智能調(diào)溫座椅的設(shè)計(jì)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(xiàn)夏天久坐濕熱，冬天冰冷等問題，而智能調(diào)溫座椅主要利用了51單片機(jī)，體積小且環(huán)保的半導(dǎo)體制冷片和發(fā)熱效率高且均勻的陶瓷發(fā)熱片進(jìn)行智能調(diào)溫從而解決此問題。通過調(diào)整座椅整體結(jié)構(gòu)和各部分組件的分布，設(shè)法控制半導(dǎo)體制冷片的制冷和陶瓷發(fā)熱片的電路，并且設(shè)計(jì)出半導(dǎo)體制冷片產(chǎn)熱端的散熱方案，制作出可智能調(diào)溫的的座椅。

關(guān)鍵詞：51單片機(jī);半導(dǎo)體制冷;調(diào)溫座椅;陶瓷發(fā)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(zhǎng)期久坐易導(dǎo)致人體出現(xiàn)壓瘡和濕疹等皮膚疾病，嚴(yán)重的還會(huì)阻礙下肢的血液循環(huán)、引發(fā)心腦血管疾病等嚴(yán)重影響健康問題。本項(xiàng)目從細(xì)節(jié)著手設(shè)計(jì)這種智能調(diào)溫座椅，通過改變溫度使皮膚保持干燥，促進(jìn)人體血液循環(huán)，改善人體健康狀態(tài)。半導(dǎo)體制冷片和陶瓷發(fā)熱片具有體積小，重量輕，功率小，布置位置靈活，使用壽命長(zhǎng)，工作環(huán)保無污染等特點(diǎn)，因此用半導(dǎo)體制冷片和陶瓷發(fā)熱片研究智能調(diào)溫座椅具有十分實(shí)用的價(jià)值[1-5]。

1 工作原理

當(dāng)給座椅供電時(shí)，座椅內(nèi)部測(cè)溫器開始檢測(cè)坐墊溫度和半導(dǎo)體溫度，當(dāng)坐墊溫度高于程序設(shè)定的人體舒適溫度時(shí)，利用半導(dǎo)體制冷片的熱電制冷現(xiàn)象，以單片機(jī)作為主板控制件使半導(dǎo)體開始制冷，當(dāng)半導(dǎo)體制冷時(shí)其熱端的溫度高于程序設(shè)定的溫度時(shí)，熱端的產(chǎn)生的熱量由水冷頭、水泵、帶散熱風(fēng)扇的水冷散熱器和硅膠水管組成的散熱系統(tǒng)進(jìn)行水冷和風(fēng)冷混合散熱，以保證半導(dǎo)體的制冷電堆的熱量不斷地被散熱系統(tǒng)吸收并排走，使冷熱端保持一定的溫差，最終使得半導(dǎo)體制冷端能持續(xù)制冷從而冷降低座椅溫度[6-7];當(dāng)溫度低于程序設(shè)定的人體舒適溫度時(shí)，由單片機(jī)控制陶瓷發(fā)熱片進(jìn)行制熱，使坐墊溫度回升至預(yù)設(shè)定的溫度。

2 智能調(diào)溫座椅的設(shè)計(jì)

2.1 座椅調(diào)溫元件的選擇

研制的智能調(diào)溫座椅選用2塊48W規(guī)格為40*40*3.6mm的TEC1-12706半導(dǎo)體制冷片和一片40*40*2mm的XH-RJ陶瓷發(fā)熱片，需要制冷時(shí)兩片制冷片同時(shí)工作陶瓷發(fā)熱片不工作，此時(shí)座椅功率為96W，當(dāng)需要制熱時(shí)，只有陶瓷發(fā)熱片工作，此時(shí)座椅功率僅為48W，當(dāng)達(dá)預(yù)設(shè)溫度時(shí)功率為0W。

2.2 制冷片產(chǎn)熱端散熱方案的設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體制冷效果是否好與其產(chǎn)熱端的散熱效果的好壞有直接的關(guān)系。半導(dǎo)體制冷片的熱端與鋁制水冷板間用導(dǎo)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(fēng)扇和微型水泵接通并通入冷卻水。進(jìn)行散熱工作時(shí)，水冷板會(huì)直接吸收半導(dǎo)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(fēng)扇水的散熱器中循環(huán)流動(dòng)，最終通過散熱風(fēng)扇把熱量傳到空氣中。

2.3 控制調(diào)溫元件的控制電路設(shè)計(jì)

溫度傳感器選用常用的DS18B20，它具有體積小，硬件連接簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，獨(dú)特的單線接口方式，使DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊，且其測(cè)溫范圍廣（其測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃時(shí)精度為±0.5℃）[8]，通過預(yù)先在51單片機(jī)中編好的程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)工作件的實(shí)時(shí)調(diào)控由程序控制溫度的變化，保證溫度的穩(wěn)定。單片機(jī)上電復(fù)位后默認(rèn)的穩(wěn)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(shè)定，可調(diào)溫范圍為26.6℃～40℃。在主函數(shù)的死循環(huán)中不斷掃描座椅的溫度及其它的溫度值，并根據(jù)此值不斷調(diào)整PWM信號(hào)的輸出，從而達(dá)到調(diào)整制冷片或制熱片的的功率，實(shí)現(xiàn)調(diào)溫的功用。另外也可以通過鍵盤的輸入控制LCD1602顯示各種調(diào)溫過程中的各種參數(shù)，再反饋到單片機(jī)芯片，經(jīng)由預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷片產(chǎn)生的溫度。調(diào)溫控制電路圖如圖1所示。

2.4 座椅整體結(jié)構(gòu)（如圖2、圖3所示）

3 座椅工作穩(wěn)定性的測(cè)試

座椅在有人坐著的狀態(tài)下測(cè)試結(jié)果如下：調(diào)溫范圍為26.6℃～40℃，調(diào)溫精度可達(dá)±1℃，冬季坐墊表面溫度從26.5℃升高至33.3℃，所需時(shí)間為9分鐘，夏季坐墊表面溫度從40.9℃下降至33.1℃，所需時(shí)間為16分鐘。經(jīng)進(jìn)行多次溫度測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析，坐墊與人體接觸發(fā)生熱傳遞使坐墊表面溫度達(dá)31℃左右，平均每分鐘可升溫0.5℃，可降溫0.43℃。

4 結(jié)束語

文章針對(duì)半導(dǎo)體制冷片體積小又環(huán)保和陶瓷發(fā)熱片具有良好的發(fā)熱效率的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了智能調(diào)溫座椅。設(shè)計(jì)并制作的半導(dǎo)體散熱系統(tǒng)工作良好，能持續(xù)制冷且智能調(diào)溫元件的控制電路工作穩(wěn)定，并能及時(shí)根據(jù)人的意愿合理利用半導(dǎo)體制冷片產(chǎn)生的冷氣以及陶瓷發(fā)熱片產(chǎn)生的熱氣調(diào)節(jié)座椅表面的溫度，提高座椅的舒適性，改善人體因長(zhǎng)期久坐造成血液循環(huán)不佳等問題。研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)原方案可能存在的不足進(jìn)行了反復(fù)的調(diào)試和改進(jìn)，并成功設(shè)計(jì)和制作出智能調(diào)溫座椅的樣機(jī)，它能夠?qū)崿F(xiàn)智能調(diào)控座椅坐墊表面溫度。

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