基于半导体制冷的可穿戴降温服设计

彭 情

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023）

0 引言

在炎热的夏天，目前有很多行业工作人员需要在高温下进行工作，如建筑工人、电力检修人员、交警、消防、保安、环卫、机场地勤、外卖小哥、快递员等。长时间在高温环境工作会引起人体产生缺氧、头晕乏力、抗负荷耐力降低、注意力分散、反应灵活性下降、热射病等现象，影响人体的机能、情绪和精神，工作效率和安全也大大降低[1]。近年来，国内外对人体冷却系统开展了广泛的研宄，目前人体降温服已应用于航空航天、医疗、军事、工业等各个方面[2]。人体降温服根据所使用的冷却介质的不同，冷却服可以分为液体冷却服、气体冷却服和相变材料冷却服。根据制冷方式的不同，可以分为压缩式制冷、相变材料（PCM）制冷、微型风扇制冷、冰袋制冷和热电制冷等。

由于技术等限制，目前各种降温服存在着某些缺陷，例如通过空气压缩制冷的降温背心成本高、重量大，不便移动；填充冰块式制冷服，温度不但不可调节，而且维持时间短，直接长期接触冰块对皮肤也造成伤害[3]。针对上述问题，研发设计了一款基于半导体制冷片制冷的可穿戴降温服，为使用者带来使用方便、体验良好的降温效果。本项目采用型号为TEC1-12706 的半导体制冷片作为制冷的核心部件，以STC15W4K56S4 单片机作为主控芯片，实现对电源系统、微型水泵、散热风扇、半导体制冷片功率等整个系统的智能化控制，优化制冷效率，减轻体积和重量，达到人体降温的效果。

1 半导体热电制冷原理

热电制冷又称作半导体制冷、帕尔帖制冷或温差电制冷，是在帕尔贴（Peltier）效应的基础上发展起来的一种新型制冷技术[4]。热电制冷最基本的元器件是热电偶对，即由P 型半导体和N 型半导体组成的结构整体。在半导体的冷端，电流从N 型半导体流向P型半导体，电子吸收热量并带走导致温度下降;在半导体的热端，电流从P 型半导体流向N 型半导体，向环境中散发热量导致温度升高，一般需要利用热管、风扇等装置向外界环境散热[5-6]。

2 总体方案设计

2.1 液冷循环系统设计

基于半导体制冷的降温服主要由智能控制器、散热器、半导体制冷片、水冷头、水泵、降温服本体、超声波雾化器、储水器、开关装置、外箱体、电动阀、液体循环单元等多个部分组成。液冷循环系统的构造原理如图1 所示，主要利用半导体制冷片对水冷头进行冷却，水冷头与半导体制冷片冷面紧紧相贴确保制冷传导效果，水冷头通过软管与储水器相连。冷却后的液体通过水泵后利用二分接头一分为二，一路流进衣服内部进行循环冷却，另一路分流进雾化器的进水端。衣服内部敷设有硅胶软管，冷却后的液体通过硅胶软管流向衣服各部位，从而达到降低人体温度的效果。雾化器的进水端需要电动阀控制流速，用来防止雾化器的液体流量过多而溢出。雾化器主要安装在降温服领口位置，采用超声波原理对液体进行雾化，产生的水雾使得穿戴者的脸部及头部周围的温度快速降低。通过降温服内部管道液冷循环降温和雾化器雾化水分子降温的双重作用，达到了快速降温的效果。

图1 液冷循环系统的构造原理图

2.2 整体结构设计

基于半导体制冷的降温服系统整体设计方案如图2 所示，主要电池、控制器、半导体制冷片、散热器、水泵、电动阀、雾化片、温度传感器等组成。控制器是以STC15W4K56S4 单片机作为主控芯片，采用规格型号为DS18B20 的数字温度传感器，对降温服内的实时温度情况进行采集，并将温度信号传送给单片机。单片机通过软件程序对用户设定温度与检测温度的差值进行比较，根据差值的大小和正负关系来确定是否启动降温制冷以及降温制冷的强度。降温服使用半导体制冷片作为核心部件进行制冷。

图2 整体结构设计框图

3 硬件电路设计

3.1 主控制器模块

主控制器模块是以STC15W4K56S4 单片机作为主控芯片。STC15W4K56S4 具有较强的信息处理能力、运算能力和丰富的各类接口资源，其内部资源与接口资源能充分满足基于半导体制冷的降温服设计需要。STC15W4K56S4 单片机内部资源相当丰富，具有56K 字节的程序存储器，同时还拥有4096 字节的RAM 数据存储器，共有7 个定时器及计数器，其中5个为16 位可重装定时器及计数器，极大满足运算及控制需求；超高速四串口/UART，拥有四个完全独立的高速异步串行通信口，有效满足各类通信情况；8通道10 位高速高精度ADC 模数转换器，转换的速度可达到30 万次/秒；2 路CCP/PCA/PWM、6 路带死区控制的专用PWM，PWM 控制性能出色，能很好满足本次制冷功率及温度的控制要求；内部已经集成了高精度R/C 时钟的高可靠复位电路，而且能够满足2.5～5.5 V 宽工作电压范围。因此，STC15W4K56S4 单片机能非常好地满足对温度采集、温度控制及显示、键盘输入、半导体制冷模块功率控制、液体循环速度控制、雾化效果控制等功能。STC15W4K56S4 单片机最小稳定工作系统的电路较为简单，只需要提供外部晶振电路、系统复位电路和工作电源，单片机就能正常稳定工作，其最小系统的电路如图3 所示。

