彭 情

（廣西水利電力職業(yè)技術學院，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)、機場地勤、外賣小哥、快遞員等。長時間在高溫環(huán)境工作會引起人體產(chǎn)生缺氧、頭暈乏力、抗負荷耐力降低、注意力分散、反應靈活性下降、熱射病等現(xiàn)象，影響人體的機能、情緒和精神，工作效率和安全也大大降低[1]。近年來，國內(nèi)外對人體冷卻系統(tǒng)開展了廣泛的研宄，目前人體降溫服已應用于航空航天、醫(yī)療、軍事、工業(yè)等各個方面[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、微型風扇制冷、冰袋制冷和熱電制冷等。

由于技術等限制，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；填充冰塊式制冷服，溫度不但不可調(diào)節(jié)，而且維持時間短，直接長期接觸冰塊對皮膚也造成傷害[3]。針對上述問題，研發(fā)設計了一款基于半導體制冷片制冷的可穿戴降溫服，為使用者帶來使用方便、體驗良好的降溫效果。本項目采用型號為TEC1-12706 的半導體制冷片作為制冷的核心部件，以STC15W4K56S4 單片機作為主控芯片，實現(xiàn)對電源系統(tǒng)、微型水泵、散熱風扇、半導體制冷片功率等整個系統(tǒng)的智能化控制，優(yōu)化制冷效率，減輕體積和重量，達到人體降溫的效果。

1 半導體熱電制冷原理

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

2 總體方案設計

2.1 液冷循環(huán)系統(tǒng)設計

基于半導體制冷的降溫服主要由智能控制器、散熱器、半導體制冷片、水冷頭、水泵、降溫服本體、超聲波霧化器、儲水器、開關裝置、外箱體、電動閥、液體循環(huán)單元等多個部分組成。液冷循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)造原理如圖1 所示，主要利用半導體制冷片對水冷頭進行冷卻，水冷頭與半導體制冷片冷面緊緊相貼確保制冷傳導效果，水冷頭通過軟管與儲水器相連。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衣服內(nèi)部進行循環(huán)冷卻，另一路分流進霧化器的進水端。衣服內(nèi)部敷設有硅膠軟管，冷卻后的液體通過硅膠軟管流向衣服各部位，從而達到降低人體溫度的效果。霧化器的進水端需要電動閥控制流速，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口位置，采用超聲波原理對液體進行霧化，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)設計

基于半導體制冷的降溫服系統(tǒng)整體設計方案如圖2 所示，主要電池、控制器、半導體制冷片、散熱器、水泵、電動閥、霧化片、溫度傳感器等組成?？刂破魇且許TC15W4K56S4 單片機作為主控芯片，采用規(guī)格型號為DS18B20 的數(shù)字溫度傳感器，對降溫服內(nèi)的實時溫度情況進行采集，并將溫度信號傳送給單片機。單片機通過軟件程序?qū)τ脩粼O定溫度與檢測溫度的差值進行比較，根據(jù)差值的大小和正負關系來確定是否啟動降溫制冷以及降溫制冷的強度。降溫服使用半導體制冷片作為核心部件進行制冷。

圖2 整體結(jié)構(gòu)設計框圖

3 硬件電路設計

3.1 主控制器模塊

主控制器模塊是以STC15W4K56S4 單片機作為主控芯片。STC15W4K56S4 具有較強的信息處理能力、運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體制冷的降溫服設計需要。STC15W4K56S4 單片機內(nèi)部資源相當豐富，具有56K 字節(jié)的程序存儲器，同時還擁有4096 字節(jié)的RAM 數(shù)據(jù)存儲器，共有7 個定時器及計數(shù)器，其中5個為16 位可重裝定時器及計數(shù)器，極大滿足運算及控制需求；超高速四串口/UART，擁有四個完全獨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 時鐘的高可靠復位電路，而且能夠滿足2.5～5.5 V 寬工作電壓范圍。因此，STC15W4K56S4 單片機能非常好地滿足對溫度采集、溫度控制及顯示、鍵盤輸入、半導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)復位電路和工作電源，單片機就能正常穩(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

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

圖4 溫度測量模塊電路圖

3.3 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊主要用于顯示基于半導體制冷的降溫服設定溫度、工作時間、電量、續(xù)航時間、實時檢測到的溫度值等基本信息?？紤]到可穿戴領域要求體積小、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)勢的新型顯示技術，具有對比度高、屏幕薄且輕，適合應用于便攜設備，可以制作成撓曲式面板，適合快速動態(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)動芯片、GT20L16S1Y 字庫芯片等。OLED 液晶屏其與STC15W4K56S4 單片機硬件連接電路如圖5 所示。

