基于單片機控制的汽車智能降溫系統

高麗英

摘 要：在高溫曝曬下，汽車內部溫度會急劇升高，會降低司乘人員駕駛舒適度甚至誘發身體疾病，導致“車內悲劇”，解決車內溫度在曝曬下迅增問題急不可待。文章以半導體制冷片的peltier效應和太陽能光伏發電為技術核心，設計了一種高溫曝曬下車內智能降溫系統。系統由車體模塊和控制模塊兩部分組成，通過對單片機進行功能控制，驅動半導體制冷模塊運轉，在不啟動發動機的前提下完成車體的整個內外循環降溫。通過理論計算，并設計fluent仿真、簡化裝置及整車實體三個實驗驗證系統的可行性。實驗結果表明，該系統可以實現系統環境與外界進行大氣交換，實現了降溫智能化、低碳化，同時通過車內溫度實時監測及遠程控制，提高了駕駛舒適性和安全性。

關鍵詞：半導體制冷;光伏發電;智能降溫;節能高效

中圖分類號：TG156 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）12-39-06

Abstract： Under high temperature exposure， the internal temperature of the vehicle will rise sharply， which will reduce the driving comfort and even induce physical diseases， resulting in "tragedy in the vehicle". Therefore， it is urgent to solve the problem of rapid increase in the temperature in the vehicle under exposure. Based on the peltier effect of semiconductor cooling sheet and solar photovoltaic power generation technology， a kind of intelligent cooling system is designed in this paper. The system consists of two parts， the vehicle body module and the control module. Through the functional control of the single-chip microcomputer， the semiconductor refrigeration module is driven to run， and the whole internal and external cooling cycle of the vehicle is completed without starting the engine. The feasibility of the system is verified by theoretical calculation， fluent simulation， simplification device and vehicle entity experiments. The experimental results show that the system can exchange atmosphere between the system environment and the outside world， realize intelligent cooling and low carbonization， and improve driving comfort and safety through real-time monitoring and remote control of vehicle temperature.

Keywords： Semiconductor refrigeration; Photovoltaic power generation; Intelligent cooling; Energy conservation and efficient

CLC NO.： TG156 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）12-39-06

前言

隨著交通便捷程度的提高，汽車逐漸普及，汽車安全隱患成了關注焦點，其中高溫下車體的安全隱患成為一種發生頻率極高卻不易引起注意的隱患。在高溫曝曬下，汽車內部溫度會急劇升高，車內高溫對人體健康危害極大[1]。然而，目前常用于實現車體恒溫的方式主要使用自動空調系統、智能換氣系統、汽車防曬罩和化學降溫劑等[2-4]，其中，市場上最為主流的是依靠車體的空調降溫，而這已經造成了巨大能耗，嚴重違背了國家“節能減排”的戰略。而自動空調系統利用溫度傳感器、光照傳感器，以及車窗霧氣傳感器收集車內環境信息，自動調節車溫從而保持車內溫度的恒定的。但此系統成本較高，結構相對復雜。智能換氣系統主要是依靠通風起到換氣降溫作用，但其主要適用于車內溫度升高不顯著情況，在極高溫環境下的換氣工作效果不明顯，且頻繁的運作空調系統極易導致其使用壽命減少。汽車防曬罩是目前最普遍的降溫方法，需要人工布置，步驟繁瑣。而化學類降溫方法可以通過在車內使用化學降溫噴劑來實現，其原材料一般是干冰、氮氣等，通常只能實現局部降溫效果，且在使用過程中，部分化學添加劑具有一定危害性。

近年來，國內外諸多學者考慮將汽車空調控制系統進行改革，促進其小型化、節能化、智能化轉型[5-7]。通過利用半導體溫控特性，采用熱電制冷器，改變流過制冷器的電流方向進而實現半導體制冷效果。目前，半導體制冷裝置已經廣泛應用于醫療衛生、石油化工、電子技術等領域，并取得了很好的效果。本文在現有的半導體制冷裝置基礎上，對其特性進行研究，研發了一種以太陽能為能量來源，有效控制車內溫度的高溫曝曬下車內智能降溫系統，設計了車體模塊和控制模塊兩大模塊。并對車體模塊中的半導體制冷裝置、水循環冷卻裝置、內外循環管道裝置、太陽能供電裝置進行連接，通過遠程手動控制和自動控制兩種不同控制方法，解決了現有汽車車體溫度過高，車載空調能耗大，難以提前啟動及電路安全無保障等諸多弊端，能在極短時間內讓車內達到舒適溫度，實現了車內降溫的智能化、低碳化。

