基于半導(dǎo)體制冷的可穿戴降溫服設(shè)計(jì)

彭 情

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

在炎熱的夏天，目前有很多行業(yè)工作人員需要在高溫下進(jìn)行工作，如建筑工人、電力檢修人員、交警、消防、保安、環(huán)衛(wèi)、機(jī)場地勤、外賣小哥、快遞員等。長時(shí)間在高溫環(huán)境工作會(huì)引起人體產(chǎn)生缺氧、頭暈乏力、抗負(fù)荷耐力降低、注意力分散、反應(yīng)靈活性下降、熱射病等現(xiàn)象，影響人體的機(jī)能、情緒和精神，工作效率和安全也大大降低[1]。近年來，國內(nèi)外對(duì)人體冷卻系統(tǒng)開展了廣泛的研宄，目前人體降溫服已應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、軍事、工業(yè)等各個(gè)方面[2]。人體降溫服根據(jù)所使用的冷卻介質(zhì)的不同，冷卻服可以分為液體冷卻服、氣體冷卻服和相變材料冷卻服。根據(jù)制冷方式的不同，可以分為壓縮式制冷、相變材料（PCM）制冷、微型風(fēng)扇制冷、冰袋制冷和熱電制冷等。

由于技術(shù)等限制，目前各種降溫服存在著某些缺陷，例如通過空氣壓縮制冷的降溫背心成本高、重量大，不便移動(dòng)；填充冰塊式制冷服，溫度不但不可調(diào)節(jié)，而且維持時(shí)間短，直接長期接觸冰塊對(duì)皮膚也造成傷害[3]。針對(duì)上述問題，研發(fā)設(shè)計(jì)了一款基于半導(dǎo)體制冷片制冷的可穿戴降溫服，為使用者帶來使用方便、體驗(yàn)良好的降溫效果。本項(xiàng)目采用型號(hào)為TEC1-12706 的半導(dǎo)體制冷片作為制冷的核心部件，以STC15W4K56S4 單片機(jī)作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)、微型水泵、散熱風(fēng)扇、半導(dǎo)體制冷片功率等整個(gè)系統(tǒng)的智能化控制，優(yōu)化制冷效率，減輕體積和重量，達(dá)到人體降溫的效果。

1 半導(dǎo)體熱電制冷原理

熱電制冷又稱作半導(dǎo)體制冷、帕爾帖制冷或溫差電制冷，是在帕爾貼（Peltier）效應(yīng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型制冷技術(shù)[4]。熱電制冷最基本的元器件是熱電偶對(duì)，即由P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體組成的結(jié)構(gòu)整體。在半導(dǎo)體的冷端，電流從N 型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體，電子吸收熱量并帶走導(dǎo)致溫度下降;在半導(dǎo)體的熱端，電流從P 型半導(dǎo)體流向N 型半導(dǎo)體，向環(huán)境中散發(fā)熱量導(dǎo)致溫度升高，一般需要利用熱管、風(fēng)扇等裝置向外界環(huán)境散熱[5-6]。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 液冷循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于半導(dǎo)體制冷的降溫服主要由智能控制器、散熱器、半導(dǎo)體制冷片、水冷頭、水泵、降溫服本體、超聲波霧化器、儲(chǔ)水器、開關(guān)裝置、外箱體、電動(dòng)閥、液體循環(huán)單元等多個(gè)部分組成。液冷循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)造原理如圖1 所示，主要利用半導(dǎo)體制冷片對(duì)水冷頭進(jìn)行冷卻，水冷頭與半導(dǎo)體制冷片冷面緊緊相貼確保制冷傳導(dǎo)效果，水冷頭通過軟管與儲(chǔ)水器相連。冷卻后的液體通過水泵后利用二分接頭一分為二，一路流進(jìn)衣服內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)冷卻，另一路分流進(jìn)霧化器的進(jìn)水端。衣服內(nèi)部敷設(shè)有硅膠軟管，冷卻后的液體通過硅膠軟管流向衣服各部位，從而達(dá)到降低人體溫度的效果。霧化器的進(jìn)水端需要電動(dòng)閥控制流速，用來防止霧化器的液體流量過多而溢出。霧化器主要安裝在降溫服領(lǐng)口位置，采用超聲波原理對(duì)液體進(jìn)行霧化，產(chǎn)生的水霧使得穿戴者的臉部及頭部周圍的溫度快速降低。通過降溫服內(nèi)部管道液冷循環(huán)降溫和霧化器霧化水分子降溫的雙重作用，達(dá)到了快速降溫的效果。

