熱電式溫顯保健水杯的設計與實現*

葉小嶺,張 晴,王冬健,袁 斌

(南京信息工程大學信息與控制學院,南京 210044)

熱電式溫顯保健水杯的設計與實現*

葉小嶺*,張 晴,王冬健,袁 斌

(南京信息工程大學信息與控制學院,南京 210044)

為避免在未知水溫情況下飲用過冷或過熱的水導致傷害人體,設計了一個熱電式溫顯水杯。該水杯的軟硬件部分的實現分別基于C語言和STC89C51 單片機。硬件部分主要包括升壓電路、儲能單元和LCD顯示模塊;軟件部分主要包括系統初始化、數據采集和水溫實時顯示模塊。通過實驗分析記錄的數據,并和室內溫度對比,說明該水杯的軟硬件部分可以準確、穩定、實時的反應水溫的變化,達到了提醒安全飲水、環保和低碳的目的。

熱電溫顯;STC89C51;柔性熱電芯片;DS1820;LM2596S

目前,隨著生活水平的提高和生活節奏的加快,人們在忙于工作的同時,也越來越注重保健,而保健最簡單的方法就是適當飲水,補充水分。每天保持水分以維持人體正常的生理功能是一項最基本的保健養生常識。特別是春秋季節,適當飲水可以很好地預防感冒等疾病的發生,同時適溫飲水可避免對身體造成傷害。普通的水杯不能及時顯示溫度,也不能調節水溫讓人們隨時有溫水喝。本文描述的這款水杯,專門針對以上情況對普通水杯加以改進,使之成為保健的一大幫手,方便人們的生活和工作。其最突出的設計就是它可以通過溫度傳感器對杯中的水溫進行數據采集[1],在LCD屏上將水溫等有效信息實時顯示。這樣,人們就不會無意中被熱水燙到,而且在冬天也可以及時知道水是不是變冷了,涼了之后還可以通過杯子內外溫差發電所儲存的能量稍微加熱,使其溫熱。

1 熱電式溫顯保健水杯的系統方案[1]

本系統設計是應用熱電芯片的熱電式溫顯保健水杯,主要由溫差發電模塊、控制模塊、儲能模塊、穩壓模塊、LCD顯示模塊和傳感器模塊組成,系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

通過熱水杯內外壁溫差來產生電能,為驅動控制模塊、LCD模塊、傳感器模塊提供工作電壓和電流。首先通過傳感器模塊實時采集應用水溫度,并將采集數據送至控制模塊處理。控制模塊對采集的溫度數據進行分析和處理,并將處理后的數據送至LCD顯示模塊進行顯示,達到提示人們安全飲水、防止飲用過冷或過熱。其原理框圖如圖2所示。

圖2 系統原理框圖

2 熱電式溫顯系統的硬件電路設計

本設計通過熱水杯內外壁溫差來產生電能,為驅動控制模塊、LCD模塊、傳感器模塊[2]提供工作電壓和電流。首先通過傳感器模塊實時采集應用水溫度,并將采集數據送至控制模塊處理。控制模塊對采集的溫度數據進行分析和處理,并將處理后的數據送至LCD顯示模塊進行顯示。

2.1 系統的外觀設計

如圖3熱電式溫顯保健水杯剖面圖所示,該水杯包括水杯內膽,水杯外殼,溫差發電模塊、底座、杯蓋、控制模塊、儲能模塊、穩壓模塊、LCD顯示模塊和傳感器模塊。

圖3 系統剖面圖

底座置于水杯底部,底座7上有若干個排氣孔,便于形成溫差供溫差發電模塊供電。杯蓋置于水杯頂部,采用食品級PP材質,用于密封水杯,實現水杯保溫功能。水杯內膽置于水杯外殼內部,采用不銹鋼材質。溫差發電模塊置于水杯外殼和水杯內膽之間的真空區域,水杯外殼9采用不銹鋼材質。

