CN105573379A - 一种基于温差电效应的智能温控系统及其控温方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于温差电效应的智能温控系统及其控温方法，属于温度控制技术领域。利用温差电效应有效实现吸热和放热两种功能，通过温度传感器检测温度和设定温度进行对比，确定温控棒的工作模式是制冷还是制热，并在制冷模式时有效回收热能，并转化成电能储存，在温度过低时将储存的电能转换成热能输出。本发明低碳环保，可有效减少能源浪费；成本低、不影响饮品口感、温控性能强、携带方便、能够有效弥补现有饮品温度控制方法的不足之处。

Description

一种基于温差电效应的智能温控系统及其控温方法

技术领域：

本发明涉及一种基于温差电效应的智能温控系统及其控温方法，属于温度控制技术领域。

背景技术：

生活中当饮品温度不适宜饮用时多采取微波炉加热、兑热水等加热方法，或饮品温度较高想冷却时多采取自然冷却、兑冷水或放入冰箱等冷却方法。但是上述方法存在以下问题：1)家电设备体积过大，不便于户外携带；2)家电设备耗电量过大，不利于环保；3)兑冷(热)水会影响饮品口感；4)无法准确控制饮品温度，为饮用带来不便。

目前市场上存在的饮品加热装置主要有加热型茶杯垫、热得快等，前者存在以下问题：1)采用通过杯垫对茶杯底部热传递的办法，对茶杯材料有一定要求，不适用于所有类型的茶杯；2)影响茶杯使用寿命；3)杯垫温度过高易造成意外；4)加热后茶杯杯体过热不利于手拿杯体饮用；而后者主要存在以下问题：1)需要插座供电不方便室外使用；2)金属管体需完全浸没入水中，不适用于少量液体加热；3)功率过大，无人情况下易造成水烧干情况引发事故。

温差电效应是利用两种连接起来的导电体或者半导体，通过温度差将热能转换成电能或通过电压差将电能转化成热能的一种技术。将P型和N型结合的半导体元件组成的器件构成回路，器件的一侧维持在低温状态，另一侧维持在高温状态。热能从高温侧流入器件内，通过器件将热能从低温侧排出时，流入器件的一部分热能不放热，并在器件内变成电能，就会在回路中形成直流电动势和直流电流；而在器件电极两端输入正向电压，器件两侧将会形成温度差。

发明内容：

本发明基于上述温差电效应提供一种智能温控系统，具有制热和制冷两种功能，智能控温，方便携带。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于温差电效应的智能温控系统，包括温差发电模块，温差发电模块用于吸收热能转换成电能通过与之连接的稳压模块给电源充电；USB模块用于外接USB线连接外部电源并通过稳压模块给电源充电；电源分别给单片机和PWM电压模块供电；单片机分别与温度传感器和按键相连，温度传感器将检测到的温度信息传送给单片机，按键用于输入需要的温度，单片机将输入温度与温度传感器检测到的温度进行对比用于判断温差发电模块的工作模式是制热还是制冷；单片机输出控制信号给PWM电压模块，PWM电压模块输出PWM波并输入给与之相连的温差发电模块和电热丝，使电热丝进行加热。

对上述方案进一步优化：

所述单片机还连接显示器，用于显示温度和电源的电量。

所述温差发电模块包括圆柱形金属外壳和先两两串联再并联的四块温差发电片。

所述温差发电片型号为SP1848。

所述温度传感器为三个并联组网，并联后与单片机的同一个IO接口连接，所述智能温控系统还包括外壳，外壳从头部至底部划分为A、B、C、D和E五段区域，温差发电模块和其中一个温度传感器置于C段，另外两个温度传感器分别置于B段和D段，电热丝置于E段，PWM电压模块、电源、稳压模块和单片机置于A段，显示器和按键置于外壳A段侧面上，USB模块对外连接设有USB接口，USB接口设于外壳A段的顶端，外壳内部各段之间用隔热体间隔开来，并用导热体对各段空间进行填充。

