CN110341853B - 一种手把用温度调节装置及其调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种手把用温度调节装置及其调节方法，包括温度传感器阵列和控制器，温度传感器阵列设置在空心手把上，空心手把的内部设置有加热片和致冷片，空心手把的一端设置有防护罩，防护罩内设置有风扇，加热片、致冷片、温度传感器阵列和风扇分别通过控制电路与控制器连接。本发明解决了现有技术中使用者抓握手把时手掌处温度受环境影响大，不能保持在一个舒适的范围内，影响使用者手部舒适度的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于移动装置控制技术领域，具体涉及一种手把用温度调节装置及其调节方法。
背景技术
手把是用来保持身体平衡并支撑身体并且在使用诸如机车等移动设备时能够进行控制的装置。现有的手把并没有考虑人手部温度的舒适感，尤其是对于一些人由于自身新陈代谢慢，导致手部温度受环境影响比较大，不能达到舒适的手部温度，在一定程度上影响了人对把手的抓握与操作。
目前我国处于经济、城市化和机动化的快速发展时期，快速的发展带来的诸多问题已经严重的影响到了人们的正常生活与社会的发展。随着出行交通工具的多样化和快速发展，给人们带来了更大的方便。为了提升出行品质，在保证车辆安全、快速行驶的同时，关于舒适度的问题亦需重点研究，最大限度的加以解决。关于舒适度的概念，可以从人体两个方面的状态加以理解。一是人体生理机制处于舒展、舒服状态；二是人的心理知觉表现为适应、合适，内心要求得以满足。而诸如电动车，摩托车等类似的设备或机器，在使用过程中手部舒适度的意义则不言而喻。
现有对基于皮肤温度的人体热感觉特性实验研究，验证了局部皮肤温度可以用来预测局部热感觉；还有老人用的安全扶手，在老人抓握住扶手管时，能够对老人的手部进行按摩和保持温度，促进老人手部的血液循环，缓解老人手部的僵硬情况，使老人抓握扶手更稳，避免摔倒。目前市面上也有一些带加热工能的电动车用把手，但这些产品都只有加热一种功能，只能满足低温环境下的手部温度舒适度，而且这些产品基本上只是依靠人操作开关按钮等装置来手动进行温度调节功能的启动运行，不能做到智能化的自动调节。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种手把用温度调节装置及其调节方法，解决了现有技术中使用者抓握手把时手掌处温度受环境影响大，不能保持在一个舒适的范围内，影响使用者手部舒适度的缺陷。
本发明采用以下技术方案：
一种手把用温度调节装置，包括温度传感器阵列和控制器，温度传感器阵列设置在空心手把上，空心手把的内部设置有加热片和致冷片，空心手把的一端设置有防护罩，防护罩内设置有风扇，加热片、致冷片、温度传感器阵列和风扇分别通过控制电路与控制器连接。
具体的，控制器包括微处理芯片、电机驱动芯片、加热片驱动电路、致冷片驱动电路以及稳压电路；
微处理芯片能够接收温度传感器阵列发送的数字信号并进行分析处理，判断使用者手掌处的温度状态，当使用者手掌处的温度低于设定温度时，微处理芯片经加热片驱动电路向加热片发出工作指令；当使用者手掌处的温度高于设定温度时，微处理芯片向电机驱动芯片和致冷片驱动电路发出指令，由电机驱动芯片驱动风扇工作并启动致冷片进行工作；稳压电路分别与温度传感器阵列、微处理芯片、电机驱动芯片、加热片、致冷片以及风扇连接，用于提供稳定电力。
进一步的，温度传感阵列包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器为DS18B20型温度传感器，分别与控制器连接，空心手把上设置有安装孔和散热孔，温度传感器安装在安装孔中，散热孔设置在温度传感器的正上方。
具体的，空心手把的内部设置有中心套筒，加热片设置在中心套筒上，中心套筒的端面上贴附致冷片。
进一步的，加热片为尖头片190505型iqos陶瓷加热片，致冷片为TEC1-00704T125型半导体致冷片，致冷片的冷面与中心套筒之间设置有导热硅脂。
具体的，空心手把上靠近防护罩的一侧设置有第一通风孔，防护罩上设置有第二通风孔，第一通风孔和第二通风孔的开口朝下。
本发明的另一个技术方案是，一种手把用温度调节装置的温度调节方法，包括以下步骤：
