基于半導(dǎo)體制冷片的新型智能水冷坐墊設(shè)計①

沈曄超,楊 浩,王 亮

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

0 引 言

至2019年，中國機(jī)動車保有量已達(dá)3.3億輛[1]。駕駛和使用機(jī)動車的人數(shù)也隨著機(jī)動車保有量的增加不斷攀升。為了營造舒適的乘車環(huán)境，家用轎車、公共汽車往往采用車載空調(diào)[2]進(jìn)行車內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)。但一些農(nóng)機(jī)或挖掘機(jī)受工作場合和自身設(shè)計條件限制(例如敞篷設(shè)計、駕駛室不密封等)難以實現(xiàn)車載空調(diào)的安裝，駕駛員在長期操作這類機(jī)動車的情況下會感覺座椅發(fā)熱，這一現(xiàn)象在炎熱的夏天尤為突出，不佳的駕乘環(huán)境容易造成機(jī)動車上人員的不適。半導(dǎo)體制冷技術(shù)是基于珀爾帖效應(yīng)[3]的新型制冷技術(shù)。[4]與依靠壓縮機(jī)制冷的傳統(tǒng)方式不同，半導(dǎo)體制冷技術(shù)脫離了運動部件的束縛，噪音、體積和質(zhì)量都大大減小[5]，容易實現(xiàn)制冷裝置小型化，由于不使用制冷劑[6]，半導(dǎo)體制冷裝置無污染、壽命長。近年來，許多專家學(xué)者對半導(dǎo)體制冷片技術(shù)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[7-9]分別利用COMSOL多物理場仿真軟件、比例——積分——微分(PID)控制方法、電涌保護(hù)器溫度控制方法，解決了半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)振動噪音、高精密環(huán)控系統(tǒng)溫度波動較大、功率損耗及熱崩潰方面的問題；文獻(xiàn)[10-11]研究了增強(qiáng)光抽取方法、最大制冷系數(shù)和最大制冷量的最優(yōu)外部參數(shù)、提高了激光制冷的效率、實現(xiàn)了半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和運行控制，但目前采用半導(dǎo)體制冷片技術(shù)進(jìn)行水冷坐墊的設(shè)計研究還比較少見。結(jié)合半導(dǎo)體制冷片的特點，采用壓力傳感器調(diào)節(jié)，通過供電、溫控、水循環(huán)系統(tǒng)等部件共同作用，能夠?qū)崿F(xiàn)智能坐墊的制冷溫度控制，為機(jī)動車駕乘人員的防暑降溫提供了一種新的方法。

1 半導(dǎo)體制冷片水冷坐墊構(gòu)架思路

為了適應(yīng)家庭電源和車載電源等不同供電模式，基于半導(dǎo)體制冷片的新型智能水冷坐墊預(yù)置了汽車車載12V電源、開關(guān)電源等多種方式的電路供電，制冷循環(huán)方面采用循環(huán)水的方式使得坐墊內(nèi)的水循環(huán)系統(tǒng)吸收坐墊和人體之間的熱量，使人坐著更加舒適。該智能坐墊包括可以容納水等冷卻液體的中空坐墊本體，坐墊上設(shè)置進(jìn)水口和出水口，并分別通過管道和水箱的出水口、進(jìn)水口連接，水箱中存儲水等液體。智能水冷坐墊的原理示意圖如下圖1所示。

1-水箱；2-坐墊；3-水泵；4-操作面板

智能水冷坐墊和水箱的連接管路中設(shè)置水泵，水泵與控制系統(tǒng)的微控制器關(guān)聯(lián)用于提供水箱和坐墊空腔內(nèi)液體的循環(huán)動力。智能水冷坐墊的外觀模型如下圖2所示。