所述温度传感器采用DS18B20数字温度传感器。

所述外壳A段为聚丙烯塑料材质，B段至E段为不锈钢材质。

所述单片机采用COM8位STC89C52单片机。

所述电源使用18650磷酸铁锂电池，电热丝使用2090镍铬丝，导热体使用导热硅胶，隔热体材质为玻璃纤维，按键采用6*6*5防水轻触按钮，显示器采用LCD。

基于上述智能温控系统，本发明还提供一种基于温差电效应的智能控温方法，包括以下步骤：

步骤1)通过按键手动输入所期望的液体温度T₁；

步骤2)温度传感器组网单元反馈外壳B、D外侧液体温度T₂₁、T₂₂和外壳D外侧液体初始温度T₂₀以及温差发电模块内部温度T₃给单片机；

步骤3)显示器显示液体温度、期望温度和电源电量；

步骤4)单片机实时判断T₂₁、T₂₂变化幅度，当则单片机判定液面低于外壳B、C的交界线，温差发电模块不能工作于制热模式以免烧坏；当则单片机判定液面高于外壳B、C的交界线，无安全隐患，温差发电模块可以工作于制热模式；当T₂₁≥T，则单片机判断液面过低，断开温差发电模块和电热丝，其中T为阈值温度，t为时间系数；

步骤5)单片机判断温差发电模块工作模式：若T₁＜T₂₀，则单片机判断为制冷模式，温差发电模块吸收液体热能用于发电，通过稳压模块将输出电压滤波调压成适合电源充电的电压，并将电能输入电源并储存；若T₁≥T₂₀，则单片机判断为制热模式，通过PID控制并联，将T₁、T₂₁输入PID控制器分别输出y_p、y_I、y_D。单片机将PID并联输出量输入占空比控制函数F₁(x₁,x₂,x₃)、F₂(x₁,x₂,x₃)，再将输出控制信号输入PWM电压模块，将PWM电压模块输出占空比分别为D₁、D₂的PWM波分别输入温差发电模块和电热丝；

步骤6)当电源的电能用尽后，可通过USB模块外接USB线，经过稳压模块调压后对电源进行充电。

本发明通过温差电效应有效回收热能，并转化成电能，用以电源充电。在温度过高时，吸收多余的热量转换成电能储存；在温度过低时将储存的电能转换成热能输出。本发明低碳环保，可有效减少能源浪费；成本低、不影响饮品口感、温控性能强、携带方便、能够有效弥补现有饮品温度控制方法的不足之处。

以下通过附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。

附图说明：

图1为本发明温控系统实施例的外观结构透视图；

图2为本发明温控系统实施例的结构原理框图；

图3为本发明温差发电模块的原理图；

图4为本发明温度传感器多点组网的电路图。

标号说明：

导热体1，隔热体2，电热丝3，PWM电压模块4，温差发电模块5，电源6，稳压模块7，USB模块8，单片机9，温度传感器10，显示器11，按键12，外壳13，USB接口14。

具体实施方式：

结合图1至图4，对本发明技术方案进行详细说明：

本发明提供的一种基于温差电效应的智能温控系统，包括温差发电模块5和外壳13，温差发电模块5用于吸收热能转换成电能通过与之连接的稳压模块7给电源6充电；USB模块8用于外接USB线连接外部电源并通过稳压模块7给电源6充电；电源6分别给单片机9和PWM电压模块4供电；单片机9分别与温度传感器10和按键12相连，温度传感器10将检测到的温度信息传送给单片机9，按键12用于输入需要的温度，单片机9将输入温度与温度传感器10检测到的温度进行对比用于判断温差发电模块5的工作模式是制热还是制冷；单片机9输出控制信号给PWM电压模块4，PWM电压模块4输出PWM波并输入给与之相连的温差发电模块5和电热丝3，使电热丝3进行加热。

上述方案中的单片机9还连接显示器11，用于显示温度和电源的电量，电热丝3为低压发热电热丝。

温度传感器10采用DS18B20数字温度传感器，且采用多点组网由三个温度传感器单元并联组成，并联后与单片机9的同一个IO接口连接。DS18B20数字温度传感器具有独特的一线接口，只需要一条通信接口，具有多点能力，简化了分布式温度传感应用，且无需外部元件，可用数据总线供电。

智能温控系统还包括外壳13，外壳13从头部至底部划分为A、B、C、D和E五段区域，温差发电模块5和其中一个温度传感器10置于C段，另外两个温度传感器10分别置于B段和D段，电热丝3置于E段，PWM电压模块4、电源6、稳压模块7和单片机9置于A段，外壳13内部各段之间用隔热体2间隔开来，用于保障各元器件正常工作，互不干扰；并用导热体1对各段空间进行填充，用于保障与外部液体的内能传递。外壳13的A段为聚丙烯塑料材质，B段至E段为不锈钢材质，显示器11和按键12置于外壳13的A段的侧面上，USB模块8对外连接设有USB接口14，USB接口14设于外壳13的A段的顶端。

