理，最終在指導老師的幫助下用如下方法解決：液體溫度由高到低降下來，當液體溫度低于設定溫度上限時，將上限溫度上拉三度，當液體溫度高于設定溫度上限時將上限溫度下拉三度，當液體溫度低于設定溫度下限時，將下限溫度上拉三度，當液體溫度高于設定溫度下限時將下限溫度下拉三度。并依照此方法編寫了一套控制算法，最終完善了整個溫度控制系統的設計。

2.3 熱電制冷片驅動電路 熱電制冷片需要流過較大的電流（約5A）才能工作，一般的單片機不能提供這樣大的電流，因此必須擴流，即驅動，項目采用電磁繼電器驅動熱電制冷片。如圖2所示為NPN型三極管驅動繼電器的工作示意圖，繼電器線圈作為集電極負載接在集電極和正極之間，當輸入為0V時，三極管截止，氣泵無電流通過，則繼電器不工作，相反，當輸入5V信號時，三極管飽和，繼電器線圈有相當的電流流過，則繼電器工作。

當輸入電壓由5V變為0V時，三極管由飽和變為截止，這樣繼電器線圈中的電流突然失去流通通路，這將在線圈兩端產生較大的反向電動勢，電壓值可以達到一百多伏，這個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反向電動勢通過二極管放電從而保護三極管，使三極管集電極對地的電壓最高不超過5V。（見圖2）

2.4 熱電制冷片 半導體制冷片，也叫熱電制冷片，是一種熱泵。它的優點是沒有滑動部件，應用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無制冷劑污染的場合。利用半導體材料的peltier效應，當直流電通過兩種不同半導體材料串聯成的電偶時，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實現制冷的目的。它是一種產生負熱阻的制冷技術，其特點是無運動部件，可靠性也比較高。利用半導體制冷的方式來解決LED照明系統的散熱問題，具有很高的實用價值。項目恒溫杯即利用熱電制冷片的這種特點轉移杯內液體熱量，并可通過溫差發電。

2.5 散熱底座 散熱片是一種給電器中的易發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大的散熱片，電視機中電源管、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熱硅脂，使元器件發出的熱量更有效的傳導到散熱片上，再經散熱片散發到周圍空氣中去。目前常用的散熱片材質是銅和鋁合金，二者各有其優缺點。銅的導熱性好，但價格較貴，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，鋁合金的優點是價格低廉，重量輕，但導熱性比銅就要差很多。本項目散熱器就各取所長，在鋁合金散熱底座上嵌入一片銅板。散熱底座主體設計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 結束語

本設計完成了溫度控制系統的設計制作、完成了散熱底座的設計制作、進而完成了整個恒溫杯項目的設計制作工作，可調溫水杯使用過程中在加載外接電源的情況下可實現杯內液體的恒溫功能。

參考文獻：

[1]安景飛.半導體制冷系統性能的研究[D].西華大學，2013.

[2]張曉芳.水冷式半導體冰箱制冷性能的研究[D].湘潭大學， 2012.

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

摘要：本設計涉及的可調溫水杯，以半導體制冷技術為核心，采用單片機控制，可以迅速吸收杯內液體舒適溫度以上的熱量，并轉化為電能儲存在杯體內的鋰電池中，當溫度低于用戶所設定的舒適溫度時，單片機控制熱電制冷片吸收周圍環境熱量，補充杯內液體熱量，實現水杯恒溫。本設計具有結構簡單，操作簡便，應用廣泛的特點。

關鍵詞：恒溫 半導體制冷 單片機控制

1 研究背景

傳統的保溫杯只能通過阻隔熱量散失來提供有限的保溫功能，如果希望水溫不會因為放置時間長而冷卻，加進去的水溫就要足夠高，但是這樣一來就要放置一段時間之后才能飲用；如果加進去的時候水溫低，則很快又冷了，不具備使杯內飲品長時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，不能適應使用的需要。本設計針對以上不足，提供一種可調溫水杯，以半導體制冷技術為核心，采用單片機控制，可以迅速吸收杯內液體舒適溫度以上的熱量，并轉化為電能儲存在杯體內的鋰電池中，當溫度低于用戶所設定的舒適溫度時，單片機控制熱電制冷片吸收周圍環境熱量，補充杯內液體熱量，并且在散熱片工作良好的情況下，可以使制熱效率達到160%以上。

2 設計方案

2.1 可調溫水杯結構設計 本設計涉及的可調溫水杯的結構如圖1所示，雙層杯體內抽成真空，雙層杯體下方設有鋁制導熱板，導熱板與雙層杯體密封連接。所述導熱板下方設有制冷片，制冷片與導熱板之間壓緊固定且中間填充如導熱硅脂等導熱材料。所述制冷片下方設有鋁制散熱底座，散熱底座與制冷片壓緊固定且中間填充如導熱硅脂等導熱材料。所述雙層杯體周圍設有鋰電池、溫度控制系統、穩壓電路。所述制冷片與溫度控制系統相連，所述溫度控制系統與穩壓電路及鋰電池相連，所述溫度控制系統以單片機作為控制中心。

