基于半导体片的加热制冷保温杯的设计

1、    基于半导体片的加热制冷保温杯的设计    戎杰 常凯摘 要：传统制冷方式受工作环境所局限。设计一种集制冷、加热和保温为一体的便携制冷杯，分析其可行性及实用性，。设计方案采用单片机芯片和温度感应器实时监测温度，通过半导体热电偶的正反接实现制冷和加热，利用导温材料及时将热量散出。最终提出一种成熟的能实现设计要求的产品，可以更大程度的便利人们的生活。关键词：加热制冷和保温；温度传感；散热；单片机；半导体1 研究目的及意义现在市面上的制冷、加热方式主要以电冰箱和饮水机为主，并且二者已经广泛应用于市场，但是二者的工作环境又极大地受到环境的限制。因此，研究出

2、一种不受工作环境限制且运行稳定的集制冷、加热、保温为一体的便携式水杯将具有广阔的市场前景。近几年来市面上不断的出现各种一保温为主的便携式水杯，以服务于人们的生活，但是能够将制冷、加热、保温结合在一起的便携式水杯仍旧没有得到较大的发展，更没有出现能在市面上推广的产品。所以，此项研究以旨在提高人们的生活便利，节约日常饮用成本，通过查阅资料和了解现有产品的特性，进行改进和创造，力求实现一种体积小、多功能、高度稳定性和适用于各种环境的制冷/加热器。本项目基于半导体制冷原理当直流电通过两种不同的半导体材料串联而成的热电偶时，在电偶两端即可吸收热量和放出热量，实现制冷、加热的目的。该设计内置可充电蓄电池，

3、搭配温度传感器、温度控制器以及底部的散热装置，产品体积小、方便携带、稳定性高，能在任何环境下工作。旨在打破传统的电冰箱制冷模式，创造一种不受工作环境所限制的制冷、加热器，能够迅速制冷、加热水和各种饮料且能保持水冷的时间较长，可以广泛应用于生活领域，如酒吧、冷饮店，本发明的成本低，所以同样适用于学生以及工作人群，可以大大节约人们在饮水上的生活成本。2 产品设计的主要内容本項目时基于目前市面上所有的制冷设备，制冷方式及原理，得到全覆盖式的改进灵感。创新性的设计研究出一款集制冷、加热、保温为一体的便携式水杯，研究其可行性，并对产品进行三维建模，然后对产品进行设计制造。主要设计内容及其能达到的功能如下

4、。2.1 最上方的是杯盖，杯盖顶部是一个温度显示器（内置电池供电），其连接有温度探测器，温度传感器将采集来的数据通过ad转换输入到51单片机中，单片机对输入的信号进行处理，然后再将处理结果显示在数码管或液晶显示屏上。通过这个设计可以随时对容器中水的温度进行监控，防止温度过高导致意外烫伤，也能防止温度过低导致意外冻伤。2.2 往下就是杯体，杯体从内到外依次是内层容器、制冷区域、保温区域以及外层组成，内层是容器，用来盛装水和饮料等液体；制冷区域内含半导体制冷片，通电时吸收内层的水和饮料中的热量，实现快速降温，或者释放热量，实现快速加热；保温层内只有保温隔热材料，可以长时间的保持已达到的温度；2.3

5、 杯体内层下面就是半导体片，半导体片采用4根导线连接，其中一对导线接蓄电池的正、负极，另一对则接到蓄电池的负、正极上，两对导线的联通才用两个单刀双掷开关k1和k2控制，通过两个开关的闭合，控制正向直流电和反向直流电的流通，进而达到制冷、加热的目的。且可根据要求，选用不同功率的半导体片。2.4 蓄电池上接有温度调节开关，可以通过控制电流的输出来控制半导体制冷/加热片的最大温差。其可分为中高低三个档位，可以随心所欲的控制制冷/加热所需达到的最低/最高的温度大小。2.5 整个杯子的底部就是散热装置了，内置一个小功率散热风扇，其由一个低功率马达驱动，其电源来自于与半导体片所连接的蓄电池供应。整个杯子底

6、座采用圆台式设计，能够保持高度稳定性，底座的内部中空（除一个小型风扇外），圆台整体布满散热孔，可以促进散热。2.6 利用半导体制冷片两端的温差趋于稳定，在半导体制冷/加热片和下面的底座中间还有一层导热层，可以促进热量往底座（散热装置）传递，能有效地提高工作效率。3 产品创新特点及发展前景：3.1 本产品集制冷、加热和保温为一体，采用小结构、轻量化设计，便携便利；不仅可以对各种液体进行加热、制冷，也能对小型固体进行降温保存处理。切内部的半导体片也可根据不同环境的工作需求进行替换，实用性大大增强。3.2 产品无运动部件，基本不会产生噪声。且整体结构紧凑，稳定性强；采用半导体制冷也不会对环境产生任何

7、污染。3.3 本产品采用导热片+散热装置共同工作，根据半导体制冷片两端的温差是保持在一定范围内的原理，进行快速降温。且杯盖置有温度显示器，可以实时监控温度变化。而温度控制器可以根据不同人群的需求进行温度控制。3.4 本产品设置有自动断电装置，当温度降低或升高到最高点时，通过温度传感器发出信号，通过自动控制开关进行断电处理，可以有效地节约能耗。在传统制冷、加热设备牢牢占据市场的情况下，新型的制冷方式也不断地涌现，其设计方向也主要在于便捷消费者的生活。所以研制一种低成本的、多功能化的以及满足各种环境需求的同时也具有高度普适性即能够大面积推广的制冷器，已经成了未来的一个重要研究方向。参考文献：1王嵩.基于单片机的计算机水温控制系统设计研究j.轻工标准与质量，2019（z1）：114-115.2王天文，庞利会，邓青，张婕，曾颖，江子钰.基于单片机的智能加热制冷杯垫的