S1、温度传感器感知人手掌处的温度并将其传送至微处理芯片；
S2、微处理芯片按照内置程序对采集到的信号进行时域内的特征提取与分析，获取一段时域范围内人体手部平均皮肤温度作为特征值；
S3、将步骤S2得到的温度信号特征值与设定的阈值进行比较来进行手部温度的舒适度评价；
S4、当温度低于设定温度阈值下限时，加热片释放热量，将热量从空心把手散布到手掌实现升温；
S5、当温度高于设定温度阈值上限时，致冷片与微型风扇同时工作，利用半导体致冷片的珀耳帖效应吸收热量，同时风扇向致冷片热面吹风，加快空气流动实现降温。
具体的，步骤S2中，用一致性测度ri(j)进行数据异常与故障判断，如果某个温度传感器的一致性测度小于一致性测度阈值r0，则判定该检测数据异常并剔除；若存在多个温度传感器的一致性测度小于一致性测度阈值，且异常数据占比大于50％，则判定温度传感器故障并进行报警，否则计算方差σi 2和融合加权系数Wi，将加权系数返回至手部温度参数x的最小二乘融合估计中，得到手部温度参数x的最小二乘融合估计值，对此估计值求取平均值，得到人体手部皮肤温度的特征值。
进一步的，微处理器根据多个温度传感器对手部皮肤的测量值，计算手部温度参数x的最小二乘融合估计为：
其中，i＝1，2，3，4，wi为融合权值，di为测量值，Wi为融合加权系数，σi为传感器测量方差。
更进一步的，多个温度检测值的融合权值由温度传感器的方差动态分配，测量方差是温度传感器内部噪声与环境干扰的综合属性，表征温度传感器测量的可靠性为：
其中，
为第i个传感器第j次测量的方差；
考虑到观测数据的一致性观测度ri(j)，修正的多温度传感器信息融合加权系数Wi为：
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种手把用温度调节装置，将温度传感器阵列设置在空心手把上，空心手把的内部设置有加热片和致冷片，空心手把的一端设置有防护罩，防护罩内设置有风扇，加热片、致冷片，温度传感器阵列和风扇分别通过控制电路与控制器连接。使用者使用时，手掌与温度传感器直接接触，从而更好地获取手部的温度信号；采用多传感器获取测量信息以便系统进行数据处理来减小随机扰动环境因素的影响；加热片和致冷片内置于手把内部，可以更好地利用节省空间；防护罩可以对端头的风扇以及内部电路进行保护，整体结构简单，易于配置。
进一步的，控制器包括微处理芯片、电机驱动芯片、加热片驱动电路、致冷片驱动电路以及稳压电路。控制器的微处理芯片一方面进行温度信号的采集工作，一方面根据控制程序向各组件发送控制指令；微处理芯片接收温度传感器阵列发送的数字信号并进行分析处理，判断使用者手掌处的温度状态，当使用者手掌处的温度低于设定温度时，微处理芯片向加热片驱动电路发出工作指令，使加热片工作；当使用者手掌处的温度高于设定温度时，微处理芯片向电机驱动芯片和致冷片驱动电路发出指令，由电机驱动芯片驱动风扇工作并启动致冷片进行工作；稳压电路分别与温度传感器阵列、微处理芯片、电机驱动芯片、加热片、致冷片以及风扇连接，用于提供稳定电力。
进一步的，采用DS18B20型温度传感器，其测量精度高，在-10～85℃内精度可达±0.5℃；测量范围为-55～125℃，满足常见的使用环境；另外其可以直接输出数字量，并且能够采用单线输入信号至微处理芯片，利用单总线方式实现传感器的多路复用，从而简化了系统电路。
进一步的，空心手把的内部设置有中心套筒，加热片设置在中心套筒上，中心套筒的端面上贴附致冷片。加热片与致冷片分别起加热与吸热的作用，当系统检测到温度低于设定阈值下限时，加热片工作，热量从散热孔散布到手掌；当系统检测到温度高于设定阈值上限时，致冷片工作，吸收从手掌散布出的多余热量。这种加热散热原理简单，容易实现，成本低。
进一步的，采用尖头片190505型iqos陶瓷加热片，其响应快，线性度好，接线不分正负极，接线简单，适合医疗艾灸、暖手宝、仪器仪表等发热领域。
进一步的，防护罩上有通风孔，防护罩安装于把手外侧的一端，并且将通风孔朝下，减少雨水或灰尘的进入。
进一步的，本发明的一种手把的温度调节装置采用TEC1-00704T125型半导体致冷片，利用半导体致冷片的珀耳帖效应，进行吸热降温，其接线简单，在电子产品领域多有应用。