圖5 OLED 液晶屏硬件電路圖

3.4 溫度調(diào)控模塊

由于基于半導體制冷的降溫服主控芯片STC15-W4K56S 的工作電壓為5 V，而半導體制冷片TEC1-12706 的工作電壓為12 V，因此不能直接控制制冷片工作。單片機通過繼電器去對制冷片、循環(huán)水泵、電動閥的工作狀態(tài)進行控制，進而達到調(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 單片機通過控制三極管Q1 的開斷來控制繼電器K1 觸點的通斷，進而控制制冷片的工作狀態(tài)。對循環(huán)水泵、電動閥的控制方式與電路接線與半導體制冷片類似。

圖6 溫度調(diào)控模塊電路圖

3.5 半導體制冷模塊設計

基于半導體制冷的降溫服采用型號為TEC1-12706 的半導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 半導體制冷片形成背靠背的結(jié)構(gòu)。兩片半導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。半導體制冷片在通入直流電后，熱量會快速從冷面?zhèn)鞯綗崦?，一面會發(fā)熱，另一面會發(fā)冷，因此，需要在半導體制冷片的發(fā)熱那面安裝散熱片和散熱風扇，并涂抹導熱硅脂，使得熱面的溫度及時散發(fā)出去，防止半導體制冷片燒壞，保證制冷片工作正常。整套半導體制冷模塊的實物如圖7 所示。

4 系統(tǒng)軟件設計

基于半導體制冷的降溫服利用STC15W4K56S4單片機控制程序?qū)φ捉禍刂评湎到y(tǒng)進行監(jiān)測和控制，需要設計的軟件程序包括測量溫度子程序、線上溫度子程序、設定溫度子程序、制冷子程序等。采用DS18B20 型溫度傳感器采集溫度信息，STC15W4K56S4單片機將采集到的實時溫度數(shù)據(jù)與設定溫度值進行比較，根據(jù)溫度差值決定是否啟動制冷系統(tǒng)工作，同時將設定溫度與傳感器實時采集溫度值通過OLED屏進行顯示。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 實驗數(shù)據(jù)分析

硬件電路及軟件程序設計完成后，對全套可穿戴降溫服實物設備進行安裝與調(diào)試，如圖9 所示。通過實驗，測試基于半導體制冷的降溫服的制冷降溫效果，測試時環(huán)境溫度為28.5 ℃，降溫服的降溫設定溫度設置為20.0 ℃。測試數(shù)據(jù)記錄方案為每1 min 記錄一次降溫服的實際溫度，直至實測溫度與目標設定溫度基本一致。

圖9 基于半導體制冷的降溫服安裝實物圖

制冷降溫時間曲線如圖10 所示，基于半導體制冷的降溫服的實測溫度在14 min 左右下降到了設定的溫度值，共降溫8.5 ℃。從制冷降溫時間曲線圖可以看出，降溫服從啟動到降溫至22 ℃時耗時5～6 min左右，在這段時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 制冷降溫時間曲線圖

6 結(jié)語

基于半導體制冷的降溫服使用半導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。針對臉部及頭部區(qū)域，在衣領位置安裝霧化器進行降溫，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?；诎雽w制冷的降溫服結(jié)合電子電路，以STC15W4K56S4 單片機為控制核心，設計了溫度采集模塊、溫度調(diào)控模塊、半導體制冷模塊、OLED 液晶屏顯示模塊等多硬件模塊于一體的半導體制冷自動控制循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用DS18B20 型傳感器監(jiān)測降溫服溫度，并與用戶目標設定的溫度進行比較，比較溫差結(jié)果作為半導體制冷循環(huán)系統(tǒng)是否啟動制冷工作的判定依據(jù)，實現(xiàn)制冷溫度的自動調(diào)控。經(jīng)過實驗測試和試用體驗表明，本基于半導體制冷的降溫服具有降溫速度快、降溫效果好、自動調(diào)節(jié)溫度等優(yōu)點，在理想狀況下溫度波動小于±1 ℃，能夠滿足多場景高溫工作者的降溫需求，保護作業(yè)人員的身體健康，降低高溫中暑風險。