2.2 柔性熱電芯片設計

熱電能量采集芯片[3-4](熱電轉換器)是一種自發電裝置,是利用塞貝克(Seebeck)效應。塞貝克效應是指由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象,其實質在于兩種金屬接觸時會產生接觸電勢差(電壓),該電勢差取決于兩種金屬中的電子溢出功不同及兩種金屬中電子濃度不同造成的。

塞貝克效應電勢差的計算公式:

(1)

SA與SB分別為兩種材料的塞貝克系數。如果SA與SB不隨溫度的變化而變化,上式即可表示成如下形式:

V=(SB-SA)(T2-T1)

(2)

即如果在金屬條或者半導體條兩端有溫度差,那么溫度梯度就會在兩端產生電動勢。這個電勢差和溫度梯度成正比。而這個比例系數就是對應材料的Seebeck參數。將多對這樣的材料進行組合,就可以大大提高溫度梯度向電勢差的轉化率。通常熱電芯片的能量利用率可以達到5%～10%之間。

該芯片有以下優點:器件采用銅為導電電極,并在上下電極間灌注柔性聚合物填充材料,因此器件模塊可以隨意彎曲,不影響其基本性能;采用納米光刻及腐蝕工藝,采用工藝簡單,制作成本低。可大幅增加器件有效面積。因而制作成陣列式熱電模塊,可以被廣泛應用在制冷、溫差轉換以及溫度傳感等領域;與傳統的熱電模塊相比,避免采用陶瓷基底,因而熱電器件敏感度高,發電效率更高。

圖4 柔性熱電芯片

樣品圖片如圖4所示。

主要參數指標如下:

(1)面積約30mm×30mm;

(2)器件內部集成50組熱電偶對,材料采用Te/Bi基金屬化合物;

(3)10 ℃～15 ℃溫差,輸出約50mV;

(4)最大輸出電流約10mA～15mA;

(5)器件平均功率約100μW～700μW。

2.3 控制電路設計

本設計的控制電路主要是熱電轉換升壓電路,其采用兩個LTC3108超低電壓升壓轉換器和變壓器將熱電芯片的輸出電壓通過升壓電路轉換成可輸出的較大直流電壓,以便通過超級電容進行能量存儲來給其他模塊提供能量。

穩壓模塊分別與儲能模塊,控制模塊、LCD顯示模塊和傳感器模塊相連,穩壓模塊對儲能模塊的輸出電能進行穩壓處理,并將處理后的電壓和電流提供給控制模塊、LCD顯示模塊和傳感器模塊使用。

穩壓模塊采用LM2596S降壓芯片,該芯片處理范圍為:輸入電壓3.2V～46V,輸出電壓1.25V～35.00V,而熱電轉換升壓電路中熱電芯片的輸出電壓在20mV～50mV之間;通過升壓電路轉換,可輸出2.0V～4.5V直流電壓;通過超級電容進行能量存儲。熱電轉換升壓電路原理圖5所示。

圖5 熱電轉換升壓電路

3 熱電式溫顯系統的軟件程序設計

熱電式溫顯系統軟件的設計是系統設計成功的關鍵,軟件程序編寫采用模塊化設計,可以簡化設計步驟和便于調試,主要包括電能采集處理程序和LCD溫顯程序,設計步驟如圖6所示。

圖6 系統工作總流程圖和子流程圖

具體分析,溫差發電模塊采用柔性熱電芯片,該器件內部集成50組熱電偶對,材料采用Te/Bi基金屬化合物;10 ℃～15 ℃溫差,輸出約50mV;最大輸出電流約10mA～15mA;器件平均功率約100μW～700μW。分為2面,一面用于吸收熱水溫度,一面用于吸收環境溫度,從而產生溫差。通過溫差發電,為整個系統提供電能。

溫度傳感器[5]與控制模塊和穩壓模塊相連,溫度傳感器選用DS1820芯片,該芯片的1號口與穩壓模塊3相連,3號口接地,2號口連接控制模塊2P13引腳,通過該端口與控制模塊2發送或接收數據。