本发明一种手把用温度调节装置的温度调节方法，把使用者手部的温度参数的相关时域特征用来表征人手温度舒适度，将表征的温度参数的相关时域特征与相应的舒适范围比较进行人手温度舒适度评价，并根据人手温度舒适度评价结果针对性的进行温度调节。能够较精确的达到使用者手部的温度舒适度调节的目的，更好的实现使用者手部的舒适性。
进一步的，本发明采用多传感器进行温度信号的采集，对采集到的温度信号进行数据处理，首先判断数据的一致性，检测是否有一致性比较差的数据或者因为传感器故障采集到的假信息，并对异常数据进行剔除；之后计算方差
和融合加权系数Wi，将加权系数返回至手部温度参数x的最小二乘融合估计中，得到手部温度参数x的最小二乘融合估计值，对此估计值求取平均值，得到人体手部皮肤温度的特征值。该数据处理方法简单，能快速、准确的估计出待测物理量的状态信息，进行故障判断，减小传感器内部噪声与环境干扰对测量结果的影响。
综上所述，本发明利用布置在空心手把上的传感器采集使用者手部的温度信号，系统对采集到的温度信号按照提出的数据处理方法进行处理，并提取出特征值与设定的阈值进行比较，根据比较结果由控制器控制相应的功能组件，实现温度过低时加热升温，温度过高时吸热降温，达到智能化的自动调节。整个装置结构简单，系统配置容易，成本低廉。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明手把用温度调节装置的轴测图；
图2为本发明手把用温度调节装置的爆炸图；
图3为本发明手把用温度调节装置的剖视图；
图4为本发明手把用温度调节装置的系统结构框图；
图5为本发明手把用温度调节方法的原理框图；
图6为本发明手把用温度调节方法的数据处理原理框图。
其中：1.加热片；2.中心套筒；3.致冷片；4.第一温度传感器；5.第二温度传感器；6.第三温度传感器；7.第四温度传感器；8.空心手把；9.风扇；10.防护罩；a.散热孔；b.第一通风孔；c.第二通风孔。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种手把用温度调节装置及其调节方法，当温度低于设定温度时，加热片工作，将热量从手把的通气孔散布到手掌；当温度高于设定温度时，致冷片工作吸收热量，同时微型风扇工作，向致冷片热面吹风，加快空气流动，带走多余的热量。温度调节方法包括：采用温度感知技术获取人在抓握手把时手部的温度信号，并对获取的温度信号进行特征提取，得到手部温度信号的特征值；根据获取的特征值进行温度舒适度评价，并根据评价结果针对性地进行温度调节，以调整人手部的温度状态，从而达到人手温度舒适度调节的目的。本发明通过人手温度舒适度表征和调节，能够智能化地对人手温度舒适度进行调控，从而更好的实现人在抓握手把时手部的温度舒适性。
请参阅图1、图2和图3，本发明一种手把用温度调节装置，包括温度传感器阵列、空心手把8、中心套筒2、加热片1、致冷片3、直流风扇9、防护罩10和控制器，温度传感器阵列设置在空心手把8上，中心套筒2设置在空心手把8的内部，加热片1设置在中心套筒2上，中心套筒2的端面上贴附致冷片3，防护罩10设置在空心手把8的外侧一端，直流风扇9设置在防护罩10内；控制器外接于机体设备上，由设备电源为控制器提供电力，加热片1、致冷片3、温度传感器阵列与直流风扇9分别通过控制电路与控制器连接。
控制器包括MSP430F5529超低功耗微处理芯片、L298N电机驱动芯片、加热片驱动电路、致冷片驱动电路以及稳压电路；微处理芯片接收到温度传感器阵列发送的数字信号后，对其进行分析处理，判断使用者手掌处的温度状态，当温度低于设定温度时，微处理芯片经加热片驱动电路向加热片1发出指令使其通电工作；当温度高于设定温度时，微处理芯片向电机驱动芯片和致冷片驱动电路发出指令，由电机驱动芯片驱动直流风扇9工作并启动致冷片3进行工作；稳压电路分别为温度传感器、微处理芯片、电机驱动芯片、加热片1、致冷片3以及直流风扇9提供稳定电力。
采用MSP430F5529微处理器，其性价比高，数字信号处理能力强，而且功耗低，适合微小移动设备上的快速数据处理。
温度传感阵列包括第一温度传感器4、第二温度传感器5、第三温度传感器6和第四温度传感器7，第一温度传感器4、第二温度传感器5、第三温度传感器6和第四温度传感器7分别与控制器连接。