温差发电模块5主要由四块温差发电片和合金外壳组成，其中四块温差发电片两两串联后并联形成，外侧套上圆柱形合金外壳。所用温差发电片型号为SP1848，其具有明显的热电特性，能有效地把热能转换成电能，且体积小、能量密度大、寿命长。温差发电模块5外侧为热端，通过导热体1与外壳13的C段形成热的良导体，同时内侧经过散热处理，从四块温差发电片引出的正负极连接稳压模块7，对输出电压作稳压处理，使其发电模式下对电源6进行充电。

上述方案中的单片机9采用低功耗、高性能的COM8位STC89C52单片机；电源6使用18650磷酸铁锂电池；电热丝3使用2090镍铬丝；导热体1的选择考虑到用于外壳13与发热体的热能传导，且外壳13内部结构较复杂且存在电子元件线路，因此导热体1采用导热硅胶；隔热体2的选择考虑到本系统中外壳13内部各空间需要热隔绝处理，避免散热模块影响系统其它元件的正常工作状态，最终采用玻璃纤维作为本系统的隔热体2；按键12的选择考虑到本系统的应用环境和空间布局等因素，最终选择6*6*5防水轻触按钮；而显示器11则确定为LCD。

使用上述智能温控系统对杯中的液体进行温度调节，其控温方法如下：

步骤1)将上述温控系统外壳13的E段向下放入盛有液体的杯中，通过按键12手动输入所期望的液体温度T₁；

步骤2)温度传感器10组网单元实时反馈外壳13的B段、D段外侧液体温度T₂₁、T₂₂和D段外侧液体的初始温度T₂₀以及温差发电模块5内部温度T₃给单片机9；

步骤3)显示器11显示液体温度、期望温度和电源6的剩余电量；

步骤4)单片机9实时比较T₂₁和T₂₂的变化幅度，当(t为时间系数)，则单片机9判定此时杯中的液面低于外壳13的B段和C段的交界线，温差发电模块5不能工作于制热模式以免烧坏；若则单片机9判定此时杯中的液面高于外壳13的B段和C段的交界线，无安全隐患，温差发电模块5可以工作于制热模式；若T₂₁≥T(T为阈值温度)，则单片机9判定液面过低，断开温差发电模块5和电热丝3。

步骤5)单片机9判断温差发电模块5的工作模式：

若T₁＜T₂₀，则单片机9判断温差发电模块5为制冷模式，单片机9控制温差发电模块5处于发电模式并断开电热丝3，温差发电模块5将吸收液体中的热能转换成电能并通过稳压模块7将电压调整到合适电压，用以给电源6充电；若T₁≥T₂₀，则单片机9判断温差发电模块5为制热模式，通过PID控制并联，将T₁、T₂₁输入PID控制器分别输出y_p、y_I、y_D。单片机9将PID并联输出量输入占空比控制函数F₁(x₁,x₂,x₃)、F₂(x₁,x₂,x₃)，再将输出控制信号输入PWM电压模块4，将PWM电压模块4输出占空比分别为D₁、D₂的PWM波分别输入温差发电模块5和电热丝3开始制热产生热量，通过热传递加热杯中的液体，在最短时间内利用最少的能量使液体温度T₂₁达到稳态，即期望温度T₁，此时供热和散热相平衡；

其中，占空比D₁、D₂计算过程如下：

电阻的温度补偿：ΔR＝R₂₀(α₂₀(T₂₁-20)+β(T₂₁-20)²)

温差发电模块的输出功率：

电热丝的输出功率：其中U₂＝U₁

系统每秒增加的内能：P₃＝P₂+P₁-P₀

系统温度即外壳D外侧液体温度：

比例控制器输出：y_P＝G_P(s)·T

积分控制器输出：y_I＝G_I(s)·T

微分控制器输出：y_P＝G_D(s)·T

$\left\{\begin{array}{c}{D}_1=F_1(y_P,y_I,y_D)\\ D_2=F_2(y_P,y_I,y_D)\end{array}\right.$

式中，R₂₀为20℃下电热丝的内阻；α₂₀为20℃下一次相温度系数；β为二次相温度系数；R₂为任意温度下电热丝的内阻；D₁、D₂分别为通道1、2输出PWM波的占空比；U₁、U₂为PWM波电压；P₀为系统散热功率；Δt₂为供电时长；t为时间系数；G_P(s)＝K_P；

