基于Arduino 溫差發電溫控水杯的設計

邱承圣，李城州，王麗娟，徐海璐

（南京工業大學 浦江學院，江蘇南京，211134）

0 引言

近年來，隨著資源的過度開發和由此導致的環境惡化為人類敲響了警鐘，隨著化石能源的日益匱乏，人類的能源形勢也變得越來越嚴峻[1]。

在提高經濟活動成本的同時，能源的不可持續使用也使生存環境遭到嚴重破壞。為實現可持續發展，加大對新能源和資源回收利用的研究投入。

清潔能源的開發和使用將越來越重要，因為能源消耗和環境問題變得更加迫切。將熱能有效地通過溫差轉化為電能，是清潔能源領域的重要發展。溫度差發電的優點是不動部件，不污染噪音，不排放廢氣，可靠性高。因此，溫度差發電技術的研究在理論和工程上都具有十分重要的價值。

半導體溫度差發電是一種全固態發電方式，利用半導體材料的熱電效應，直接將熱能轉化為電能。溫度差發電有5大顯著優勢，比傳統發電方式更具優勢。一是不含機械部件、不會產生噪音、發電過程中不會產生機械振動的溫度差發電技術；二是熱源適應性強，可在不同溫度下實現熱電的轉換，適當選用熱電材料；三是體積小，重量輕，攜帶方便，隨拿隨走；四是運轉順暢，可靠性高，壽命長。不需要長時間維護，性能穩定，可靠性高，壽命長，無需長時間保養；五是在能源轉換過程中不產生廢料的安全無污染幾乎無污染的溫差環境發電技術[1～2]。因此，無論是國內還是國外，利用溫度差發電技術將各種熱能轉換成電能就成了一個炙手可熱的研究課題。

1 設計原理

原理是根據Seebeck 效應制成的半導體溫度差發電模塊，將兩個半導體的吸熱端(熱端)置于高溫下，在低溫環境的另一端散熱端(冷端)得到電動勢E[3]:

式中：αs為Seebeck 系數，單位為V/K。

Seebeck 系數αs是由材料本身的電子能帶結構決定的。

在實際應用中，半導體廣泛用于產生溫差所帶來的能量轉換，這種半導體主要被分類為P 型和N 型兩種類型。P型半導體帶有帶正電的空穴，而N 型半導體則攜帶帶負電的自由電子。由于這兩種載流子的電極性質不同，因此相同溫度梯度下，P 型和N 型半導體產生的電位差極性也不同。利用這種特性，經過一定量的交替排列的P 型和N 型半導體進行組合，從而形成了一個熱電轉換模塊。

本設計用了一個尺寸為40mm×40mm×3.4mm 的溫度區分功率模塊，127 對PN 結，Bi-TeRoHs 合金作為溫度區分功率模塊的主要原材料，連續工作溫度最高120℃，最高125℃。溫度差發電元件兩端有溫度差，則轉換元件可以產生連續的直流電流，而且元件兩端的溫度差越大，其產生的直流電流就越大，熱電轉換的效率也就越高，因此，轉換元件兩端的溫度差越大。

本研究測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關系

2 實物設計

2.1 整體設計

本文想研究設計的是一種基于初始電池的自溫差發電給自己供電，并且基于Arduino 主板控制的實時溫度檢測模塊和電池實時電量并顯示于OLED 屏幕的溫控水杯。因為溫差發電消耗熱量較快，且溫差發電有最低溫度差，當開水(100℃)倒入杯中激活溫差發電裝置時，會快速消耗熱量進行發電，并且有鋁制散熱片進行散熱，保證溫差發電片具有溫差發電的同時，可對開水進行有效散熱，當溫度降到一定溫度，發電停止，從而實現對水溫度的控制。

基于溫差發電的溫控水杯的設計由以上三個硬件部分組成。溫度差發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 溫差發電溫控水杯設計圖

圖3 實物放電拍攝

2.2 硬件設計

2.2.1 溫差發電硬件設計

本設計采用了以Bi-TeRoHs 合金為主要原材料的溫差發電組件，溫差發電參數為：溫差40 度：開路電壓1.8V，發電電流：368mA；溫差60 度：開路電壓2.4V，發電電流：469 mA；溫差80 度：開路電壓3.6V，發電電流：558mA；溫差100 度：開路電壓4.8V，發電電流：669mA。溫差發電模塊：將一個不銹鋼杯體和半導體溫差發電組件的吸熱面（熱端）粘貼，將半導體溫差發電組件的散熱面（冷端）與散熱鋁片相連，以此保證半導體溫差發電組件不會因為熱源的熱傳導而失去兩面的溫度差，而失去發電能力。因為考慮到還會有其他方式進行散熱，溫差發電所得開路電壓并達不到5V，需要升壓模塊來將電壓升至穩壓5V，才能進行穩定提供供電。