空心手把8上留有温度传感器安装孔和散热孔a，温度传感器安装在安装孔中，留出与使用者手掌接触的面，散热孔a设置在温度传感器的正上方，温度传感器为DS18B20型温度传感器，其供电电压为3.0～5.5V，测温为-55～125℃，在-10～85℃内精度为±0.5℃。传感器直接输出数字信号，无需考虑信号的模数转换。
加热片1为尖头片190505型iqos陶瓷加热片，供电电压为3.7V，尺寸为19mm×5mm×0.5mm。
致冷片3为TEC1-00704T125型半导体致冷片，尺寸为10mm×10mm×4.6mm，致冷片3的冷面贴附在中心套筒2的端面上，两者之间添加导热硅脂，以加快热量的传递。
中心套筒2采用铜作为材料，以利用其良好的导热性能。
直流风扇9为DFS150405H型直流电机风扇，电机功率为0.23W，供电电压为5V。
空心手把8上靠近防护罩10的一侧设置有第一通风孔b，防护罩10上设置有第二通风孔c，第一通风孔b和第二通风孔c的开口朝下，减少雨水或灰尘的进入。
请参阅图4和图5，一种手把温度调节方法，包括以下步骤：
S1、温度传感器感知人手掌处的温度并将其传送至微处理芯片；
S2、微处理芯片按照内置程序对采集到的信号进行时域内的特征提取与分析，获取一段时域范围内人体手部平均皮肤温度作为特征值，对多个温度传感器采集到的多点温度信息进行信息融合消除观测噪声，同时进行测点故障的诊断；
S3、将温度信号的特征值与设定的阈值范围进行比较来进行手部温度的舒适度评价；
用获取的一段时域范围内人体手部平均皮肤温度作为特征值与设定阈值范围比较进行舒适度评价，人手部的温度的舒适阈值范围设定为18～28℃。
S4、当温度低于设定温度阈值下限时，加热片释放热量，将热量从把手的通气孔散布到手掌，实现升温；
S5、当温度高于设定温度阈值上限时，致冷片与微型风扇同时工作，利用半导体致冷片的珀耳帖效应吸收热量，同时风扇向致冷片热面吹风，加快空气流动，从而带走致冷片吸收的热量，实现降温。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图6，本发明方法的数据处理与特征提取流程为：
4个温度传感器对手部皮肤进行测量，获得观测方程为
D＝Hx+e
其中，x为待测量的皮肤温度，D为4维测量向量，e为4维观测噪声向量，H＝[1 1 11]T为4维常向量。
根据多个测量值，计算手部温度参数x的最小二乘融合估计：
其中，i＝1，2，3，4，wi为融合权值，di为测量值，Wi为融合加权系数，σi为传感器测量方差。
多个温度检测值的融合权值由传感器的方差动态分配，测量方差是温度传感器内部噪声与环境干扰的综合属性，这个属性始终存在于测量的全过程，表征温度传感器测量的可靠性：
其中，
为第i个传感器第j次测量的方差。
为了在多传感信息融合的过程中进行故障判断，引入一致性测度系数表示温度传感器之间的支持程度。为了量化各传感元件在某一时刻观测值的相互支持度，采用模糊数学中最大最小贴近度来度量。
设k时刻温度传感器i和温度传感器j的观测贴近度为：
cij(k)＝cji(k)＝min{xi(k),xj(k)}/max{xi(k),xj(k)}
k时刻第i个温度传感器与剩余其他温度传感器的一致性观测度为：
当ri(k)接近1时，表明k时刻温度传感器i与其他温度传感器的观测值保持一致，反之，则表明第i个温度传感器的观测值偏离其他温度传感器的观测值。
本发明中的数据处理方法先用一致性测度来进行数据异常与故障判断，即如果某一个传感器的一致性测度小于一致性测度阈值r0(r0为0.95)，则判定该检测数据异常并剔除。
若存在多个元件的一致性测度小于一致性测度阈值，且异常数据占比大于50％，则判定传感器故障并进行报警，否则进行信息融合；
将一致性测度考虑到融合加权系数中体现温度传感器在某一个时刻采样结果在空间分布上的分析，通过方差则体现了一个传感器多次采样结果在时间分布上的分析。基于这种时间加空间上的分析计算，可得到修正的多温度传感器信息融合加权系数为：