圖1 液冷循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)造原理圖

2.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于半導(dǎo)體制冷的降溫服系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖2 所示，主要電池、控制器、半導(dǎo)體制冷片、散熱器、水泵、電動(dòng)閥、霧化片、溫度傳感器等組成?？刂破魇且許TC15W4K56S4 單片機(jī)作為主控芯片，采用規(guī)格型號(hào)為DS18B20 的數(shù)字溫度傳感器，對(duì)降溫服內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度情況進(jìn)行采集，并將溫度信號(hào)傳送給單片機(jī)。單片機(jī)通過軟件程序?qū)τ脩粼O(shè)定溫度與檢測(cè)溫度的差值進(jìn)行比較，根據(jù)差值的大小和正負(fù)關(guān)系來確定是否啟動(dòng)降溫制冷以及降溫制冷的強(qiáng)度。降溫服使用半導(dǎo)體制冷片作為核心部件進(jìn)行制冷。

圖2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主控制器模塊

主控制器模塊是以STC15W4K56S4 單片機(jī)作為主控芯片。STC15W4K56S4 具有較強(qiáng)的信息處理能力、運(yùn)算能力和豐富的各類接口資源，其內(nèi)部資源與接口資源能充分滿足基于半導(dǎo)體制冷的降溫服設(shè)計(jì)需要。STC15W4K56S4 單片機(jī)內(nèi)部資源相當(dāng)豐富，具有56K 字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，同時(shí)還擁有4096 字節(jié)的RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，共有7 個(gè)定時(shí)器及計(jì)數(shù)器，其中5個(gè)為16 位可重裝定時(shí)器及計(jì)數(shù)器，極大滿足運(yùn)算及控制需求；超高速四串口/UART，擁有四個(gè)完全獨(dú)立的高速異步串行通信口，有效滿足各類通信情況；8通道10 位高速高精度ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換的速度可達(dá)到30 萬次/秒；2 路CCP/PCA/PWM、6 路帶死區(qū)控制的專用PWM，PWM 控制性能出色，能很好滿足本次制冷功率及溫度的控制要求；內(nèi)部已經(jīng)集成了高精度R/C 時(shí)鐘的高可靠復(fù)位電路，而且能夠滿足2.5～5.5 V 寬工作電壓范圍。因此，STC15W4K56S4 單片機(jī)能非常好地滿足對(duì)溫度采集、溫度控制及顯示、鍵盤輸入、半導(dǎo)體制冷模塊功率控制、液體循環(huán)速度控制、霧化效果控制等功能。STC15W4K56S4 單片機(jī)最小穩(wěn)定工作系統(tǒng)的電路較為簡單，只需要提供外部晶振電路、系統(tǒng)復(fù)位電路和工作電源，單片機(jī)就能正常穩(wěn)定工作，其最小系統(tǒng)的電路如圖3 所示。

