孔迪，王新瑩，張婷，由春秋

（哈爾濱師范大學(xué)，黑龍江哈爾濱， 150025）

0 引言

隨著二胎時(shí)代的到來，當(dāng)今人們生活節(jié)奏越來越快，大家對生活質(zhì)量要求越來越高，需要更方便，更快捷的嬰幼兒產(chǎn)品，奶瓶是父母帶領(lǐng)嬰幼兒外出時(shí)必備的隨身物品。但是攜帶奶瓶過程中總會(huì)產(chǎn)生如下問題：沖奶粉需要熱水但是在戶外很難找到；秋冬季節(jié)外界溫度較低，沖好的奶粉會(huì)受到外界溫度影響迅速降溫，若嬰幼兒再次喝，則需要找到熱水后隔水加熱；剛沖好的奶因?yàn)樗疁靥珷C，不適合嬰幼兒及時(shí)飲用。因此在戶外如何沖泡奶粉，快速降溫、保溫成為最大難題，因此本文設(shè)計(jì)了太陽能智能奶瓶，具有迅速加熱、降溫、保溫的功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

世界衛(wèi)生組織給出沖奶粉最適合的溫度是70℃，因?yàn)?0℃的水溫可以殺死奶粉中容易存在的病菌。而嬰兒要飲用的奶水，40℃最為適宜。在戶外當(dāng)孩子需要喝奶時(shí)，家長把礦泉水倒入奶瓶，啟動(dòng)加熱開關(guān)把水燒開到100℃，然后打開降溫開關(guān)把水降到70℃左右，把奶粉倒入奶瓶沖泡化開，最后打開保溫開關(guān)讓奶水降到40℃左右，這樣就可以給孩子喝了。

本文設(shè)計(jì)一種三層雙真空結(jié)構(gòu)的太陽能充電奶瓶。在戶外利用太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在鋰電池內(nèi)?？紤]到陰天或在室內(nèi)也可給鋰電池充電，系統(tǒng)加了鋰電池充電模塊。用單片機(jī)來控制加熱電路模塊、制冷電路模塊以實(shí)現(xiàn)溫度控制。使用熱電制冷技術(shù)給奶瓶快速降溫。

2 太陽能奶瓶杯體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

奶瓶杯體設(shè)計(jì)分為三層，內(nèi)膽材料可采用304不銹鋼，優(yōu)點(diǎn)是耐高溫，無毒，密度小，內(nèi)膽無縫、密封性能良好。中間層為太陽能電池板，內(nèi)膽與太陽能電池板中間將采用抽真空技術(shù)以起到隔熱作用，奶瓶的最外層是玻璃杯材質(zhì)，玻璃層的內(nèi)側(cè)有吸熱涂層，具有強(qiáng)吸熱聚光的作用，以增強(qiáng)太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率。玻璃層與太陽能電池板間也采用抽真空技術(shù)，起到隔熱防燙的作用。內(nèi)膽底部貼有溫度傳感器、導(dǎo)熱片、制冷金屬片。瓶身有奶水刻度線，溫度顯示屏。整個(gè)電路系統(tǒng)放在奶瓶下面，加熱、降溫、保溫開關(guān)按鈕放在瓶體外側(cè)靠近底部。奶瓶杯體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1和圖2所示。

圖1 外部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

圖2 內(nèi)部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

3 太陽能智能奶瓶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

太陽能智能奶瓶系統(tǒng)框圖如圖3所示，為了更精確的實(shí)現(xiàn)溫度的檢測、控制、顯示，整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)為主控模塊，系統(tǒng)設(shè)有加熱、降溫、保溫3個(gè)按鍵功能開關(guān)，當(dāng)功能按鍵按下時(shí)，單片機(jī)采用PWM技術(shù)控制加熱模塊、制冷模塊以實(shí)現(xiàn)加熱、降溫、保溫的功能。通過溫度傳感器檢測水溫，采用兩個(gè)LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示水溫，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)報(bào)警器會(huì)及時(shí)提醒，同時(shí)系統(tǒng)切斷加熱和制冷開關(guān)。

圖3 太陽能智能奶瓶系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用太陽能電池板或鋰電池充電模塊對鋰電池充電，鋰電池作為整個(gè)系統(tǒng)的直流電源，給加熱模塊、制冷模塊提供直流電，鋰電池還需經(jīng)過電源變換電路對單片機(jī)、溫度顯示、聲音報(bào)警、溫度采集、制冷散熱等電路提供直流電。

