基于TEC技术的智能温控杯

金方圆 张泽宇 颜钿超 蓝正阳

摘 要：水杯是人们日常生活中最为常见得饮水工具。文章主要介绍了半导体制冷片、半导体制冷片工作的原理和半导体制冷片控制杯中水温的设计。通过半导体制冷片对水温的控制来实现制造冰水和热水的基本功能。即按照温控杯的最大量程和人们对水温的要求等综合确定半导体制冷片工作时的功率，以便实现在短时间内制造冷、热水的效果。首先明确温控杯的量程和半导体制冷片功率大小;除外，根据人们对水温的需求，完成半导体制冷片工作的控制系统;温控杯外围杯壁上装配温度显示器和控制半导体制冷片工作的按钮。

关键词：半导体制冷片;温控杯;控制系统

1 概述

如今，社会的生产力正在飞速地发展，人们的生活也在日益变好。水杯已经不再是只能用于储水的工具，它还可以实现保温，制冷等功能，例如市场上最常见的保温杯和冰沙杯。但随着社会的发展，以及人们对于物质生活要求的提升，市场上那些功能单一，有使用条件限制的杯子已经慢慢地不被人们所满足。目前利用半导体制冷片实现制冷的方法正在被一些領域所广泛应用，而且并不会带来环境污染。随着这种方法不断地被应用，将其应用在杯子上则可实现对杯中水的加热和制冷。

2 温控杯和TEC的概述

2.1 温控杯的基本构造。温控杯是由不锈钢、半导体制冷片、电子控制系统、散热器和塑料作成的盛水的容器。温控杯的硬件配置和电气等同于人体的四肢和大脑一样。成熟利用半导体制冷片制冷的技术显得温控杯的特殊与新颖。温控杯的基础框架为五大系统和两大空间。五大系统分为半导体制冷片制冷和制热的系统、电源系统、温度传感系统、散热系统、控制系统。两大空间则涵盖以下：杯子的内部空间和杯子内杯壁与外杯壁之间的空间。本设计具体功能希望温控杯能实现以下功能：按照使用者对饮用水的需求在5至6分钟内实现对水的制冷或制热。首先明确可以降温或加热到某一温度的范围;其次设计好温度控制系统程序和电源工作程序;外围杯壁上必须装配温度显示器和控制半导体制冷片工作的按钮。温度显示器上可以实时的显示杯中的水温高低，电子控制系统可以准确的控制需要加热或制冷的到达的水温和半导体的工作状态;在半导体制冷片工作的同时散热系统能及时为半导体转移和散发热量;温控杯设有外置电源，可为温控杯随时谁地的供应电能。为此关于温控杯的内部构造及各个系统的功能等的数据，要求设计人员对其有深刻的了解，掌握这些功能后通过编写相关程序以及组装制造杯子来实现上述功能。

2.2  TEC的基本结构。半导体制冷片（TEC），也叫热电制冷片，是一种热泵。由许多N型半导体和P型半导体之颗粒互相排列而成，而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来（陶瓷片必须绝缘且导热良好）。采用半导体制冷片制冷相比较于其他的制冷方式，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。其详细的结构框架图如图所示

2.3 TEC的工作原理。在原理上，半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端;由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。并且半导体制冷片吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定的。但是半导体自身存在电阻当电流经过半导体时就会产生热量，从而会影响热传递。而且两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。通常半导体制冷片冷热端的温差可以达到40～65度之间，如果通过主动散热的方式来降低热端温度，那冷端温度也会相应的下降，从而达到更低的温度。在温控杯中半导体工作时的转移的热量是由风扇来进行散热的。

3 温控杯控制系统设计

3.1 温控杯的工作原理。温控杯就是利用半导体制冷片来转移杯子中水的温度，从而实现对水的制冷制热。其次在杯子的底部设有风扇用于在半导体工作时的散热。

3.2温控杯控制系统的程序系统。使用者在确定好所需求的水温后，接通好电源，启动开关按钮。杯子内部装有的温度检测器会不断地向杯子的控制系统发射温度信号。然后控制系统中的集成电路芯片会根据所得到的温度信号，再对半导体制冷片发出相对应的工作信号。半导体制冷片开始制冷或制热，直至温度达到使用者先前确定好的水温再停止工作，从而满足使用者的需求。

4 结束语

根据人们对于杯子功能的需求，本论文介绍了温控杯的设计原理和主要组成部分以及半导体制冷片的工作原理和基本构成。充分考虑半导体制冷片的制冷制热安全性以及可行性，结合目前市场上的水杯功能以及种类，对水杯的功能进行升级和扩展，从而研发和设计了温控杯。、

参考文献

[1]百度百科  半导体制冷片

[2]张忍  集予PLC电梯控制系统设计