圖2 坐墊外觀模型圖

2 半導(dǎo)體制冷片水冷坐墊控制結(jié)構(gòu)原理

智能水冷坐墊的水循環(huán)動力由微控制器(AT89C52單片機(jī))驅(qū)動水泵電機(jī)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)。由于坐墊采用中空結(jié)構(gòu)并在空腔內(nèi)充滿水，坐墊內(nèi)部的液體(水)可以吸收一部分人體和坐墊接觸后產(chǎn)生的熱量，從而保持坐墊的相對低溫，同時為了防止長時間坐在坐墊上造成坐墊空腔內(nèi)水變熱。通過管道連接水箱，經(jīng)過水泵電機(jī)提供循環(huán)動力，使得坐墊空腔內(nèi)的液體與水箱內(nèi)的液體一直處于動態(tài)循環(huán)的低溫狀態(tài)，坐墊內(nèi)變熱的水進(jìn)入水箱后可以在水箱內(nèi)散熱或與水箱液體混合而降溫。其電源電路圖如下圖3所示。

圖3 電源電路圖

在坐墊上設(shè)置用于檢測是否有人坐在坐墊上的壓力傳感器，貼片式壓力傳感器設(shè)置在坐墊外表面或空腔內(nèi)，可以感知人坐下后的壓力信號，同時發(fā)送至微控制器。當(dāng)人坐下后，壓力出現(xiàn)變化，微控制器以此微信號控制水泵的工作，從而滿足自動控制水循環(huán)的目的。為了實現(xiàn)更加準(zhǔn)確的水泵電機(jī)控制工作，坐墊上設(shè)置了溫度傳感器。溫度傳感器采用DS18B20，輸出端連接微控制器。用戶通過主動溫控按鈕可以調(diào)節(jié)適宜溫度，當(dāng)檢測到人坐在坐墊上且當(dāng)前溫度大于設(shè)定溫度時，微控制器自動控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)水泵自動化的工作，水循環(huán)系統(tǒng)啟動用以降低坐墊空腔內(nèi)溫度數(shù)據(jù)。

在水箱內(nèi)設(shè)置水溫傳感器并通過微控制器設(shè)定最高溫度。當(dāng)溫度大于這個數(shù)值時，微控制器輸出控制信號，制冷系統(tǒng)工作保持水箱內(nèi)溫度始終低于設(shè)定的水箱水溫最大值。制冷系統(tǒng)在微控制器的作用下通過溫度傳感器和壓力傳感器收集反饋的信號進(jìn)行判斷，決定處于工作或者休眠狀態(tài)。微控制器與其它傳感器間的溝通實現(xiàn)了坐墊溫度的動態(tài)平衡，其控制結(jié)構(gòu)原理如下圖4所示。

圖4 坐墊控制結(jié)構(gòu)原理圖

3 半導(dǎo)體制冷片水冷坐墊樣機(jī)制作

將制冷片通過熱傳導(dǎo)片與半導(dǎo)體的冷面連接進(jìn)行熱傳導(dǎo)后，再將熱傳導(dǎo)片置于水箱液體內(nèi)，半導(dǎo)體制冷片通過支架設(shè)置在水箱上。這樣水溫就可以通過熱傳導(dǎo)片傳來的相對低溫與水箱內(nèi)的相對高溫進(jìn)行交互。通過半導(dǎo)體制冷片的制冷模式，大大縮減的了智能水冷坐墊的體積，該系統(tǒng)采用的半導(dǎo)體制冷片如下圖5所示。

圖5 半導(dǎo)體制冷片

為了更好的實現(xiàn)溫度控制，完善人機(jī)交互界面，主機(jī)箱上設(shè)有控制面板，包含有自動模式、手動模式、冷霧加濕等多種工作模式選擇按鍵，工作狀態(tài)采用LCD12864液晶顯示屏輸出顯示。人機(jī)交互界面設(shè)計示意如下圖6所示。

