智能调温座椅的设计与制作

丁伟华 范赐伟 康仲杰 陈坤堂 李锦栋

摘  要：日常使用的座椅易出现夏天久坐湿热，冬天冰冷等问题，而智能调温座椅主要利用了51单片机，体积小且环保的半导体制冷片和发热效率高且均匀的陶瓷发热片进行智能调温从而解决此问题。通过调整座椅整体结构和各部分组件的分布，设法控制半导体制冷片的制冷和陶瓷发热片的电路，并且设计出半导体制冷片产热端的散热方案，制作出可智能调温的的座椅。

关键词：51单片机;半导体制冷;调温座椅;陶瓷发热片;温度控制

引言

座椅作为人日常生活中与人接触最多的部件，长期久坐易导致人体出现压疮和湿疹等皮肤疾病，严重的还会阻碍下肢的血液循环、引发心脑血管疾病等严重影响健康问题。本项目从细节着手设计这种智能调温座椅，通过改变温度使皮肤保持干燥，促进人体血液循环，改善人体健康状态。半导体制冷片和陶瓷发热片具有体积小，重量轻，功率小，布置位置灵活，使用寿命长，工作环保无污染等特点，因此用半导体制冷片和陶瓷发热片研究智能调温座椅具有十分实用的价值[1-5]。

1 工作原理

当给座椅供电时，座椅内部测温器开始检测坐垫温度和半导体温度，当坐垫温度高于程序设定的人体舒适温度时，利用半导体制冷片的热电制冷现象，以单片机作为主板控制件使半导体开始制冷，当半导体制冷时其热端的温度高于程序设定的温度时，热端的产生的热量由水冷头、水泵、带散热风扇的水冷散热器和硅胶水管组成的散热系统进行水冷和风冷混合散热，以保证半导体的制冷电堆的热量不断地被散热系统吸收并排走，使冷热端保持一定的温差，最终使得半导体制冷端能持续制冷从而冷降低座椅温度[6-7];当温度低于程序设定的人体舒适温度时，由单片机控制陶瓷发热片进行制热，使坐垫温度回升至预设定的温度。

2 智能调温座椅的设计

2.1 座椅调温元件的选择

研制的智能调温座椅选用2块48W规格为40*40*3.6mm的TEC1-12706半导体制冷片和一片40*40*2mm的XH-RJ陶瓷发热片，需要制冷时两片制冷片同时工作陶瓷发热片不工作，此时座椅功率为96W，当需要制热时，只有陶瓷发热片工作，此时座椅功率仅为48W，当达预设温度时功率为0W。

2.2 制冷片产热端散热方案的设计

半导体制冷效果是否好与其产热端的散热效果的好坏有直接的关系。半導体制冷片的热端与铝制水冷板间用导热硅脂传热，用水冷硅胶管把水冷板，微型带水冷散热器的散热风扇和微型水泵接通并通入冷却水。进行散热工作时，水冷板会直接吸收半导体热端的热量再传给水冷板中的冷却液，冷却液在水冷板，微型供压水泵，水冷硅管和带散热风扇水的散热器中循环流动，最终通过散热风扇把热量传到空气中。

2.3 控制调温元件的控制电路设计

温度传感器选用常用的DS18B20，它具有体积小，硬件连接简单，抗干扰能力强，精度高，独特的单线接口方式，使DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，且其测温范围广（其测温范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃时精度为±0.5℃）[8]，通过预先在51单片机中编好的程序，以实现对整机工作件的实时调控由程序控制温度的变化，保证温度的稳定。单片机上电复位后默认的稳定温度为33度。此值可以由用户通过座椅上的软键盘重新设定，可调温范围为26.6℃～40℃。在主函数的死循环中不断扫描座椅的温度及其它的温度值，并根据此值不断调整PWM信号的输出，从而达到调整制冷片或制热片的的功率，实现调温的功用。另外也可以通过键盘的输入控制LCD1602显示各种调温过程中的各种参数，再反馈到单片机芯片，经由预先设定的程序进行调节半导体制冷片产生的温度。调温控制电路图如图1所示。

2.4 座椅整体结构（如图2、图3所示）

3 座椅工作稳定性的测试

座椅在有人坐着的状态下测试结果如下：调温范围为26.6℃～40℃，调温精度可达±1℃，冬季坐垫表面温度从26.5℃升高至33.3℃，所需时间为9分钟，夏季坐垫表面温度从40.9℃下降至33.1℃，所需时间为16分钟。经进行多次温度测试统计分析，坐垫与人体接触发生热传递使坐垫表面温度达31℃左右，平均每分钟可升温0.5℃，可降温0.43℃。

4 结束语

文章针对半导体制冷片体积小又环保和陶瓷发热片具有良好的发热效率的特点，设计了智能调温座椅。设计并制作的半导体散热系统工作良好，能持续制冷且智能调温元件的控制电路工作稳定，并能及时根据人的意愿合理利用半导体制冷片产生的冷气以及陶瓷发热片产生的热气调节座椅表面的温度，提高座椅的舒适性，改善人体因长期久坐造成血液循环不佳等问题。研究团队针对原方案可能存在的不足进行了反复的调试和改进，并成功设计和制作出智能调温座椅的样机，它能够实现智能调控座椅坐垫表面温度。

参考文献

[1]李莉莉.汽车调温座椅的设计与研究[D].北京：华北电力大学，2013.

[2]黄斌，罗新星.一种可冷热调节的汽车座垫[P].中国专利：20092024

3703.1，2011-3-6.

[3]王伟.一种汽车透气冷热座垫[P].中国专利：201420526767.3，2014

-12-31.

[4]吴俊国.多用途半导体冷暖坐垫[P].中国专利：200520044019.2，20

06-9-6.

[5]谬亚芹，刘永顺，胡为祥.半导体调温座椅用于电动汽车的可行性分析[J].南京工业职业技术学院学报，2013，13（4）：16-18.

[6]戴源德，温鸿，于娜，等.热管散热半导体制冷系统的实验研究[J].南昌大学学报：工科版，2013，35（1）：54-57.

[7]徐德胜，刘贻苓，何  问.半导体制冷与应用技术（第2版）[M].上海：上海交通大学出版社，1999：1-11.

[8]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2013：342-349.