水杯使用時，溫度控制系統對比用戶預設舒適溫度與杯內液體溫度，當杯內液體溫度高于用戶預設舒適溫度時，溫度控制系統控制制冷片通過穩壓電路與鋰電池連接，使得制冷片通過溫差所產生的電能升壓后儲存在鋰電池中，此時紅色指示燈亮，藍色和綠色指示燈熄滅。當杯內液體溫度在用戶預設舒適溫度±3°范圍內時，溫度控制系統關閉藍色、紅色指示燈并且打開綠色指示燈。當杯內液體溫度低于用戶預設舒適溫度時，溫度控制系統斷開制冷片與穩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熱板傳導到杯內補充杯體內液體熱量，并且打開藍色指示燈，關閉紅色和綠色指示燈。

2.2 溫度控制系統 項目設計的溫度控制系統采用arduino nano開發板作為核心，控制系統通過DS18B20采集溫度信息，控制系統與熱電制冷片驅動電路相連，在整個控制系統的設計過程中遇到的最大難題是當液體溫度處于臨界溫度時的處理，最終在指導老師的幫助下用如下方法解決：液體溫度由高到低降下來，當液體溫度低于設定溫度上限時，將上限溫度上拉三度，當液體溫度高于設定溫度上限時將上限溫度下拉三度，當液體溫度低于設定溫度下限時，將下限溫度上拉三度，當液體溫度高于設定溫度下限時將下限溫度下拉三度。并依照此方法編寫了一套控制算法，最終完善了整個溫度控制系統的設計。

2.3 熱電制冷片驅動電路 熱電制冷片需要流過較大的電流（約5A）才能工作，一般的單片機不能提供這樣大的電流，因此必須擴流，即驅動，項目采用電磁繼電器驅動熱電制冷片。如圖2所示為NPN型三極管驅動繼電器的工作示意圖，繼電器線圈作為集電極負載接在集電極和正極之間，當輸入為0V時，三極管截止，氣泵無電流通過，則繼電器不工作，相反，當輸入5V信號時，三極管飽和，繼電器線圈有相當的電流流過，則繼電器工作。

當輸入電壓由5V變為0V時，三極管由飽和變為截止，這樣繼電器線圈中的電流突然失去流通通路，這將在線圈兩端產生較大的反向電動勢，電壓值可以達到一百多伏，這個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反向電動勢通過二極管放電從而保護三極管，使三極管集電極對地的電壓最高不超過5V。（見圖2）

2.4 熱電制冷片 半導體制冷片，也叫熱電制冷片，是一種熱泵。它的優點是沒有滑動部件，應用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無制冷劑污染的場合。利用半導體材料的peltier效應，當直流電通過兩種不同半導體材料串聯成的電偶時，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實現制冷的目的。它是一種產生負熱阻的制冷技術，其特點是無運動部件，可靠性也比較高。利用半導體制冷的方式來解決LED照明系統的散熱問題，具有很高的實用價值。項目恒溫杯即利用熱電制冷片的這種特點轉移杯內液體熱量，并可通過溫差發電。

2.5 散熱底座 散熱片是一種給電器中的易發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大的散熱片，電視機中電源管、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熱硅脂，使元器件發出的熱量更有效的傳導到散熱片上，再經散熱片散發到周圍空氣中去。目前常用的散熱片材質是銅和鋁合金，二者各有其優缺點。銅的導熱性好，但價格較貴，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，鋁合金的優點是價格低廉，重量輕，但導熱性比銅就要差很多。本項目散熱器就各取所長，在鋁合金散熱底座上嵌入一片銅板。散熱底座主體設計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 結束語

本設計完成了溫度控制系統的設計制作、完成了散熱底座的設計制作、進而完成了整個恒溫杯項目的設計制作工作，可調溫水杯使用過程中在加載外接電源的情況下可實現杯內液體的恒溫功能。

參考文獻：

[1]安景飛.半導體制冷系統性能的研究[D].西華大學，2013.

[2]張曉芳.水冷式半導體冰箱制冷性能的研究[D].湘潭大學， 2012.

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

摘要：本設計涉及的可調溫水杯，以半導體制冷技術為核心，采用單片機控制，可以迅速吸收杯內液體舒適溫度以上的熱量，并轉化為電能儲存在杯體內的鋰電池中，當溫度低于用戶所設定的舒適溫度時，單片機控制熱電制冷片吸收周圍環境熱量，補充杯內液體熱量，實現水杯恒溫。本設計具有結構簡單，操作簡便，應用廣泛的特點。

關鍵詞：恒溫 半導體制冷 單片機控制

1 研究背景

傳統的保溫杯只能通過阻隔熱量散失來提供有限的保溫功能，如果希望水溫不會因為放置時間長而冷卻，加進去的水溫就要足夠高，但是這樣一來就要放置一段時間之后才能飲用；如果加進去的時候水溫低，則很快又冷了，不具備使杯內飲品長時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，不能適應使用的需要。本設計針對以上不足，提供一種可調溫水杯，以半導體制冷技術為核心，采用單片機控制，可以迅速吸收杯內液體舒適溫度以上的熱量，并轉化為電能儲存在杯體內的鋰電池中，當溫度低于用戶所設定的舒適溫度時，單片機控制熱電制冷片吸收周圍環境熱量，補充杯內液體熱量，并且在散熱片工作良好的情況下，可以使制熱效率達到160%以上。

