热电式温显保健水杯的设计与实现*

叶小岭,张 晴,王冬健,袁 斌

(南京信息工程大学信息与控制学院,南京 210044)

热电式温显保健水杯的设计与实现*

叶小岭*,张 晴,王冬健,袁 斌

(南京信息工程大学信息与控制学院,南京 210044)

为避免在未知水温情况下饮用过冷或过热的水导致伤害人体,设计了一个热电式温显水杯。该水杯的软硬件部分的实现分别基于C语言和STC89C51 单片机。硬件部分主要包括升压电路、储能单元和LCD显示模块;软件部分主要包括系统初始化、数据采集和水温实时显示模块。通过实验分析记录的数据,并和室内温度对比,说明该水杯的软硬件部分可以准确、稳定、实时的反应水温的变化,达到了提醒安全饮水、环保和低碳的目的。

热电温显;STC89C51;柔性热电芯片;DS1820;LM2596S

目前,随着生活水平的提高和生活节奏的加快,人们在忙于工作的同时,也越来越注重保健,而保健最简单的方法就是适当饮水,补充水分。每天保持水分以维持人体正常的生理功能是一项最基本的保健养生常识。特别是春秋季节,适当饮水可以很好地预防感冒等疾病的发生,同时适温饮水可避免对身体造成伤害。普通的水杯不能及时显示温度,也不能调节水温让人们随时有温水喝。本文描述的这款水杯,专门针对以上情况对普通水杯加以改进,使之成为保健的一大帮手,方便人们的生活和工作。其最突出的设计就是它可以通过温度传感器对杯中的水温进行数据采集[1],在LCD屏上将水温等有效信息实时显示。这样,人们就不会无意中被热水烫到,而且在冬天也可以及时知道水是不是变冷了,凉了之后还可以通过杯子内外温差发电所储存的能量稍微加热,使其温热。

1 热电式温显保健水杯的系统方案[1]

本系统设计是应用热电芯片的热电式温显保健水杯,主要由温差发电模块、控制模块、储能模块、稳压模块、LCD显示模块和传感器模块组成,系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体框图

通过热水杯内外壁温差来产生电能,为驱动控制模块、LCD模块、传感器模块提供工作电压和电流。首先通过传感器模块实时采集应用水温度,并将采集数据送至控制模块处理。控制模块对采集的温度数据进行分析和处理,并将处理后的数据送至LCD显示模块进行显示,达到提示人们安全饮水、防止饮用过冷或过热。其原理框图如图2所示。

图2 系统原理框图

2 热电式温显系统的硬件电路设计

本设计通过热水杯内外壁温差来产生电能,为驱动控制模块、LCD模块、传感器模块[2]提供工作电压和电流。首先通过传感器模块实时采集应用水温度,并将采集数据送至控制模块处理。控制模块对采集的温度数据进行分析和处理,并将处理后的数据送至LCD显示模块进行显示。

2.1 系统的外观设计

如图3热电式温显保健水杯剖面图所示,该水杯包括水杯内胆,水杯外壳,温差发电模块、底座、杯盖、控制模块、储能模块、稳压模块、LCD显示模块和传感器模块。

图3 系统剖面图

底座置于水杯底部,底座7上有若干个排气孔,便于形成温差供温差发电模块供电。杯盖置于水杯顶部,采用食品级PP材质,用于密封水杯,实现水杯保温功能。水杯内胆置于水杯外壳内部,采用不锈钢材质。温差发电模块置于水杯外壳和水杯内胆之间的真空区域,水杯外壳9采用不锈钢材质。

2.2 柔性热电芯片设计

热电能量采集芯片[3-4](热电转换器)是一种自发电装置,是利用塞贝克(Seebeck)效应。塞贝克效应是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象,其实质在于两种金属接触时会产生接触电势差(电压),该电势差取决于两种金属中的电子溢出功不同及两种金属中电子浓度不同造成的。

塞贝克效应电势差的计算公式:

(1)

SA与SB分别为两种材料的塞贝克系数。如果SA与SB不随温度的变化而变化,上式即可表示成如下形式:

V=(SB-SA)(T2-T1)

(2)

即如果在金属条或者半导体条两端有温度差,那么温度梯度就会在两端产生电动势。这个电势差和温度梯度成正比。而这个比例系数就是对应材料的Seebeck参数。将多对这样的材料进行组合,就可以大大提高温度梯度向电势差的转化率。通常热电芯片的能量利用率可以达到5%～10%之间。

该芯片有以下优点:器件采用铜为导电电极,并在上下电极间灌注柔性聚合物填充材料,因此器件模块可以随意弯曲,不影响其基本性能;采用纳米光刻及腐蚀工艺,采用工艺简单,制作成本低。可大幅增加器件有效面积。因而制作成阵列式热电模块,可以被广泛应用在制冷、温差转换以及温度传感等领域;与传统的热电模块相比,避免采用陶瓷基底,因而热电器件敏感度高,发电效率更高。

图4 柔性热电芯片

样品图片如图4所示。

主要参数指标如下:

(1)面积约30mm×30mm;

(2)器件内部集成50组热电偶对,材料采用Te/Bi基金属化合物;

(3)10 ℃～15 ℃温差,输出约50mV;

(4)最大输出电流约10mA～15mA;

(5)器件平均功率约100μW～700μW。

2.3 控制电路设计

本设计的控制电路主要是热电转换升压电路,其采用两个LTC3108超低电压升压转换器和变压器将热电芯片的输出电压通过升压电路转换成可输出的较大直流电压,以便通过超级电容进行能量存储来给其他模块提供能量。