图3 STC15W4K56S4 最小系统工作电路图

3.2 温度采集模块

基于半导体制冷的降温服采用DALLAS 公司的小型温度传感器DS18B20 检测降温服本体温度信息。DS18B20 温度传感器可以检测从-55 ℃～+125 ℃区域范围，测量误差仅为±0.5 ℃，完全满足本降温服的设计需要。温度采集模块由DS18B20 传感器及STC15W4K56S4 单片机连接组成，接线电路如图4 所示。DS18B20 传感器把采集到的型号情况通过数据引脚端口传送到STC15W4K56S4 单片机接口，单片机接收温度信息并进行处理，得到实际温度数据。

图4 温度测量模块电路图

3.3 液晶显示模块

液晶显示模块主要用于显示基于半导体制冷的降温服设定温度、工作时间、电量、续航时间、实时检测到的温度值等基本信息。考虑到可穿戴领域要求体积小、功耗低、亮度高等因素，因此采用0.91 寸OLED液晶屏作为显示模块。OLED 显示屏是一种具有明显优势的新型显示技术，具有对比度高、屏幕薄且轻，适合应用于便携设备，可以制作成挠曲式面板，适合快速动态显示，通信协议为I2C/SPI，模块上通常通常已经做好了外围电路，用户可以直接使用，例如已经安装SSD1306 驱动芯片、GT20L16S1Y 字库芯片等。OLED 液晶屏其与STC15W4K56S4 单片机硬件连接电路如图5 所示。

图5 OLED 液晶屏硬件电路图

3.4 温度调控模块

由于基于半导体制冷的降温服主控芯片STC15-W4K56S 的工作电压为5 V，而半导体制冷片TEC1-12706 的工作电压为12 V，因此不能直接控制制冷片工作。单片机通过继电器去对制冷片、循环水泵、电动阀的工作状态进行控制，进而达到调控制冷温度的目的。如图6 为温度调控电路图，STC15W4K56S4 单片机的输出口连接电路的J1 端口，制冷片的两端与电路的J2 相连。STC15W4K56S4 单片机通过控制三极管Q1 的开断来控制继电器K1 触点的通断，进而控制制冷片的工作状态。对循环水泵、电动阀的控制方式与电路接线与半导体制冷片类似。

图6 温度调控模块电路图

3.5 半导体制冷模块设计

基于半导体制冷的降温服采用型号为TEC1-12706 的半导体制冷片作为制冷的核心部件。为了提高制冷效果，采用2 片TEC1-12706 半导体制冷片形成背靠背的结构。两片半导体制冷片都是按冷面朝内，热面朝外的方式安装，使得夹在最中间的水冷头的两侧都能受到制冷片的降温。半导体制冷片在通入直流电后，热量会快速从冷面传到热面，一面会发热，另一面会发冷，因此，需要在半导体制冷片的发热那面安装散热片和散热风扇，并涂抹导热硅脂，使得热面的温度及时散发出去，防止半导体制冷片烧坏，保证制冷片工作正常。整套半导体制冷模块的实物如图7 所示。

4 系统软件设计

基于半导体制冷的降温服利用STC15W4K56S4单片机控制程序对整套降温制冷系统进行监测和控制，需要设计的软件程序包括测量温度子程序、线上温度子程序、设定温度子程序、制冷子程序等。采用DS18B20 型温度传感器采集温度信息，STC15W4K56S4单片机将采集到的实时温度数据与设定温度值进行比较，根据温度差值决定是否启动制冷系统工作，同时将设定温度与传感器实时采集温度值通过OLED屏进行显示。系统软件的程序流程图见图8 所示。

图8 控制程序流程图

5 实验数据分析

硬件电路及软件程序设计完成后，对全套可穿戴降温服实物设备进行安装与调试，如图9 所示。通过实验，测试基于半导体制冷的降温服的制冷降温效果，测试时环境温度为28.5 ℃，降温服的降温设定温度设置为20.0 ℃。测试数据记录方案为每1 min 记录一次降温服的实际温度，直至实测温度与目标设定温度基本一致。

图9 基于半导体制冷的降温服安装实物图

制冷降温时间曲线如图10 所示，基于半导体制冷的降温服的实测温度在14 min 左右下降到了设定的温度值，共降温8.5 ℃。从制冷降温时间曲线图可以看出，降温服从启动到降温至22 ℃时耗时5～6 min左右，在这段时间里降温服的降温曲线较陡，降温速度较快。在降温到22 ℃以后，降温速度变得比较慢，降温曲线变得缓和，然后逐渐稳定在20 ℃左右，降温效果良好。

图10 制冷降温时间曲线图

6 结语

基于半导体制冷的降温服使用半导体制冷片作为核心制冷源，使用水作为冷却循环介质，通过冷却液在衣服本体硅胶管的内部循环，带走人体新陈代谢热量。针对脸部及头部区域，在衣领位置安装雾化器进行降温，用冷却后的雾化水分子散热，让脸部头部区域更好的降温体验。基于半导体制冷的降温服结合电子电路，以STC15W4K56S4 单片机为控制核心，设计了温度采集模块、温度调控模块、半导体制冷模块、OLED 液晶屏显示模块等多硬件模块于一体的半导体制冷自动控制循环系统。该系统利用DS18B20 型传感器监测降温服温度，并与用户目标设定的温度进行比较，比较温差结果作为半导体制冷循环系统是否启动制冷工作的判定依据，实现制冷温度的自动调控。经过实验测试和试用体验表明，本基于半导体制冷的降温服具有降温速度快、降温效果好、自动调节温度等优点，在理想状况下温度波动小于±1 ℃，能够满足多场景高温工作者的降温需求，保护作业人员的身体健康，降低高温中暑风险。