基于帕爾貼元件的貨車駕駛室杯座系統設計

王亞娟 譚永獎 伍活旺 韋逸帆

陽江職業技術學院 廣東省陽江市 529500

1 引言

隨著經濟發展的不斷加快和產業結構的不斷升級，高速公路事業和物聯網技術得到了迅速發展，使得高附加值的物流運輸行業飛速增長。貨車作為物流運輸行業發展的重要載體，目前其駕駛艙內未設有飲用水加熱及制冷系統，另外由于服務區的距離通常在100KM左右，不能有效滿足駕駛員對飲用水的需求。在秋冬兩季長途行駛，現有貨車駕駛室未設有飲用水加熱功能，無法對飲用水進行及時加熱，造成貨車司機不能及時補充熱開水引起身體不適，繼而影響駕駛技術狀態；在炎熱的夏季，尤其是在擁堵路況時，現有貨車駕駛室未設有飲用水制冷功能，無法提供冰涼刺激的冷飲，為司機醒腦提神，提高駕駛注意力。

2 結構設計與工作原理

2.1 杯座結構設計

本貨車駕駛室杯座加熱及制冷系統的設計基于使用方便性理念，進行了結構設計和主要技術指標的制定[1]。該系統由半導體制冷片（帕爾帖元件）、絕緣陶瓷、鋁板、杯座、散熱系統等構成（如圖1所示）。它直接利用帕爾帖元件的制冷技術實現飲用水加熱、制冷及恒溫三種功能，不同于一般的制冷技術，既無污染，又無噪音，并且支持連續工作；杯座外觀尺寸直徑為12cm、高為10cm；基本上可以滿足貨車司機日常對飲用水的個性化需求[2]。

2.2 帕爾貼元件制冷原理

帕爾貼元件由兩片陶瓷片和夾于其間的N型和P型半導體材料組成，通上12V的直流電后，N型和P型半導體之間產生“帕爾貼效應”實現對飲用水進行制冷；改變其電流方向，就可以實現對飲用水進行加熱；通過工作電流大小的改變，實現不同速率的加熱與制冷[3]。

當帕爾貼元件上方開啟制冷模式時，下方就會產生熱量。在駕駛室杯座上應用時，為了提高加熱或制冷片的工作效率，需要在帕爾貼元件正下方增加散熱裝置，比如散熱風扇；另外需要在中控臺兩側開辟出相應的通風孔，對帕爾貼元件進行強制性散熱，從而提高加熱或制冷效果。

圖1 貨車駕駛室杯座結構圖

2.3 控制系統設計

ECU(單片機)作為主控制器，可以為帕爾貼元件提供12V直流電，通過電流方向的改變，實現飲用水的加熱或制冷；接受溫度傳感器采集的飲用水溫度信號，進行分析判斷；為執行器尤其是散熱裝置提供信號，對帕爾貼元件進行散熱。

通過按鍵可設置飲用水目標溫度，設定后進入相應的控制模式，LED溫度顯示屏可實時顯示目標溫度數值、實際溫度數值及達到目標溫度所需要的時長。ECU根據溫度傳感器采集的飲用水溫度信號，對比測量水溫與目標水溫，做出判斷分析，從而控制帕爾貼元件進行水溫調節。當飲用水的溫度低于目標溫度，啟動加熱控制模式；當飲用水的溫度達到目標溫度后，啟動恒溫控制模式；當飲用水的溫度高于目標溫度后，啟動制冷控制模式[3]。具體控制系統設計如圖2所示。

圖2 貨車駕駛室杯座控制系統設計

3 軟件系統設計

通過按鍵設定目標溫度，啟動系統調溫模式，杯座對飲用水的溫度調節到目標溫度后，進入恒溫控制，并在LED顯示出飲用水實際溫度。軟件總體設計流程如圖3所示。

圖3 軟件系統設計流程圖

4 結論

本貨車駕駛室杯座設計采用ECU作為主控制器，使用帕爾貼作為加熱或制冷核心元件，在其外添加裝強制散熱裝置，有效減小其冷熱端溫差。ECU通過溫度傳感器采集的飲用水溫度信號，對帕爾貼元件進行控制，實現加熱、制冷或者恒溫三種控制模式。該系統操作簡單方便，在一定程度上有效提高貨車駕駛員的舒適性。