2 設計方案

2.1 可調溫水杯結構設計 本設計涉及的可調溫水杯的結構如圖1所示，雙層杯體內抽成真空，雙層杯體下方設有鋁制導熱板，導熱板與雙層杯體密封連接。所述導熱板下方設有制冷片，制冷片與導熱板之間壓緊固定且中間填充如導熱硅脂等導熱材料。所述制冷片下方設有鋁制散熱底座，散熱底座與制冷片壓緊固定且中間填充如導熱硅脂等導熱材料。所述雙層杯體周圍設有鋰電池、溫度控制系統、穩壓電路。所述制冷片與溫度控制系統相連，所述溫度控制系統與穩壓電路及鋰電池相連，所述溫度控制系統以單片機作為控制中心。

水杯使用時，溫度控制系統對比用戶預設舒適溫度與杯內液體溫度，當杯內液體溫度高于用戶預設舒適溫度時，溫度控制系統控制制冷片通過穩壓電路與鋰電池連接，使得制冷片通過溫差所產生的電能升壓后儲存在鋰電池中，此時紅色指示燈亮，藍色和綠色指示燈熄滅。當杯內液體溫度在用戶預設舒適溫度±3°范圍內時，溫度控制系統關閉藍色、紅色指示燈并且打開綠色指示燈。當杯內液體溫度低于用戶預設舒適溫度時，溫度控制系統斷開制冷片與穩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熱板傳導到杯內補充杯體內液體熱量，并且打開藍色指示燈，關閉紅色和綠色指示燈。

2.2 溫度控制系統 項目設計的溫度控制系統采用arduino nano開發板作為核心，控制系統通過DS18B20采集溫度信息，控制系統與熱電制冷片驅動電路相連，在整個控制系統的設計過程中遇到的最大難題是當液體溫度處于臨界溫度時的處理，最終在指導老師的幫助下用如下方法解決：液體溫度由高到低降下來，當液體溫度低于設定溫度上限時，將上限溫度上拉三度，當液體溫度高于設定溫度上限時將上限溫度下拉三度，當液體溫度低于設定溫度下限時，將下限溫度上拉三度，當液體溫度高于設定溫度下限時將下限溫度下拉三度。并依照此方法編寫了一套控制算法，最終完善了整個溫度控制系統的設計。

2.3 熱電制冷片驅動電路 熱電制冷片需要流過較大的電流（約5A）才能工作，一般的單片機不能提供這樣大的電流，因此必須擴流，即驅動，項目采用電磁繼電器驅動熱電制冷片。如圖2所示為NPN型三極管驅動繼電器的工作示意圖，繼電器線圈作為集電極負載接在集電極和正極之間，當輸入為0V時，三極管截止，氣泵無電流通過，則繼電器不工作，相反，當輸入5V信號時，三極管飽和，繼電器線圈有相當的電流流過，則繼電器工作。

當輸入電壓由5V變為0V時，三極管由飽和變為截止，這樣繼電器線圈中的電流突然失去流通通路，這將在線圈兩端產生較大的反向電動勢，電壓值可以達到一百多伏，這個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反向電動勢通過二極管放電從而保護三極管，使三極管集電極對地的電壓最高不超過5V。（見圖2）

2.4 熱電制冷片 半導體制冷片，也叫熱電制冷片，是一種熱泵。它的優點是沒有滑動部件，應用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無制冷劑污染的場合。利用半導體材料的peltier效應，當直流電通過兩種不同半導體材料串聯成的電偶時，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實現制冷的目的。它是一種產生負熱阻的制冷技術，其特點是無運動部件，可靠性也比較高。利用半導體制冷的方式來解決LED照明系統的散熱問題，具有很高的實用價值。項目恒溫杯即利用熱電制冷片的這種特點轉移杯內液體熱量，并可通過溫差發電。

2.5 散熱底座 散熱片是一種給電器中的易發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大的散熱片，電視機中電源管、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熱硅脂，使元器件發出的熱量更有效的傳導到散熱片上，再經散熱片散發到周圍空氣中去。目前常用的散熱片材質是銅和鋁合金，二者各有其優缺點。銅的導熱性好，但價格較貴，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，鋁合金的優點是價格低廉，重量輕，但導熱性比銅就要差很多。本項目散熱器就各取所長，在鋁合金散熱底座上嵌入一片銅板。散熱底座主體設計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 結束語

本設計完成了溫度控制系統的設計制作、完成了散熱底座的設計制作、進而完成了整個恒溫杯項目的設計制作工作，可調溫水杯使用過程中在加載外接電源的情況下可實現杯內液體的恒溫功能。

參考文獻：

[1]安景飛.半導體制冷系統性能的研究[D].西華大學，2013.

[2]張曉芳.水冷式半導體冰箱制冷性能的研究[D].湘潭大學， 2012.

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