将此加权系数返回至手部温度参数x的最小二乘融合估计中，得到手部温度参数x的最小二乘融合估计值，对此估计值求取平均值，从而得到人体手部皮肤温度的特征值。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种手把用温度调节装置，其特征在于，包括温度传感器阵列和控制器，温度传感器阵列设置在空心手把(8)上，空心手把(8)的内部设置有加热片(1)和致冷片(3)，空心手把(8)的一端设置有防护罩(10)，防护罩(10)内设置有风扇(9)，加热片(1)、致冷片(3)、温度传感器阵列和风扇(9)分别通过控制电路与控制器连接，温度传感阵列包括第一温度传感器(4)、第二温度传感器(5)、第三温度传感器(6)和第四温度传感器(7)，第一温度传感器(4)、第二温度传感器(5)、第三温度传感器(6)和第四温度传感器(7)为DS18B20型温度传感器，分别与控制器连接，空心手把(8)上设置有安装孔和散热孔(a)，温度传感器安装在安装孔中，散热孔(a)设置在温度传感器的正上方；
控制器包括微处理芯片、电机驱动芯片、加热片驱动电路、致冷片驱动电路以及稳压电路；
微处理芯片能够接收温度传感器阵列发送的数字信号并进行分析处理，判断使用者手掌处的温度状态，当使用者手掌处的温度低于设定温度时，微处理芯片经加热片驱动电路向加热片(1)发出工作指令；当使用者手掌处的温度高于设定温度时，微处理芯片向电机驱动芯片和致冷片驱动电路发出指令，由电机驱动芯片驱动风扇(9)工作并启动致冷片(3)进行工作；稳压电路分别与温度传感器阵列、微处理芯片、电机驱动芯片、加热片(1)、致冷片(3)以及风扇(9)连接，用于提供稳定电力；
空心手把(8)的内部设置有中心套筒(2)，加热片(1)设置在中心套筒(2)上，中心套筒(2)的端面上贴附致冷片(3)，空心手把(8)上靠近防护罩(10)的一侧设置有第一通风孔(b)，防护罩(10)上设置有第二通风孔(c)，第一通风孔(b)和第二通风孔(c)的开口朝下。
2.根据权利要求1所述的手把用温度调节装置，其特征在于，加热片(1)为尖头片190505型iqos陶瓷加热片，致冷片(3)为TEC1-00704T125型半导体致冷片，致冷片(3)的冷面与中心套筒(2)之间设置有导热硅脂。
3.一种根据权利要求1所述手把用温度调节装置的温度调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、温度传感器感知人手掌处的温度并将其传送至微处理芯片；
S2、微处理芯片按照内置程序对采集到的信号进行时域内的特征提取与分析，获取一段时域范围内人体手部平均皮肤温度作为特征值；
S3、将步骤S2得到的温度信号特征值与设定的阈值进行比较来进行手部温度的舒适度评价；
S4、当温度低于设定温度阈值下限时，加热片释放热量，将热量从空心把手散布到手掌实现升温；
S5、当温度高于设定温度阈值上限时，致冷片与微型风扇同时工作，利用半导体致冷片的珀耳帖效应吸收热量，同时风扇向致冷片热面吹风，加快空气流动实现降温。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S2中，用一致性测度ri(j)进行数据异常与故障判断，如果某个温度传感器的一致性测度小于一致性测度阈值r0，则判定该温度传感器的检测数据异常并剔除；若存在多个温度传感器的一致性测度小于一致性测度阈值，且异常数据占比大于50％，则判定温度传感器故障并进行报警，否则计算方差
和融合加权系数Wi，将加权系数返回至手部温度参数x的最小二乘融合估计中，得到手部温度参数x的最小二乘融合估计值，对此估计值求取平均值，得到人体手部皮肤温度的特征值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，微处理器根据多个温度传感器对手部皮肤的测量值，计算手部温度参数x的最小二乘融合估计为：
其中，i＝1，2，3，4，wi为融合权值，di为测量值，Wi为融合加权系数，σi为传感器测量方差。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，多个温度检测值的融合权值由温度传感器的方差动态分配，测量方差是温度传感器内部噪声与环境干扰的综合属性，表征温度传感器测量的可靠性为：
其中，
为第i个传感器第j次测量的方差；
考虑到观测数据的一致性观测度ri(j)，修正的多温度传感器信息融合加权系数Wi为：
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