圖6 人機(jī)交互界面示意圖

智能水冷坐墊的溫度傳感器、壓力傳感器與微控制器可采用有線和無線連接兩種方式，當(dāng)采用有線連接時，連接導(dǎo)線可以沿著管道布置或者直接將導(dǎo)線預(yù)留設(shè)置在管道壁內(nèi)等多種方式布線，微控制器通過PCB集成設(shè)置在水箱箱體上。該系統(tǒng)采用的電路板設(shè)計和內(nèi)部電路布局如下圖7、8所示。

圖7 PCB電路板設(shè)計圖

圖8 智能水冷坐墊內(nèi)部電路布局圖

此外，智能水冷坐墊水箱內(nèi)的水還可以和加濕器(聲波加濕器)配合使用，加濕器采用水箱內(nèi)降溫后的液體，可以有效的采用冷水進(jìn)行降溫和加濕。該系統(tǒng)選用的超聲波加濕器如下圖9所示。

圖9 超聲波加濕器

通過三維建模的方式進(jìn)行了產(chǎn)品外觀的設(shè)計，在保證產(chǎn)品電路合理布局的基礎(chǔ)上，制作了樣機(jī)。新型智能水冷坐墊的體積小，重量輕，便攜性高，如下圖10所示。

圖10 智能水冷坐墊實物圖

4 試驗現(xiàn)象及結(jié)果

采用220V家用電源或汽車車載12V電源向智能水冷坐墊供電，內(nèi)置的穩(wěn)壓器使輸入電壓穩(wěn)定在3.3V，給主控芯片提供穩(wěn)定可靠的工作電壓。經(jīng)單片機(jī)控制三極管，再由三極管驅(qū)動繼電器，繼電器通斷決定是否給半導(dǎo)體制冷片上電，通過預(yù)置在單片機(jī)內(nèi)的程序來控制半導(dǎo)體制冷片的工作情況，以確保坐墊提供和保持在用戶設(shè)定的適宜溫度。驅(qū)動電路如下圖11所示。

圖11 驅(qū)動電路圖

為了使得溫控系統(tǒng)的人機(jī)調(diào)控界面實現(xiàn)簡潔可視化操作，溫控部分主要靠上升和下降兩個按鍵組成，面板上顯示設(shè)置溫度(Shezhi)和當(dāng)前實時溫度(Temp)。下圖12所示為試驗過程中的一次溫控調(diào)節(jié)實例，坐墊當(dāng)前的溫度已經(jīng)降至21.1℃，用戶將設(shè)置溫度調(diào)整為25℃，半導(dǎo)體制冷片停止工作，避免溫度進(jìn)一步降低。經(jīng)過不同環(huán)境下的測試，該智能溫控坐墊最低可降至約15℃，完全可以滿足人們在炎炎夏日中的降溫需求。

圖12 溫空調(diào)節(jié)面板和按鍵

5 結(jié) 語

基于半導(dǎo)體制冷片的新型智能水冷坐墊包括具有空腔的坐墊，坐墊上設(shè)置坐墊進(jìn)水口和出水口，進(jìn)出水口分別通過管道和水箱相連，連接管道上設(shè)置了關(guān)聯(lián)微控制器的水泵，用于提供水箱和坐墊空腔內(nèi)液體的循環(huán)動力。坐墊采用半導(dǎo)體制冷片提供的水冷方式，可以使得坐墊上的用戶更加舒適，同時循環(huán)系統(tǒng)使坐墊和水箱內(nèi)的液體實時進(jìn)行交互，箱內(nèi)的液體通過冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻帶走熱量，從而保持坐墊處于涼爽適宜的溫度。利用LCD液晶顯示屏和主動溫控按鈕，實現(xiàn)了智能水冷坐墊的溫度個性化控制，通過關(guān)聯(lián)聲波加濕器，采用水箱內(nèi)降溫后的液體進(jìn)行霧化，可以有效實現(xiàn)降溫和加濕，為用戶帶來清涼。該智能制冷坐墊體積小、重量輕、便于攜帶，具有一定的實用價值。