1 智能降溫系統車體模塊設計

1.1 總體設計

整個基于單片機控制的半導體智能降溫系統由車體模塊和控制模塊兩個模塊組成，見圖1。該系統中車體模塊主要包括半導體制冷裝置、水循環冷卻裝置、內外循環氣體交換裝置、太陽能供電裝置。系統控制模塊包括遠程手動控制模塊、電路自動控制模塊。整個系統基于太陽能電池組物理性能，將整個裝置改制成太陽能天窗，利用太陽能光電轉化原理，將接收到的太陽能轉化為電能提供給半導體制冷裝置。當車內溫度達到溫度控制器的設定值時，電路自動控制模塊啟動，首先切換成外循環模式，抽氣泵運行，將車內大概70℃的高溫空氣與環境40℃的空氣進行交換，內外空氣交換之后使車內溫度與環境溫度達到相同溫度，實現第一步降溫;接著在基于環境溫度下再切換成內循環模式并啟動半導體制冷，經過半導體制冷片降溫處理后的氣體通過汽車空調管道排至汽車車內，讓汽車內部氣流在內循環過程中降至設定溫度（如26℃）。當遇到臨時停車或需在預定時間到達車時，車主可啟動遠程手動控制模塊，直接利用時間控制系統，設定某一時刻，啟動車體恒溫系統，實現遠程提前降溫，具體系統降溫過程見圖2。

在整個系統中，車體模塊和控制模塊分別保證整個車體溫度的恒溫性，由圖3可直接看出這兩個部分所控制裝置之間相互配合、相互支撐、協同工作，保證了恒溫系統運行的可靠性。

系統的整體布局受車體水箱及空調位置限定，安放在汽車車內前端。該系統將原來導致車輛高溫的太陽能轉換成控溫能源，在控溫的同時不增加任何油耗，避免了因高溫產生的安全隱患;同時利用車內原有部件，不需要對車體進行大改造，而是另附零件，無需進行車輛組裝，通過太陽能板供電給車體開啟內外循環系統，讓車體迅速降溫，有效地降低車載空調的耗能。

1.2 半導體制冷裝置

半導體制冷裝置是由半導體制冷片、冷端肋片等組成，它是汽車車體恒溫系統的核心部分，能夠將汽車車體內的高溫氣體進行冷卻降溫處理，并排至汽車車體內，實現汽車車體的降溫效果。

半導體制冷片作為特種新型冷源，對比傳統其他用于汽車的制冷方式時，其可實現無需任何制冷劑制冷，可無污染、無噪音地連續工作。同時半導體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達到最大溫差。而由于半導體制冷片是電流換能型片件，可實現高精度的溫度控制，很容易實現遙控、程控、計算機控制，便于組成自動控制系統。

1.3 內外循環管道裝置

利用汽車空調的循環管道、汽車內循環風機、內外循環端溫度傳感器和抽氣泵（抽氣泵，是指具備一進一出的抽氣嘴、排氣嘴各一個，并且在進口處能夠持續形成真空或負壓;排氣嘴處形成微正壓），將降溫裝置產生的冷風，通過車內循環送達車體。車體內外循環的流程見圖5。

在車內已配置的內外循環系統上通過不啟動車而由太陽能供電時自啟動對應溫度設定下的內外循環系統，當接于外循環模塊的溫度傳感器在感測到車內溫度達到設定高溫時，自動啟動外循環管道的循環過程，此時進風口開啟，利用汽車排風機功率大，排風量大和其工作電壓為6V-24V且可自動調節的優點，與太陽能板在不同的日照下輸出電壓也不穩定性能互補，隨著車內溫度升高利用太陽能供能引發外循環電路的自啟，同時且利用排風機排風性能實現了自動降溫。在完成車內溫度由60-70℃到40℃的降溫過程后，外循環結束。即汽車室內溫度達到了與環境溫度相同的情況下，因環境溫度仍高于所設定的內循環自啟溫度26℃，則實現內循環過程。內循環過程中關閉了車內外的氣流通道，即進風口關閉，并啟動半導體制冷裝置工作，自啟動開風機時吸入的氣流也僅來自車內，形成車輛內部的氣流循環。內循環主要是及時有效地阻止外部的灰塵和有害氣體進入車內，具有更好制冷保溫效果。