圖3 STC15W4K56S4 最小系統(tǒng)工作電路圖

3.2 溫度采集模塊

基于半導(dǎo)體制冷的降溫服采用DALLAS 公司的小型溫度傳感器DS18B20 檢測(cè)降溫服本體溫度信息。DS18B20 溫度傳感器可以檢測(cè)從-55 ℃～+125 ℃區(qū)域范圍，測(cè)量誤差僅為±0.5 ℃，完全滿足本降溫服的設(shè)計(jì)需要。溫度采集模塊由DS18B20 傳感器及STC15W4K56S4 單片機(jī)連接組成，接線電路如圖4 所示。DS18B20 傳感器把采集到的型號(hào)情況通過數(shù)據(jù)引腳端口傳送到STC15W4K56S4 單片機(jī)接口，單片機(jī)接收溫度信息并進(jìn)行處理，得到實(shí)際溫度數(shù)據(jù)。

圖4 溫度測(cè)量模塊電路圖

3.3 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊主要用于顯示基于半導(dǎo)體制冷的降溫服設(shè)定溫度、工作時(shí)間、電量、續(xù)航時(shí)間、實(shí)時(shí)檢測(cè)到的溫度值等基本信息?？紤]到可穿戴領(lǐng)域要求體積小、功耗低、亮度高等因素，因此采用0.91 寸OLED液晶屏作為顯示模塊。OLED 顯示屏是一種具有明顯優(yōu)勢(shì)的新型顯示技術(shù)，具有對(duì)比度高、屏幕薄且輕，適合應(yīng)用于便攜設(shè)備，可以制作成撓曲式面板，適合快速動(dòng)態(tài)顯示，通信協(xié)議為I2C/SPI，模塊上通常通常已經(jīng)做好了外圍電路，用戶可以直接使用，例如已經(jīng)安裝SSD1306 驅(qū)動(dòng)芯片、GT20L16S1Y 字庫芯片等。OLED 液晶屏其與STC15W4K56S4 單片機(jī)硬件連接電路如圖5 所示。

圖5 OLED 液晶屏硬件電路圖

3.4 溫度調(diào)控模塊

由于基于半導(dǎo)體制冷的降溫服主控芯片STC15-W4K56S 的工作電壓為5 V，而半導(dǎo)體制冷片TEC1-12706 的工作電壓為12 V，因此不能直接控制制冷片工作。單片機(jī)通過繼電器去對(duì)制冷片、循環(huán)水泵、電動(dòng)閥的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到調(diào)控制冷溫度的目的。如圖6 為溫度調(diào)控電路圖，STC15W4K56S4 單片機(jī)的輸出口連接電路的J1 端口，制冷片的兩端與電路的J2 相連。STC15W4K56S4 單片機(jī)通過控制三極管Q1 的開斷來控制繼電器K1 觸點(diǎn)的通斷，進(jìn)而控制制冷片的工作狀態(tài)。對(duì)循環(huán)水泵、電動(dòng)閥的控制方式與電路接線與半導(dǎo)體制冷片類似。

圖6 溫度調(diào)控模塊電路圖

3.5 半導(dǎo)體制冷模塊設(shè)計(jì)

基于半導(dǎo)體制冷的降溫服采用型號(hào)為TEC1-12706 的半導(dǎo)體制冷片作為制冷的核心部件。為了提高制冷效果，采用2 片TEC1-12706 半導(dǎo)體制冷片形成背靠背的結(jié)構(gòu)。兩片半導(dǎo)體制冷片都是按冷面朝內(nèi)，熱面朝外的方式安裝，使得夾在最中間的水冷頭的兩側(cè)都能受到制冷片的降溫。半導(dǎo)體制冷片在通入直流電后，熱量會(huì)快速從冷面?zhèn)鞯綗崦妫幻鏁?huì)發(fā)熱，另一面會(huì)發(fā)冷，因此，需要在半導(dǎo)體制冷片的發(fā)熱那面安裝散熱片和散熱風(fēng)扇，并涂抹導(dǎo)熱硅脂，使得熱面的溫度及時(shí)散發(fā)出去，防止半導(dǎo)體制冷片燒壞，保證制冷片工作正常。整套半導(dǎo)體制冷模塊的實(shí)物如圖7 所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于半導(dǎo)體制冷的降溫服利用STC15W4K56S4單片機(jī)控制程序?qū)φ捉禍刂评湎到y(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，需要設(shè)計(jì)的軟件程序包括測(cè)量溫度子程序、線上溫度子程序、設(shè)定溫度子程序、制冷子程序等。采用DS18B20 型溫度傳感器采集溫度信息，STC15W4K56S4單片機(jī)將采集到的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)溫度差值決定是否啟動(dòng)制冷系統(tǒng)工作，同時(shí)將設(shè)定溫度與傳感器實(shí)時(shí)采集溫度值通過OLED屏進(jìn)行顯示。系統(tǒng)軟件的程序流程圖見圖8 所示。

