智能調溫座椅的設計與制作

丁偉華 范賜偉 康仲杰 陳坤堂 李錦棟

摘 ?要：日常使用的座椅易出現夏天久坐濕熱，冬天冰冷等問題，而智能調溫座椅主要利用了51單片機，體積小且環保的半導體制冷片和發熱效率高且均勻的陶瓷發熱片進行智能調溫從而解決此問題。通過調整座椅整體結構和各部分組件的分布，設法控制半導體制冷片的制冷和陶瓷發熱片的電路，并且設計出半導體制冷片產熱端的散熱方案，制作出可智能調溫的的座椅。

關鍵詞：51單片機;半導體制冷;調溫座椅;陶瓷發熱片;溫度控制

引言

座椅作為人日常生活中與人接觸最多的部件，長期久坐易導致人體出現壓瘡和濕疹等皮膚疾病，嚴重的還會阻礙下肢的血液循環、引發心腦血管疾病等嚴重影響健康問題。本項目從細節著手設計這種智能調溫座椅，通過改變溫度使皮膚保持干燥，促進人體血液循環，改善人體健康狀態。半導體制冷片和陶瓷發熱片具有體積小，重量輕，功率小，布置位置靈活，使用壽命長，工作環保無污染等特點，因此用半導體制冷片和陶瓷發熱片研究智能調溫座椅具有十分實用的價值[1-5]。

1 工作原理

當給座椅供電時，座椅內部測溫器開始檢測坐墊溫度和半導體溫度，當坐墊溫度高于程序設定的人體舒適溫度時，利用半導體制冷片的熱電制冷現象，以單片機作為主板控制件使半導體開始制冷，當半導體制冷時其熱端的溫度高于程序設定的溫度時，熱端的產生的熱量由水冷頭、水泵、帶散熱風扇的水冷散熱器和硅膠水管組成的散熱系統進行水冷和風冷混合散熱，以保證半導體的制冷電堆的熱量不斷地被散熱系統吸收并排走，使冷熱端保持一定的溫差，最終使得半導體制冷端能持續制冷從而冷降低座椅溫度[6-7];當溫度低于程序設定的人體舒適溫度時，由單片機控制陶瓷發熱片進行制熱，使坐墊溫度回升至預設定的溫度。

2 智能調溫座椅的設計

2.1 座椅調溫元件的選擇

研制的智能調溫座椅選用2塊48W規格為40*40*3.6mm的TEC1-12706半導體制冷片和一片40*40*2mm的XH-RJ陶瓷發熱片，需要制冷時兩片制冷片同時工作陶瓷發熱片不工作，此時座椅功率為96W，當需要制熱時，只有陶瓷發熱片工作，此時座椅功率僅為48W，當達預設溫度時功率為0W。

2.2 制冷片產熱端散熱方案的設計

半導體制冷效果是否好與其產熱端的散熱效果的好壞有直接的關系。半導體制冷片的熱端與鋁制水冷板間用導熱硅脂傳熱，用水冷硅膠管把水冷板，微型帶水冷散熱器的散熱風扇和微型水泵接通并通入冷卻水。進行散熱工作時，水冷板會直接吸收半導體熱端的熱量再傳給水冷板中的冷卻液，冷卻液在水冷板，微型供壓水泵，水冷硅管和帶散熱風扇水的散熱器中循環流動，最終通過散熱風扇把熱量傳到空氣中。

2.3 控制調溫元件的控制電路設計

溫度傳感器選用常用的DS18B20，它具有體積小，硬件連接簡單，抗干擾能力強，精度高，獨特的單線接口方式，使DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊，且其測溫范圍廣（其測溫范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃時精度為±0.5℃）[8]，通過預先在51單片機中編好的程序，以實現對整機工作件的實時調控由程序控制溫度的變化，保證溫度的穩定。單片機上電復位后默認的穩定溫度為33度。此值可以由用戶通過座椅上的軟鍵盤重新設定，可調溫范圍為26.6℃～40℃。在主函數的死循環中不斷掃描座椅的溫度及其它的溫度值，并根據此值不斷調整PWM信號的輸出，從而達到調整制冷片或制熱片的的功率，實現調溫的功用。另外也可以通過鍵盤的輸入控制LCD1602顯示各種調溫過程中的各種參數，再反饋到單片機芯片，經由預先設定的程序進行調節半導體制冷片產生的溫度。調溫控制電路圖如圖1所示。

2.4 座椅整體結構（如圖2、圖3所示）

3 座椅工作穩定性的測試

座椅在有人坐著的狀態下測試結果如下：調溫范圍為26.6℃～40℃，調溫精度可達±1℃，冬季坐墊表面溫度從26.5℃升高至33.3℃，所需時間為9分鐘，夏季坐墊表面溫度從40.9℃下降至33.1℃，所需時間為16分鐘。經進行多次溫度測試統計分析，坐墊與人體接觸發生熱傳遞使坐墊表面溫度達31℃左右，平均每分鐘可升溫0.5℃，可降溫0.43℃。

4 結束語

文章針對半導體制冷片體積小又環保和陶瓷發熱片具有良好的發熱效率的特點，設計了智能調溫座椅。設計并制作的半導體散熱系統工作良好，能持續制冷且智能調溫元件的控制電路工作穩定，并能及時根據人的意愿合理利用半導體制冷片產生的冷氣以及陶瓷發熱片產生的熱氣調節座椅表面的溫度，提高座椅的舒適性，改善人體因長期久坐造成血液循環不佳等問題。研究團隊針對原方案可能存在的不足進行了反復的調試和改進，并成功設計和制作出智能調溫座椅的樣機，它能夠實現智能調控座椅坐墊表面溫度。

參考文獻

[1]李莉莉.汽車調溫座椅的設計與研究[D].北京：華北電力大學，2013.

[2]黃斌，羅新星.一種可冷熱調節的汽車座墊[P].中國專利：20092024

3703.1，2011-3-6.

[3]王偉.一種汽車透氣冷熱座墊[P].中國專利：201420526767.3，2014

-12-31.

[4]吳俊國.多用途半導體冷暖坐墊[P].中國專利：200520044019.2，20

06-9-6.

[5]謬亞芹，劉永順，胡為祥.半導體調溫座椅用于電動汽車的可行性分析[J].南京工業職業技術學院學報，2013，13（4）：16-18.

[6]戴源德，溫鴻，于娜，等.熱管散熱半導體制冷系統的實驗研究[J].南昌大學學報：工科版，2013，35（1）：54-57.

[7]徐德勝，劉貽苓，何 ?問.半導體制冷與應用技術（第2版）[M].上海：上海交通大學出版社，1999：1-11.

[8]郭天祥.51單片機C語言教程[M].北京：電子工業出版社，2013：342-349.