本設計采用的升高電壓原理[5]。當開關處于關閉時，輸入的電壓被施加到電感器上面，電感器此時被電壓（Vi）通電，增加的電感器上的電流為：（Vi）＊Ton。當開關斷開時，二極管VD 由于持續輸出電流而變得導電，電感器被關閉，電感器減少的電流為：（Vo-Vi）＊Toff。如果開關關閉時達到平衡，(VI)＊TON=(VO-VI)＊TOFF，VI

結合實際生活中的使用需求，使溫差發電的溫差更小，本文研究設計的溫控水杯溫差發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

溫差發電的關鍵部件是散熱器，它直接影響著溫差發電的功率輸出，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為主要散熱過程，通過熱交換與翅片表面實現向外界空氣傳熱的目標，自然空氣冷卻則是主要的冷卻方式。通過合理的散熱模塊設計，可以達到減少材料用量和裝置重量，同時還能夠降低散熱所需電能，提高裝置的工作效率。

2.2.2 蓄電池硬件設計

半導體溫差發電組件經過升壓模塊的升壓穩壓后雖能供給Arduino 的5V 用電需求，但是發電時間短，并不適用于長時間使用，為此本設計配置了一塊1500mA/3.7V的鋰電池[6]（鋰電池具有能量比高、使用壽命長、重量輕、綠色環保等優點），利用又一升壓模塊來給Arduino 進行無線供電，并考慮到如果在溫差發電給鋰電池充電的同時使用Arduino 會使鋰電池進行邊充邊放，這樣不利于電池的長期使用，而且會對電池造成損傷，為此，本設計將充電與放電過程分為兩部分，使用一個開關控制，開關為充電時僅進行充電操作，反之供電。使水杯整體攜帶，使用簡單、方便、快捷。

2.2.3 Arduino 主控硬件設計

主芯片選用Arduino UNO R3，輕松上手經典[7]。經典上手方便。

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，有機發光二極管，由于其出色的特性，如自發光、無背光、高對比度、薄、寬視角、快速響應時間、靈活性、寬溫度范圍以及簡單的設計和制造工藝，被公認是下一代平板顯示應用。該模塊有4 個觸點：VCC、GND、SCL 和SDA。VCC 是電源觸點，用于為模塊供電，通常是3.3V 或5V。GND 是接地觸點，用于模塊接地。SCL 是時鐘信號接點，用來作為時鐘信號傳輸數據。SDA是數據信號引腳，用于數據傳輸。它通常應連接到主站的數據引腳。使用I2C 接口時，該引腳也可以被指定為SDA（順序數據線）。

溫度感應器采用防水的DS18B20 數碼溫度感應器，可直接放入水中，以測量水溫。DS18B20 溫度傳感器相當精確，不需要外部元件。它可以測量從-55℃～+125℃的溫度，精度為±0.5℃。然而，默認設置為12 位（即0.0625℃的精度）。該傳感器可以在3V 和5.5V 之間操作，在有效的溫度轉換過程中只消耗1mA。DS18B20 數碼溫度感應器為3 線接口：分為A 型和B 型。在連接電線之前，要對傳感器的接口進行標記。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 軟件設計

根據以上硬件設計，已初步建立好溫差發電溫控水杯的硬件框架，以下為Arduino 的軟件設計部分，編程語言為Arduino 語言，為使溫控水杯更人性化設計及使用方便，我們外置采用OLED 顯示屏顯示：電池剩余電量；實時顯示當前水溫。軟件設計主流程圖如圖6 所示。

圖6 軟件設計主流程圖

軟件調試采用Arduino 1.8.15，在 Arduino IDE 中打開一個新的項目，并確保已經安裝了 OneWire 庫（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 中打開一個新的項目，并確保已經安裝了 Adafruit SSD1306 庫（用于 OLED 屏幕），導入所需的庫。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 結論

溫差發電技術提供了一種利用低質量熱源的新方法，并具有獨特的優勢，即只要溫差存在就能發電，這就開辟了廣泛的應用。

熱電材料沒有氣態或液態流出物，能量轉換過程中不排放廢水、廢氣等污染物，是一種對環境幾乎零排放的能源材料，對保護環境、改善人類生存和可持續發展具有十分重要的意義。

本文采用基于熱電材料Seebeck 效應的溫差發電技術設計的溫控水杯，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，大大提高了經濟效益，運行安全可靠，無污染，有促進市場推廣的前景。