1.4 太陽能供電裝置

為了解決在汽車發電機未啟動時，汽車車體恒溫系統的動力來源問題，本文應用了太陽能光伏發電技術，將太陽能電池板安裝于汽車頂部。在太陽暴曬時充分利用高溫所提供的特定環境資源，吸收太陽能用以供電[9]。整個太陽能供電裝置由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需額外配置逆變器。太陽能光伏發電是根據光生伏特效應原理，不論是獨立使用還是并網發電，光伏發電系統主要由太陽能電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構成，不涉及機械部件，因此，光伏發電設備精煉且可靠穩定壽命長[10]。

如圖6所示，太陽能供電裝置中各部分的作用分別是：1）太陽能電池板作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作;2）太陽能控制器能有效控制整個系統的工作狀態，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用;3）蓄電池主要是在有光照時將太陽能電池板所發出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來;4）逆變器需要將太陽能發電系統所發出的直流電能轉換成交流電能。同時，本文考慮目前所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高為單晶硅太陽能，其光電轉換效率最高的達到24%，因此利用單晶硅太陽能電池，在陽光照射下，光能立即轉化為直流電，供給汽車車體恒溫系統的各裝置，降低駕駛室內溫度;當光照強度較大時，一部分電能直接供給汽車車體恒溫系統，另一部分由控制器向蓄電池輸送并儲存起來，當太陽能電池產電量比較低時，再釋放給汽車車體恒溫系統。

2 系統降溫理論計算

2.1 換氣風扇換氣工作時間計算

在完成車體模塊設計后，整個半導體智能降溫系統在工作時長內能否完成降溫要求需要通過理論計算來分析。

2.4 太陽能電池板工作計算

夏季，按太陽能電池板一天工作6小時、吸收率為23%計算，太陽能一天的發電量至少為0.67度，W=0.67KJ·h，整套裝置由70℃降到30℃時使用一次的能耗為86250J，則可供整套裝置運行次數為f=0.67×1000÷86250×3600=28次，若太陽能電池板每小時充電1小時，則可以供應的次數為f=4.7次。外循環管道模塊運行，將車內大概70℃的高溫空氣換為環境40℃的空氣，需要3.6分鐘;內循環管道模塊運行，將車內40℃空氣降至30℃，需要1分鐘即可。整個過程低能耗運行5分鐘即可制造舒適的車內環境。

3 單片機溫度控制模塊設計

3.1 換氣風扇換氣工作時間計算

本系統設計的控制模塊是基于單片機的智能化控制系統，從架構上講，由遠程手動控制部分、自動控制部分兩個主要控制端組成。這兩部分所控制的電路及器件主要包括處理器，溫度傳感器，數碼管顯示，按鍵調節電路，控制信號驅動電路，半導體制冷執行器連接電路，詳細的系統結構圖如圖7所示：

圖7中，以單片機為處理中心，接受溫度傳感器所在電路的反饋信號，經過單片機內部模糊控制算法處理，單片機IO口輸出一定占空比的PWM信號控制量，經過驅動器的作用，最終驅動半導體制冷器制冷。同時，在單片機的外圍電路中，通過8位數碼管顯示給定值和反饋值，通過安檢設定控制系統的溫度目標值。并在實際溫度和目標設定溫度之間進行反饋調整，完成制冷恒溫過程。

3.2 遠程手動控制模塊設計

汽車遠程手動溫控系統，整車智能控溫，手機一鍵啟動，即可達到遠程控制車內溫度高低[11]。車主可以通過手機APP達到人機互動，實現在未發動汽車且未進入車內時便可控制制冷系統的循環開啟。整個遠程模塊包括外循環手動控制電路，內循環手動控制電路。外循環電路由太陽能供能給鼓風機啟動，啟動外電路為一溫度感測電路和溫度控制驅動電路。內循環部分為基于單片機的半導體制冷片溫度控制電路，其系統的總體結構圖如圖8所示。

該系統中包括的部件主要有液晶顯示電路，鍵盤的輸入，溫度傳感器，單片機元件以及驅動的電路設計等等。在這個系統中液晶屏的作用主要是顯示實時溫度的變化，而單片機的作用主要是整體上控制各支路有序工作。