稳压模块分别与储能模块,控制模块、LCD显示模块和传感器模块相连,稳压模块对储能模块的输出电能进行稳压处理,并将处理后的电压和电流提供给控制模块、LCD显示模块和传感器模块使用。

稳压模块采用LM2596S降压芯片,该芯片处理范围为:输入电压3.2V～46V,输出电压1.25V～35.00V,而热电转换升压电路中热电芯片的输出电压在20mV～50mV之间;通过升压电路转换,可输出2.0V～4.5V直流电压;通过超级电容进行能量存储。热电转换升压电路原理图5所示。

图5 热电转换升压电路

3 热电式温显系统的软件程序设计

热电式温显系统软件的设计是系统设计成功的关键,软件程序编写采用模块化设计,可以简化设计步骤和便于调试,主要包括电能采集处理程序和LCD温显程序,设计步骤如图6所示。

图6 系统工作总流程图和子流程图

具体分析,温差发电模块采用柔性热电芯片,该器件内部集成50组热电偶对,材料采用Te/Bi基金属化合物;10 ℃～15 ℃温差,输出约50mV;最大输出电流约10mA～15mA;器件平均功率约100μW～700μW。分为2面,一面用于吸收热水温度,一面用于吸收环境温度,从而产生温差。通过温差发电,为整个系统提供电能。

温度传感器[5]与控制模块和稳压模块相连,温度传感器选用DS1820芯片,该芯片的1号口与稳压模块3相连,3号口接地,2号口连接控制模块2P13引脚,通过该端口与控制模块2发送或接收数据。

控制模块采用STC89C51单片机[6],该模块接收传感器模块采集的温度数据,对数据进行分析处理,并将数据发送至LCD显示模块,显示实时水温。

储能模块[7]选择超级电容,该模块分别与稳压模块和温差发电模块相连,针对温差发电输出电压的不稳定,选择容量大充放电速度快的超级电容器对电能进行存储,又对超级电容器的输出做了稳压处理。

稳压模块分别与储能模块,控制模块、LCD显示模块和传感器模块相连,稳压模块对储能模块的输出电能进行稳压处理,并将处理后的电压和电流提供给控制模块、LCD显示模块和传感器模块使用。

LCD显示模块所需电压为5V,数据线DB0～DB7分别接单片机的P0.0～P0.7;RS寄存器选择端,RW读/写信号管脚,EN使能信号端,分别接51单片机的P2.0,P2.1和P2.2管脚。

4 实验结果及分析

测试如下:25 ℃条件下,在杯中倒入热水,截取一段温度变化如表1所示。根据表1用MATLAB[8-9]绘制曲线如图7所示。

表1 25 ℃室温下实时水温测量和热电转换情况

由表1可知,倒入热水开始计时后,水杯内柔性热电芯片先逐渐感应到水温,显示温度慢慢升高,基本稳定,之后随着水温缓缓下降,温度显示逐渐减小,且渐渐趋于平缓。由图7看出,显示水温最终慢慢下降趋于室温,所储存的能量也因温差的减小而逐渐降低。本设计调试过程中主要出现两个问题,先是热电转换芯片的选择,主要有陶瓷热电材料、传统热电材料、柔性热电芯片,相比较于前两种,柔性热点芯片可以随意弯曲,工艺简单,制作成本低。可大幅增加器件有效面积。与传统的热电模块相比,避免采用陶瓷基底,因而热电器件敏感度高,发电效率更高。再者是LCD显示模块,LCD一直保持工作状态,为了节能环保,改进休眠节能,杯子静置时不显示温度。

图7 实时温度及能量转化曲线

5 结论

该水杯利用水杯温差来产生电动势,热水杯的温差可达到15 ℃～20 ℃以上。利用了超级电容的储能特性,可以实时进行能量存储,并在温度测量时提供能量。再通过液晶显示处理后的水温,可以让使用者清楚的看到实时水温,提醒使用者安全饮水,从而达到保健。此外,该水杯温度测量是采用机械式,避免了触摸开关等额外功率消耗以及因此造成的漏电流等,整体温度采集及显示模块的功耗仅0.5 mW。本实用新型设计的产品价格低廉,既环保又经济,对健康饮水起到较好保健提示作用,有良好的市场前景。

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[2] 陶佰睿,顾丁,苗凤娟. 一种基于单片机的湿度传感器校准实验平台设计与实现[J]. 传感技术学报,2013,26(3):435-438.

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Design and Implementation of Thermoelectric Temperature Significant Health Cup*

YEXiaoling*,ZHANGQing,WANGDongjian,YUANBin

(School of Information and Control,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

A thermoelectric temperature glass was designed to avoid bodily injury for drinking overheat or too cold water in unknown circumstances. The realization of software and hardware of the glass are based on the C language and STC89C51 microcontroller. The hardware includes a booster circuit,an energy storage unit and a LCD display module,and the main modules of the software are system initialization,data acquisition and real-time temperature display. Through experimental analysis of the recorded data,and comparing with indoor temperature,it indicates that the hardware and software of the glass can accurately,stably and timely response the change of water temperature,and the glass reached the goal of safe drinking water remind,environmental protection and low-carbon.

the thermoelectric temperature show;STC89C51;flexible thermoelectric chips;DS1820;LM2596S

项目来源:江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目(201310300036Z);江苏省六大人才高峰项目(WLW-021)

2016-03-18 修改日期:2016-04-28

C:8540

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.050

TP202

A

1005-9490(2017)02-0516-05