圖8 控制程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

硬件電路及軟件程序設(shè)計(jì)完成后，對(duì)全套可穿戴降溫服實(shí)物設(shè)備進(jìn)行安裝與調(diào)試，如圖9 所示。通過實(shí)驗(yàn)，測(cè)試基于半導(dǎo)體制冷的降溫服的制冷降溫效果，測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度為28.5 ℃，降溫服的降溫設(shè)定溫度設(shè)置為20.0 ℃。測(cè)試數(shù)據(jù)記錄方案為每1 min 記錄一次降溫服的實(shí)際溫度，直至實(shí)測(cè)溫度與目標(biāo)設(shè)定溫度基本一致。

圖9 基于半導(dǎo)體制冷的降溫服安裝實(shí)物圖

制冷降溫時(shí)間曲線如圖10 所示，基于半導(dǎo)體制冷的降溫服的實(shí)測(cè)溫度在14 min 左右下降到了設(shè)定的溫度值，共降溫8.5 ℃。從制冷降溫時(shí)間曲線圖可以看出，降溫服從啟動(dòng)到降溫至22 ℃時(shí)耗時(shí)5～6 min左右，在這段時(shí)間里降溫服的降溫曲線較陡，降溫速度較快。在降溫到22 ℃以后，降溫速度變得比較慢，降溫曲線變得緩和，然后逐漸穩(wěn)定在20 ℃左右，降溫效果良好。

圖10 制冷降溫時(shí)間曲線圖

6 結(jié)語

基于半導(dǎo)體制冷的降溫服使用半導(dǎo)體制冷片作為核心制冷源，使用水作為冷卻循環(huán)介質(zhì)，通過冷卻液在衣服本體硅膠管的內(nèi)部循環(huán)，帶走人體新陳代謝熱量。針對(duì)臉部及頭部區(qū)域，在衣領(lǐng)位置安裝霧化器進(jìn)行降溫，用冷卻后的霧化水分子散熱，讓臉部頭部區(qū)域更好的降溫體驗(yàn)?；诎雽?dǎo)體制冷的降溫服結(jié)合電子電路，以STC15W4K56S4 單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了溫度采集模塊、溫度調(diào)控模塊、半導(dǎo)體制冷模塊、OLED 液晶屏顯示模塊等多硬件模塊于一體的半導(dǎo)體制冷自動(dòng)控制循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用DS18B20 型傳感器監(jiān)測(cè)降溫服溫度，并與用戶目標(biāo)設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，比較溫差結(jié)果作為半導(dǎo)體制冷循環(huán)系統(tǒng)是否啟動(dòng)制冷工作的判定依據(jù)，實(shí)現(xiàn)制冷溫度的自動(dòng)調(diào)控。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和試用體驗(yàn)表明，本基于半導(dǎo)體制冷的降溫服具有降溫速度快、降溫效果好、自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度等優(yōu)點(diǎn)，在理想狀況下溫度波動(dòng)小于±1 ℃，能夠滿足多場景高溫工作者的降溫需求，保護(hù)作業(yè)人員的身體健康，降低高溫中暑風(fēng)險(xiǎn)。