便攜式智能杯設(shè)計(jì)

史鑫鵬 陶凱

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)制冷設(shè)備攜帶困難，功能單一的難題，設(shè)計(jì)了一款具有加熱、制冷、保溫、加濕等功能的便攜式智能杯，并試驗(yàn)研究了智能杯的保溫性能、加熱性能和制冷性能。采用STC89C51為控制器，實(shí)現(xiàn)智能制熱、制冷及保溫；采用DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制；采用USB接口及內(nèi)置電源供電，便于攜帶。經(jīng)測(cè)試，加熱溫度能達(dá)到70℃以上，制冷溫度能達(dá)到5℃以下。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；智能；便攜；半導(dǎo)體制冷

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.117

0 引言

科技的發(fā)展進(jìn)步，使人們對(duì)生活及辦公環(huán)境舒適、方便等方面的要求越來越高，傳統(tǒng)的生活用品中絕大多數(shù)是需要改進(jìn)的。水杯是日常生活的常用品，但生活中大多數(shù)水杯仍局限于單一的保溫，少部分支持加熱功能，僅僅如此無(wú)法滿足人們的需要。因此，生活中一款智能杯，改變傳統(tǒng)保溫杯的單一功能。

目前，市場(chǎng)中有附加功能的水杯大多數(shù)還局限于單一的加熱功能，只有極少數(shù)具有制冷功能，但制冷時(shí)間較長(zhǎng)，保溫效果較差。目前主要是采用半導(dǎo)體加熱和制冷，而半導(dǎo)體加熱溫度不高，保溫方面仍沒有太大改進(jìn)，大部分還是依靠水杯本身保溫。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了一款同時(shí)具備加熱、制冷、保溫、加濕等多種功能的水杯。本設(shè)計(jì)采用STC89C51為控制核心，成功實(shí)現(xiàn)了加熱、制冷、保溫、加濕四種功能，極大的滿足了用戶在舒適、方便、實(shí)用等方面的要求。

1 總體設(shè)計(jì)

（1）總體結(jié)構(gòu)。基于單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種便攜式智能杯。主要由杯蓋、杯體、底座等組成。

杯蓋由外蓋和加濕內(nèi)蓋組成，如圖1所示。

杯體由外壁和內(nèi)壁組成。外壁上有LCD顯示屏；內(nèi)壁為鋁制材料，裝有加熱片和制冷片。內(nèi)壁與外壁之間保溫材料和電路，如圖2所示。

底座由防護(hù)網(wǎng)、散熱片、散熱風(fēng)扇、鋰電池、杯底組成。

（2）工作原理。制冷原理：半導(dǎo)體制冷采用的是Peltier效應(yīng)，其原理為當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對(duì)中有電流通過時(shí)，兩端之間就會(huì)產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會(huì)從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端。

加熱原理：高溫陶瓷加熱片在通12V直流電時(shí)表面會(huì)開始升溫，最高表面溫度可達(dá)300℃。

加濕原理：采用超聲波加濕，用高頻震蕩（震蕩頻率為1.7MHz，超過人的聽覺范圍），通過霧化片的高頻諧振，將水拋離水面而產(chǎn)生自然飄逸的水霧。

保溫原理：一方面是保溫杯本身具有良好的保溫效果，另一方面內(nèi)置電池供電使加熱或制冷系統(tǒng)間歇性工作實(shí)現(xiàn)保溫。

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

（1）制冷模塊。制冷模塊主要由半導(dǎo)體制冷片、散熱片和散熱風(fēng)扇組成。制冷方式采用半導(dǎo)體制冷，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間較少，無(wú)制冷劑污染，適合安裝于水杯內(nèi)部。在底座上長(zhǎng)有散熱模塊，散熱裝置由散熱片和散熱風(fēng)扇組成，散熱片與半導(dǎo)體貼之間涂有導(dǎo)熱硅脂可以更好地散熱，散熱裝置與底座壁上的散熱孔結(jié)合使底座的空氣流動(dòng)更好，提高散熱效果。