■3.1 硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1.1 太陽能電池板的設(shè)計(jì)

考慮奶瓶的制作工藝、重量以及需要較高的太陽能轉(zhuǎn)化效率，本設(shè)計(jì)選擇柔性薄膜砷化鎵太陽能電池板，光電轉(zhuǎn)換效率高于40%，是目前光電轉(zhuǎn)換效率最高的太陽能電池，是作為便攜式能源的首選[1～2]。選用的單片太陽能電池尺寸為10mm×10mm，效率為37.3%～39%，開路電壓為3.05～3.09V，短路電流為6.9～7.1A，太陽能電池板連接電路如圖4所示，D1，D2為防反充二極管。

圖4 太陽能電池板連接電路

3.1.2 鋰電池模塊的設(shè)計(jì)

與蓄電池相比較，鋰電池具有能量密度大，充電次數(shù)多，壽命長，重量輕，體積小的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)選用參數(shù)為“3.6V、9.6Ah”的鋰電池作為充電電池，4節(jié)鋰電池串聯(lián)給加熱模塊、制冷模塊、單片機(jī)控制模塊等整個(gè)電路系統(tǒng)提供直流電[3]。

3.1.3 電源變換電路的設(shè)計(jì)

通過LM2576S-5.0電源轉(zhuǎn)換芯片把12V鋰電池轉(zhuǎn)換為5V，為單片機(jī)、溫度顯示、聲音報(bào)警、溫度采集、制冷散熱等電路提供直流電，電源變換電路如圖5所示。

圖5 電源變換電路

3.1.4 主控模塊與功能電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為主控芯片，系統(tǒng)設(shè)有加熱、降溫、保溫3個(gè)功能按鍵開關(guān)，當(dāng)S2按下時(shí)，水溫加熱到100℃，當(dāng)S3按下時(shí)，水溫降到70℃，當(dāng)S4按下時(shí)，水溫保持在40℃左右。采用DS18B20采集溫度，兩個(gè)LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示水溫，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)蜂鳴器報(bào)警提示，電路如圖6所示。

圖6 主控模塊與功能電路

3.1.5 加熱電路的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)溫度精確控制，采用單片機(jī)脈寬調(diào)制技術(shù)控制加熱電路，加熱電路如圖7所示，場效應(yīng)管IRF740起到高頻開關(guān)作用，導(dǎo)通時(shí)允許流過10A的電流。

圖7 加熱電路

3.1.6 制冷電路的設(shè)計(jì)

為了適于此奶瓶的構(gòu)造，我們使用尺寸小，重量輕，作用快，可靠性高的半導(dǎo)體熱電制冷器[4～6]。制冷片貼在奶瓶內(nèi)膽底部，制冷器下方連接散熱風(fēng)扇，奶瓶下面設(shè)有散熱孔。制冷電路如圖8所示，制冷散熱電路如圖9所示。

圖8 制冷電路

圖9 制冷散熱電路

■3.2 軟件流程的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)果與討論

本文設(shè)計(jì)的奶瓶體積是200ml，若環(huán)境溫度20℃，則200ml水從20℃升高到100℃需要消耗的熱量為4.2×1000×0.2×80＝67200焦，消 耗0.0187度 電，0.0187度=0.0187×1000W時(shí)=18.7W時(shí)=18.7W×60分鐘=112W×10分鐘=224W×5分鐘。所以選用4節(jié)鋰電池串聯(lián)，每節(jié)“3.6V、9.6Ah”，4節(jié)串聯(lián)共138.24W，水燒開需要8分鐘左右。選用市面上常用的SP1848-27145半導(dǎo)體制冷片，200ml水從100℃降到70℃，或從70℃降到40℃制冷時(shí)間大約需要1分鐘。

5 結(jié)論

針對嬰幼兒外出時(shí)能夠及時(shí)喝到奶粉的難題，本文設(shè)計(jì)了一種新型三層雙真空太陽能智能奶瓶。該奶瓶采用高轉(zhuǎn)換率太陽能電池充電，能夠有效利用資源，節(jié)能環(huán)保，具有加熱，降溫，保溫等功能。產(chǎn)品環(huán)保無毒，結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崟r(shí)顯示奶瓶內(nèi)部溫度，戶外使用方便。父母帶孩子外出時(shí)使用此奶瓶，只要身邊有水，就可以隨時(shí)給孩子準(zhǔn)備沖奶粉，并且一直保溫，干凈又方便，此奶瓶具有良好的應(yīng)用前景和實(shí)際意義。