F₁(x₁,x₂,x₃)＝a·x₁+b·x₂+c·x₃+d；

F₂(x₁,x₂,x₃)＝a·x₁+b·x₂+c·x₃+e。

步骤6)当本发明智能温控系统使用完后，从杯中取出，自然冷却后用清水冲洗干净即可；当电源6的电能用完后，可通过USB接口14连接USB数据线对电源6进行充电。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种基于温差电效应的智能温控系统，其特征在于：包括温差发电模块，温差发电模块用于吸收热能转换成电能通过与之连接的稳压模块给电源充电；USB模块用于外接USB线连接外部电源并通过稳压模块给电源充电；电源分别给单片机和PWM电压模块供电；单片机分别与温度传感器和按键相连，温度传感器将检测到的温度信息传送给单片机，按键用于输入需要的温度，单片机将输入温度与温度传感器检测到的温度进行对比用于判断温差发电模块的工作模式是制热还是制冷；单片机输出控制信号给PWM电压模块，PWM电压模块输出PWM波并输入给与之相连的温差发电模块和电热丝，使电热丝进行加热。

2.根据权利要求1所述的一种基于温差电效应的智能温控系统，其特征在于：所述单片机还连接显示器，用于显示温度和电源的电量。

3.根据权利要求1所述的一种基于温差电效应的智能温控系统，其特征在于：所述温差发电模块包括圆柱形金属外壳和先两两串联再并联的四块温差发电片。

4.根据权利要求3所述的一种基于温差电效应的智能温控系统，其特征在于：所述温差发电片型号为SP1848。

5.根据权利要求1所述的一种基于温差电效应的智能温控系统，其特征在于：所述温度传感器为三个并联组网，并联后与单片机的同一个IO接口连接；智能温控系统还包括外壳，外壳从头部至底部划分为A、B、C、D和E五段区域，温差发电模块和其中一个温度传感器置于C段，另外两个温度传感器分别置于B段和D段，电热丝置于E段，PWM电压模块、电源、稳压模块和单片机置于A段，显示器和按键置于外壳A段侧面上，USB模块对外连接设有USB接口，USB接口设于外壳A段的顶端，外壳内部各段之间用隔热体间隔开来，并用导热体对各段空间进行填充。

6.根据权利要求5所述的一种基于温差电效应的智能温控系统，其特征在于：所述温度传感器采用DS18B20数字温度传感器。

7.根据权利要求5所述的一种基于温差电效应的智能温控系统，其特征在于：所述外壳A段为聚丙烯塑料材质，B段至E段为不锈钢材质。

8.根据权利要求5所述的一种基于温差电效应的智能温控系统，其特征在于：所述电源使用18650磷酸铁锂电池，电热丝使用2090镍铬丝，导热体使用导热硅胶，隔热体材质为玻璃纤维，按键采用6*6*5防水轻触按钮，显示器采用LCD。

9.根据权利要求1所述的一种基于温差电效应的智能温控系统，其特征在于：所述单片机采用COM8位STC89C52单片机。

10.一种如权利要求1到9任一一种基于温差电效应的智能温控系统的控温方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤1)通过按键手动输入所期望的液体温度T₁；

步骤2)温度传感器组网单元反馈外壳B、D外侧液体温度T₂₁、T₂₂和外壳D外侧液体初始温度T₂₀以及温差发电模块内部温度T₃给单片机；

步骤3)显示器显示液体温度、期望温度和电源电量；

步骤4)单片机实时判断T₂₂、T₂₁变化幅度，当则单片机判定液面低于外壳B、C的交界线，温差发电模块不能工作于制热模式以免烧坏；当则单片机判定液面高于外壳B、C的交界线，无安全隐患，温差发电模块可以工作于制热模式；当T₂₁≥T，则单片机判断液面过低，断开温差发电模块和电热丝，其中T为阈值温度，t为时间系数；

步骤5)单片机判断温差发电模块工作模式：若T₁＜T₂₀，则单片机判断为制冷模式，温差发电模块吸收液体热能用于发电，通过稳压模块将输出电压滤波调压成适合电源充电的电压，并将电能输入电源并储存；若T₁≥T₂₀，则单片机判断为制热模式，通过PID控制并联，将T₁、T₂₁输入PID控制器分别输出y_p、y_I、y_D。单片机将PID并联输出量输入占空比控制函数F₁(x₁,x₂,x₃)、F₂(x₁,x₂,x₃)，再将输出控制信号输入PWM电压模块，将PWM电压模块输出占空比分别为D₁、D₂的PWM波分别输入温差发电模块和电热丝；

步骤6)当电源的电能用尽后，可通过USB模块外接USB线，经过稳压模块调压后对电源进行充电。