（2）加熱模塊。加熱模塊采用的是高溫陶瓷加熱片加熱，該高溫陶瓷加熱片加熱時(shí)表面溫度可達(dá)300℃。陶瓷片體積小，便于放置，同時(shí)加熱效果優(yōu)于大部分同類產(chǎn)品。杯子內(nèi)壁上共嵌有四個(gè)加熱片，開始加熱后四個(gè)加熱片同時(shí)對(duì)杯內(nèi)液體進(jìn)行加熱，可以減少加熱時(shí)間。

（3）加濕模塊。加濕模塊采用超聲波加濕，超聲波加濕裝置十分小巧，直接安裝在保溫杯蓋上，單獨(dú)制作一個(gè)加濕內(nèi)蓋。同其它類型加濕設(shè)備相比，超聲波加濕器加濕效率高，產(chǎn)生的霧粒小而均勻，節(jié)約水資源等優(yōu)點(diǎn)，加濕效果較為優(yōu)越。

（4）控制模塊?？刂颇K是以STC89C51最小單片機(jī)為控制核心，將溫度傳感器所采集的水溫值與所設(shè)定的溫度相比較，做出相應(yīng)的處理，并將采集的溫度顯示杯壁的LCD顯示屏上。傳感器采用DS18B20溫度傳感器，DS18B20數(shù)字溫度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器?？梢圆杉瓋?nèi)溫度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上。

（5）顯示模塊。顯示模塊由LCD1602構(gòu)成，可實(shí)時(shí)顯示杯內(nèi)液體溫度和杯外環(huán)境的濕度，以便于水溫的調(diào)整及選擇是否需要加濕。LCD顯示屏上有相應(yīng)的四個(gè)按鍵，可以分別實(shí)現(xiàn)“電源開關(guān)”、“升溫”、“降溫”、“定時(shí)”的功能。

（6）供電模塊。采用最常見的就是USB接口供電，方便快捷。另一方面，杯子的底座內(nèi)部加裝鋰電池組，在無(wú)外接電源時(shí)，內(nèi)置鋰電池可短時(shí)間供電，使杯子間歇性工作，增強(qiáng)保溫效果。

3 性能試驗(yàn)

（1）材料與方法。根據(jù)前述原理建立了智能杯的樣機(jī)，在室溫為25℃的情況下分別進(jìn)行溫度傳感器數(shù)據(jù)采集測(cè)試、溫度調(diào)節(jié)測(cè)試以及保溫測(cè)試。

1）溫度調(diào)節(jié)測(cè)試。向杯中加入450ml飲用水，分別進(jìn)行加熱測(cè)試和制冷測(cè)試。設(shè)置加熱溫度為60℃，將杯中的水由室溫加熱至60℃，加熱過程中記錄顯示器上的數(shù)據(jù)，進(jìn)行加熱測(cè)試。將杯內(nèi)水冷卻至室溫，設(shè)置制冷溫度為5℃，將杯中的水由室溫制冷到5℃，制冷過程中記錄顯示器上的數(shù)據(jù)，進(jìn)行制冷測(cè)試。水溫調(diào)節(jié)曲線如圖4所示。

2）保溫測(cè)試。將溫度設(shè)置為60℃，水加熱到60℃后切斷外接電源，每3小時(shí)記錄一次杯內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行熱水保溫測(cè)試；將溫度設(shè)為5℃，水制冷到5℃后切斷外接電源，每3小時(shí)記錄一次杯內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行冷水保溫測(cè)試。水溫曲線圖如圖5所示。

4 結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，40分鐘內(nèi)水杯可將450ml水從常溫制冷到5℃，或者從常溫加熱到60℃；保溫方面，水杯可保證杯內(nèi)溫度6小時(shí)之內(nèi)基本不變，改水杯可以滿足人們的需求。相較于其他產(chǎn)品，本設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)明顯：①USB接口供電、內(nèi)置電源供電，水杯更加便攜。②有加熱、制冷、保溫、加濕等功能。③單片機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)智能加熱或制冷，智能保溫。

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作者簡(jiǎn)介：史鑫鵬（1997-），男，山東青島人，本科在讀，研究方向：車輛工程。