基于帕爾貼元件的貨車駕駛室杯座系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王亞娟 譚永獎(jiǎng) 伍活旺 韋逸帆

陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東省陽江市 529500

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不斷加快和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷升級(jí)，高速公路事業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，使得高附加值的物流運(yùn)輸行業(yè)飛速增長。貨車作為物流運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展的重要載體，目前其駕駛艙內(nèi)未設(shè)有飲用水加熱及制冷系統(tǒng)，另外由于服務(wù)區(qū)的距離通常在100KM左右，不能有效滿足駕駛員對(duì)飲用水的需求。在秋冬兩季長途行駛，現(xiàn)有貨車駕駛室未設(shè)有飲用水加熱功能，無法對(duì)飲用水進(jìn)行及時(shí)加熱，造成貨車司機(jī)不能及時(shí)補(bǔ)充熱開水引起身體不適，繼而影響駕駛技術(shù)狀態(tài)；在炎熱的夏季，尤其是在擁堵路況時(shí)，現(xiàn)有貨車駕駛室未設(shè)有飲用水制冷功能，無法提供冰涼刺激的冷飲，為司機(jī)醒腦提神，提高駕駛注意力。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

2.1 杯座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本貨車駕駛室杯座加熱及制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于使用方便性理念，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要技術(shù)指標(biāo)的制定[1]。該系統(tǒng)由半導(dǎo)體制冷片（帕爾帖元件）、絕緣陶瓷、鋁板、杯座、散熱系統(tǒng)等構(gòu)成（如圖1所示）。它直接利用帕爾帖元件的制冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)飲用水加熱、制冷及恒溫三種功能，不同于一般的制冷技術(shù)，既無污染，又無噪音，并且支持連續(xù)工作；杯座外觀尺寸直徑為12cm、高為10cm；基本上可以滿足貨車司機(jī)日常對(duì)飲用水的個(gè)性化需求[2]。

2.2 帕爾貼元件制冷原理

帕爾貼元件由兩片陶瓷片和夾于其間的N型和P型半導(dǎo)體材料組成，通上12V的直流電后，N型和P型半導(dǎo)體之間產(chǎn)生“帕爾貼效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)對(duì)飲用水進(jìn)行制冷；改變其電流方向，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飲用水進(jìn)行加熱；通過工作電流大小的改變，實(shí)現(xiàn)不同速率的加熱與制冷[3]。

當(dāng)帕爾貼元件上方開啟制冷模式時(shí)，下方就會(huì)產(chǎn)生熱量。在駕駛室杯座上應(yīng)用時(shí)，為了提高加熱或制冷片的工作效率，需要在帕爾貼元件正下方增加散熱裝置，比如散熱風(fēng)扇；另外需要在中控臺(tái)兩側(cè)開辟出相應(yīng)的通風(fēng)孔，對(duì)帕爾貼元件進(jìn)行強(qiáng)制性散熱，從而提高加熱或制冷效果。

圖1 貨車駕駛室杯座結(jié)構(gòu)圖

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ECU(單片機(jī))作為主控制器，可以為帕爾貼元件提供12V直流電，通過電流方向的改變，實(shí)現(xiàn)飲用水的加熱或制冷；接受溫度傳感器采集的飲用水溫度信號(hào)，進(jìn)行分析判斷；為執(zhí)行器尤其是散熱裝置提供信號(hào)，對(duì)帕爾貼元件進(jìn)行散熱。

通過按鍵可設(shè)置飲用水目標(biāo)溫度，設(shè)定后進(jìn)入相應(yīng)的控制模式，LED溫度顯示屏可實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)溫度數(shù)值、實(shí)際溫度數(shù)值及達(dá)到目標(biāo)溫度所需要的時(shí)長。ECU根據(jù)溫度傳感器采集的飲用水溫度信號(hào)，對(duì)比測(cè)量水溫與目標(biāo)水溫，做出判斷分析，從而控制帕爾貼元件進(jìn)行水溫調(diào)節(jié)。當(dāng)飲用水的溫度低于目標(biāo)溫度，啟動(dòng)加熱控制模式；當(dāng)飲用水的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后，啟動(dòng)恒溫控制模式；當(dāng)飲用水的溫度高于目標(biāo)溫度后，啟動(dòng)制冷控制模式[3]。具體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 貨車駕駛室杯座控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過按鍵設(shè)定目標(biāo)溫度，啟動(dòng)系統(tǒng)調(diào)溫模式，杯座對(duì)飲用水的溫度調(diào)節(jié)到目標(biāo)溫度后，進(jìn)入恒溫控制，并在LED顯示出飲用水實(shí)際溫度。軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)論

本貨車駕駛室杯座設(shè)計(jì)采用ECU作為主控制器，使用帕爾貼作為加熱或制冷核心元件，在其外添加裝強(qiáng)制散熱裝置，有效減小其冷熱端溫差。ECU通過溫度傳感器采集的飲用水溫度信號(hào)，對(duì)帕爾貼元件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)加熱、制冷或者恒溫三種控制模式。該系統(tǒng)操作簡單方便，在一定程度上有效提高貨車駕駛員的舒適性。