基于太陽能智能奶瓶控制系統的設計

孔迪，王新瑩，張婷，由春秋

（哈爾濱師范大學，黑龍江哈爾濱， 150025）

0 引言

隨著二胎時代的到來，當今人們生活節奏越來越快，大家對生活質量要求越來越高，需要更方便，更快捷的嬰幼兒產品，奶瓶是父母帶領嬰幼兒外出時必備的隨身物品。但是攜帶奶瓶過程中總會產生如下問題：沖奶粉需要熱水但是在戶外很難找到；秋冬季節外界溫度較低，沖好的奶粉會受到外界溫度影響迅速降溫，若嬰幼兒再次喝，則需要找到熱水后隔水加熱；剛沖好的奶因為水溫太燙，不適合嬰幼兒及時飲用。因此在戶外如何沖泡奶粉，快速降溫、保溫成為最大難題，因此本文設計了太陽能智能奶瓶，具有迅速加熱、降溫、保溫的功能。

1 系統設計思想

世界衛生組織給出沖奶粉最適合的溫度是70℃，因為70℃的水溫可以殺死奶粉中容易存在的病菌。而嬰兒要飲用的奶水，40℃最為適宜。在戶外當孩子需要喝奶時，家長把礦泉水倒入奶瓶，啟動加熱開關把水燒開到100℃，然后打開降溫開關把水降到70℃左右，把奶粉倒入奶瓶沖泡化開，最后打開保溫開關讓奶水降到40℃左右，這樣就可以給孩子喝了。

本文設計一種三層雙真空結構的太陽能充電奶瓶。在戶外利用太陽能電池板將太陽能轉化為電能，儲存在鋰電池內?？紤]到陰天或在室內也可給鋰電池充電，系統加了鋰電池充電模塊。用單片機來控制加熱電路模塊、制冷電路模塊以實現溫度控制。使用熱電制冷技術給奶瓶快速降溫。

2 太陽能奶瓶杯體結構的設計

奶瓶杯體設計分為三層，內膽材料可采用304不銹鋼，優點是耐高溫，無毒，密度小，內膽無縫、密封性能良好。中間層為太陽能電池板，內膽與太陽能電池板中間將采用抽真空技術以起到隔熱作用，奶瓶的最外層是玻璃杯材質，玻璃層的內側有吸熱涂層，具有強吸熱聚光的作用，以增強太陽能電池板的轉換效率。玻璃層與太陽能電池板間也采用抽真空技術，起到隔熱防燙的作用。內膽底部貼有溫度傳感器、導熱片、制冷金屬片。瓶身有奶水刻度線，溫度顯示屏。整個電路系統放在奶瓶下面，加熱、降溫、保溫開關按鈕放在瓶體外側靠近底部。奶瓶杯體結構設計如圖1和圖2所示。

圖1 外部設計結構圖

圖2 內部設計結構圖

3 太陽能智能奶瓶系統的設計

太陽能智能奶瓶系統框圖如圖3所示，為了更精確的實現溫度的檢測、控制、顯示，整個系統以單片機為主控模塊，系統設有加熱、降溫、保溫3個按鍵功能開關，當功能按鍵按下時，單片機采用PWM技術控制加熱模塊、制冷模塊以實現加熱、降溫、保溫的功能。通過溫度傳感器檢測水溫，采用兩個LED數碼管實時顯示水溫，當達到目標溫度時報警器會及時提醒，同時系統切斷加熱和制冷開關。

圖3 太陽能智能奶瓶系統框圖

系統采用太陽能電池板或鋰電池充電模塊對鋰電池充電，鋰電池作為整個系統的直流電源，給加熱模塊、制冷模塊提供直流電，鋰電池還需經過電源變換電路對單片機、溫度顯示、聲音報警、溫度采集、制冷散熱等電路提供直流電。

■3.1 硬件電路的設計

3.1.1 太陽能電池板的設計

考慮奶瓶的制作工藝、重量以及需要較高的太陽能轉化效率，本設計選擇柔性薄膜砷化鎵太陽能電池板，光電轉換效率高于40%，是目前光電轉換效率最高的太陽能電池，是作為便攜式能源的首選[1～2]。選用的單片太陽能電池尺寸為10mm×10mm，效率為37.3%～39%，開路電壓為3.05～3.09V，短路電流為6.9～7.1A，太陽能電池板連接電路如圖4所示，D1，D2為防反充二極管。

圖4 太陽能電池板連接電路

3.1.2 鋰電池模塊的設計

與蓄電池相比較，鋰電池具有能量密度大，充電次數多，壽命長，重量輕，體積小的優點，本系統選用參數為“3.6V、9.6Ah”的鋰電池作為充電電池，4節鋰電池串聯給加熱模塊、制冷模塊、單片機控制模塊等整個電路系統提供直流電[3]。

3.1.3 電源變換電路的設計

通過LM2576S-5.0電源轉換芯片把12V鋰電池轉換為5V，為單片機、溫度顯示、聲音報警、溫度采集、制冷散熱等電路提供直流電，電源變換電路如圖5所示。

圖5 電源變換電路

3.1.4 主控模塊與功能電路的設計

本系統以STC89C52單片機為主控芯片，系統設有加熱、降溫、保溫3個功能按鍵開關，當S2按下時，水溫加熱到100℃，當S3按下時，水溫降到70℃，當S4按下時，水溫保持在40℃左右。采用DS18B20采集溫度，兩個LED數碼管實時顯示水溫，當達到目標溫度時蜂鳴器報警提示，電路如圖6所示。

圖6 主控模塊與功能電路

3.1.5 加熱電路的設計

為了實現溫度精確控制，采用單片機脈寬調制技術控制加熱電路，加熱電路如圖7所示，場效應管IRF740起到高頻開關作用，導通時允許流過10A的電流。

圖7 加熱電路

3.1.6 制冷電路的設計

為了適于此奶瓶的構造，我們使用尺寸小，重量輕，作用快，可靠性高的半導體熱電制冷器[4～6]。制冷片貼在奶瓶內膽底部，制冷器下方連接散熱風扇，奶瓶下面設有散熱孔。制冷電路如圖8所示，制冷散熱電路如圖9所示。

圖8 制冷電路

圖9 制冷散熱電路

■3.2 軟件流程的設計

系統軟件設計流程如圖10所示。

圖10 系統軟件流程圖

4 結果與討論

本文設計的奶瓶體積是200ml，若環境溫度20℃，則200ml水從20℃升高到100℃需要消耗的熱量為4.2×1000×0.2×80＝67200焦，消 耗0.0187度 電，0.0187度=0.0187×1000W時=18.7W時=18.7W×60分鐘=112W×10分鐘=224W×5分鐘。所以選用4節鋰電池串聯，每節“3.6V、9.6Ah”，4節串聯共138.24W，水燒開需要8分鐘左右。選用市面上常用的SP1848-27145半導體制冷片，200ml水從100℃降到70℃，或從70℃降到40℃制冷時間大約需要1分鐘。

5 結論

針對嬰幼兒外出時能夠及時喝到奶粉的難題，本文設計了一種新型三層雙真空太陽能智能奶瓶。該奶瓶采用高轉換率太陽能電池充電，能夠有效利用資源，節能環保，具有加熱，降溫，保溫等功能。產品環保無毒，結構簡單，能夠實時顯示奶瓶內部溫度，戶外使用方便。父母帶孩子外出時使用此奶瓶，只要身邊有水，就可以隨時給孩子準備沖奶粉，并且一直保溫，干凈又方便，此奶瓶具有良好的應用前景和實際意義。