3.3 自動控制部分設計

本文中，半導體制冷溫度控制系統設計以STC89C52RC單片機為核心，通過內外循環所設定的溫度傳感器電路，分別在設定外循環電路初始溫度40℃，當高于40℃時自動開啟外循環，達到與外界溫度一致（假設40℃），設定溫度40℃（即達到與室溫一致時）則自動控制內循環開啟，實際溫度與自動設定溫度（假設30℃）相比較，當實際溫度與設定溫度相差較大時，單片機5V電壓通過繼電器來控制12V半導體制冷片工作;當實際溫度降到設定溫度附近時，采用PWM（脈沖寬度調制）控制場效應管IRF630的電流變化，來改變制冷片的工作狀態，從而實現恒溫的目的。

如圖9所示，在Multisim中畫出單片機程序原理圖后，再在單片機中編寫具體程序，從而在組件部分實現溫度控制功能。

4 實驗驗證

4.1 仿真模擬實驗

通過采用流體工程仿真軟件fluent，仿真模擬在汽車車體恒溫系統的作用下車內氣體溫度變化。本次實驗主要研究出高溫暴曬下，啟動汽車車體恒溫系統后車內氣體溫度變化。通過設置邊界條件、進風口參數、出風口參數、迭代步數等模擬實際環境，獲得精確可靠的結果，具體結果如圖10、11所示。

由圖10、11可得，根據fluent仿真實驗中可以得出在利用內外循環兩個模塊之后汽車車體內部氣流及溫度變化態勢，由初始高溫32℃在10s后降至29℃的變化過程。

4.2 簡化模型實驗

在經過fluent仿真驗證了實驗過程溫度變化趨勢之后，通過搭建簡化模型來完成整個車體在簡要裝置下的效果展示，看是否可以通過內外循環及太陽能供能完成制冷恒溫過程。通過在高溫曝曬條件下，利用半導體制冷片、溫控開關、溫度探測器、風扇、水箱、水管、散熱器、導冷片、變壓器等實驗器材搭建簡化模型，按電路圖連接各電器元件，設定溫控開關起始溫度與停止溫度，搭建的車體簡化模型如圖12所示。

將整個簡化模型放置在高溫環境，進入自動模式，觀察溫度探測器的示數并記錄。

通過對表1的數據進行分析，在簡化模型中，汽車車體恒溫系統降溫效果顯著。在高溫曝曬下，僅用時1分鐘，便可將汽車車內溫度從31℃降溫至20℃，該結果與理論計算的結果相近，進一步說明實驗真實有效性。

4.3 實車實驗

通過盡量不改變原有汽車車體內部結構的基礎上，將整套裝置的核心部分及太陽能裝置分別安裝于車體，太陽能電池板固定在汽車天窗上方，如圖所示。再將整套汽車車體恒溫系統安裝在小轎車上，利用溫度探測儀探測車內溫度變化并記錄相關示數，同時用鐘表計時。

通過對數據的分析，高溫曝曬下車內智能降溫系統降溫效果顯著。在高溫曝曬下，僅用時3分鐘，便可將汽車車內溫度從45.1℃降溫至32.8℃。在整個過程中，車輛啟動了內外循環兩個過程，實驗結果雖然比計算結果略大，但也符合溫降范圍，因此，由整車實驗再次驗證了裝置的可行性。

5 結論

（1）本文將半導體制冷技術應用于汽車車內降溫，并且將裝置與車體原有的空調管道組件（車載空調的循環管道、汽車水箱、汽車天窗三大組件）結合，通過實驗結果表明，利用結合太陽能供電和半導體制冷兩部分特性設計的汽車降溫系統能夠實現迅速制冷、供能等功能。

（2）系統將制冷組件安裝于汽車空調管道當中，通過采用單片機控制，減少電路占比，并設有電瓶保護和電路短路保護裝置。與汽車其他組件無體積和電路沖突，而電瓶保護和電路保護也能夠為汽車原有電路形成雙重保護，能在保障汽車原有安全性的同時，提供額外的保護。

（3）研究表明，設計的系統結構緊湊，體積小，安裝方便，與汽車內外循環管道的工作模式結合，省去了復雜的傳輸管路，與汽車原有部件無電路沖突、無體積沖突。同時能夠有效降低半導體制冷的能耗，本文的研究結果使得半導體制冷技術突破能耗壁壘，有效應用于高溫曝曬下車內降溫。

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