控制模塊采用STC89C51單片機[6],該模塊接收傳感器模塊采集的溫度數據,對數據進行分析處理,并將數據發送至LCD顯示模塊,顯示實時水溫。

儲能模塊[7]選擇超級電容,該模塊分別與穩壓模塊和溫差發電模塊相連,針對溫差發電輸出電壓的不穩定,選擇容量大充放電速度快的超級電容器對電能進行存儲,又對超級電容器的輸出做了穩壓處理。

穩壓模塊分別與儲能模塊,控制模塊、LCD顯示模塊和傳感器模塊相連,穩壓模塊對儲能模塊的輸出電能進行穩壓處理,并將處理后的電壓和電流提供給控制模塊、LCD顯示模塊和傳感器模塊使用。

LCD顯示模塊所需電壓為5V,數據線DB0～DB7分別接單片機的P0.0～P0.7;RS寄存器選擇端,RW讀/寫信號管腳,EN使能信號端,分別接51單片機的P2.0,P2.1和P2.2管腳。

4 實驗結果及分析

測試如下:25 ℃條件下,在杯中倒入熱水,截取一段溫度變化如表1所示。根據表1用MATLAB[8-9]繪制曲線如圖7所示。

表1 25 ℃室溫下實時水溫測量和熱電轉換情況

由表1可知,倒入熱水開始計時后,水杯內柔性熱電芯片先逐漸感應到水溫,顯示溫度慢慢升高,基本穩定,之后隨著水溫緩緩下降,溫度顯示逐漸減小,且漸漸趨于平緩。由圖7看出,顯示水溫最終慢慢下降趨于室溫,所儲存的能量也因溫差的減小而逐漸降低。本設計調試過程中主要出現兩個問題,先是熱電轉換芯片的選擇,主要有陶瓷熱電材料、傳統熱電材料、柔性熱電芯片,相比較于前兩種,柔性熱點芯片可以隨意彎曲,工藝簡單,制作成本低。可大幅增加器件有效面積。與傳統的熱電模塊相比,避免采用陶瓷基底,因而熱電器件敏感度高,發電效率更高。再者是LCD顯示模塊,LCD一直保持工作狀態,為了節能環保,改進休眠節能,杯子靜置時不顯示溫度。

圖7 實時溫度及能量轉化曲線

5 結論

該水杯利用水杯溫差來產生電動勢,熱水杯的溫差可達到15 ℃～20 ℃以上。利用了超級電容的儲能特性,可以實時進行能量存儲,并在溫度測量時提供能量。再通過液晶顯示處理后的水溫,可以讓使用者清楚的看到實時水溫,提醒使用者安全飲水,從而達到保健。此外,該水杯溫度測量是采用機械式,避免了觸摸開關等額外功率消耗以及因此造成的漏電流等,整體溫度采集及顯示模塊的功耗僅0.5 mW。本實用新型設計的產品價格低廉,既環保又經濟,對健康飲水起到較好保健提示作用,有良好的市場前景。

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Design and Implementation of Thermoelectric Temperature Significant Health Cup*

YEXiaoling*,ZHANGQing,WANGDongjian,YUANBin

(School of Information and Control,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

A thermoelectric temperature glass was designed to avoid bodily injury for drinking overheat or too cold water in unknown circumstances. The realization of software and hardware of the glass are based on the C language and STC89C51 microcontroller. The hardware includes a booster circuit,an energy storage unit and a LCD display module,and the main modules of the software are system initialization,data acquisition and real-time temperature display. Through experimental analysis of the recorded data,and comparing with indoor temperature,it indicates that the hardware and software of the glass can accurately,stably and timely response the change of water temperature,and the glass reached the goal of safe drinking water remind,environmental protection and low-carbon.

the thermoelectric temperature show;STC89C51;flexible thermoelectric chips;DS1820;LM2596S

項目來源:江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃項目(201310300036Z);江蘇省六大人才高峰項目(WLW-021)

2016-03-18 修改日期:2016-04-28

C:8540

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.050

TP202

A

1005-9490(2017)02-0516-05