基于太阳能智能奶瓶控制系统的设计

孔迪，王新莹，张婷，由春秋

（哈尔滨师范大学，黑龙江哈尔滨， 150025）

0 引言

随着二胎时代的到来，当今人们生活节奏越来越快，大家对生活质量要求越来越高，需要更方便，更快捷的婴幼儿产品，奶瓶是父母带领婴幼儿外出时必备的随身物品。但是携带奶瓶过程中总会产生如下问题：冲奶粉需要热水但是在户外很难找到；秋冬季节外界温度较低，冲好的奶粉会受到外界温度影响迅速降温，若婴幼儿再次喝，则需要找到热水后隔水加热；刚冲好的奶因为水温太烫，不适合婴幼儿及时饮用。因此在户外如何冲泡奶粉，快速降温、保温成为最大难题，因此本文设计了太阳能智能奶瓶，具有迅速加热、降温、保温的功能。

1 系统设计思想

世界卫生组织给出冲奶粉最适合的温度是70℃，因为70℃的水温可以杀死奶粉中容易存在的病菌。而婴儿要饮用的奶水，40℃最为适宜。在户外当孩子需要喝奶时，家长把矿泉水倒入奶瓶，启动加热开关把水烧开到100℃，然后打开降温开关把水降到70℃左右，把奶粉倒入奶瓶冲泡化开，最后打开保温开关让奶水降到40℃左右，这样就可以给孩子喝了。

本文设计一种三层双真空结构的太阳能充电奶瓶。在户外利用太阳能电池板将太阳能转化为电能，储存在锂电池内。考虑到阴天或在室内也可给锂电池充电，系统加了锂电池充电模块。用单片机来控制加热电路模块、制冷电路模块以实现温度控制。使用热电制冷技术给奶瓶快速降温。

2 太阳能奶瓶杯体结构的设计

奶瓶杯体设计分为三层，内胆材料可采用304不锈钢，优点是耐高温，无毒，密度小，内胆无缝、密封性能良好。中间层为太阳能电池板，内胆与太阳能电池板中间将采用抽真空技术以起到隔热作用，奶瓶的最外层是玻璃杯材质，玻璃层的内侧有吸热涂层，具有强吸热聚光的作用，以增强太阳能电池板的转换效率。玻璃层与太阳能电池板间也采用抽真空技术，起到隔热防烫的作用。内胆底部贴有温度传感器、导热片、制冷金属片。瓶身有奶水刻度线，温度显示屏。整个电路系统放在奶瓶下面，加热、降温、保温开关按钮放在瓶体外侧靠近底部。奶瓶杯体结构设计如图1和图2所示。

图1 外部设计结构图

图2 内部设计结构图

3 太阳能智能奶瓶系统的设计

太阳能智能奶瓶系统框图如图3所示，为了更精确的实现温度的检测、控制、显示，整个系统以单片机为主控模块，系统设有加热、降温、保温3个按键功能开关，当功能按键按下时，单片机采用PWM技术控制加热模块、制冷模块以实现加热、降温、保温的功能。通过温度传感器检测水温，采用两个LED数码管实时显示水温，当达到目标温度时报警器会及时提醒，同时系统切断加热和制冷开关。

图3 太阳能智能奶瓶系统框图

系统采用太阳能电池板或锂电池充电模块对锂电池充电，锂电池作为整个系统的直流电源，给加热模块、制冷模块提供直流电，锂电池还需经过电源变换电路对单片机、温度显示、声音报警、温度采集、制冷散热等电路提供直流电。

■3.1 硬件电路的设计

3.1.1 太阳能电池板的设计

考虑奶瓶的制作工艺、重量以及需要较高的太阳能转化效率，本设计选择柔性薄膜砷化镓太阳能电池板，光电转换效率高于40%，是目前光电转换效率最高的太阳能电池，是作为便携式能源的首选[1～2]。选用的单片太阳能电池尺寸为10mm×10mm，效率为37.3%～39%，开路电压为3.05～3.09V，短路电流为6.9～7.1A，太阳能电池板连接电路如图4所示，D1，D2为防反充二极管。

图4 太阳能电池板连接电路

3.1.2 锂电池模块的设计

与蓄电池相比较，锂电池具有能量密度大，充电次数多，寿命长，重量轻，体积小的优点，本系统选用参数为“3.6V、9.6Ah”的锂电池作为充电电池，4节锂电池串联给加热模块、制冷模块、单片机控制模块等整个电路系统提供直流电[3]。

3.1.3 电源变换电路的设计

通过LM2576S-5.0电源转换芯片把12V锂电池转换为5V，为单片机、温度显示、声音报警、温度采集、制冷散热等电路提供直流电，电源变换电路如图5所示。

图5 电源变换电路

3.1.4 主控模块与功能电路的设计

本系统以STC89C52单片机为主控芯片，系统设有加热、降温、保温3个功能按键开关，当S2按下时，水温加热到100℃，当S3按下时，水温降到70℃，当S4按下时，水温保持在40℃左右。采用DS18B20采集温度，两个LED数码管实时显示水温，当达到目标温度时蜂鸣器报警提示，电路如图6所示。

图6 主控模块与功能电路

3.1.5 加热电路的设计

为了实现温度精确控制，采用单片机脉宽调制技术控制加热电路，加热电路如图7所示，场效应管IRF740起到高频开关作用，导通时允许流过10A的电流。

图7 加热电路

3.1.6 制冷电路的设计

为了适于此奶瓶的构造，我们使用尺寸小，重量轻，作用快，可靠性高的半导体热电制冷器[4～6]。制冷片贴在奶瓶内胆底部，制冷器下方连接散热风扇，奶瓶下面设有散热孔。制冷电路如图8所示，制冷散热电路如图9所示。

图8 制冷电路

图9 制冷散热电路

■3.2 软件流程的设计

系统软件设计流程如图10所示。

图10 系统软件流程图

4 结果与讨论

本文设计的奶瓶体积是200ml，若环境温度20℃，则200ml水从20℃升高到100℃需要消耗的热量为4.2×1000×0.2×80＝67200焦，消 耗0.0187度 电，0.0187度=0.0187×1000W时=18.7W时=18.7W×60分钟=112W×10分钟=224W×5分钟。所以选用4节锂电池串联，每节“3.6V、9.6Ah”，4节串联共138.24W，水烧开需要8分钟左右。选用市面上常用的SP1848-27145半导体制冷片，200ml水从100℃降到70℃，或从70℃降到40℃制冷时间大约需要1分钟。

5 结论

针对婴幼儿外出时能够及时喝到奶粉的难题，本文设计了一种新型三层双真空太阳能智能奶瓶。该奶瓶采用高转换率太阳能电池充电，能够有效利用资源，节能环保，具有加热，降温，保温等功能。产品环保无毒，结构简单，能够实时显示奶瓶内部温度，户外使用方便。父母带孩子外出时使用此奶瓶，只要身边有水，就可以随时给孩子准备冲奶粉，并且一直保温，干净又方便，此奶瓶具有良好的应用前景和实际意义。