孔迪,王新瑩,張婷,由春秋
(哈爾濱師范大學,黑龍江哈爾濱, 150025)
隨著二胎時代的到來,當今人們生活節(jié)奏越來越快,大家對生活質(zhì)量要求越來越高,需要更方便,更快捷的嬰幼兒產(chǎn)品,奶瓶是父母帶領嬰幼兒外出時必備的隨身物品。但是攜帶奶瓶過程中總會產(chǎn)生如下問題:沖奶粉需要熱水但是在戶外很難找到;秋冬季節(jié)外界溫度較低,沖好的奶粉會受到外界溫度影響迅速降溫,若嬰幼兒再次喝,則需要找到熱水后隔水加熱;剛沖好的奶因為水溫太燙,不適合嬰幼兒及時飲用。因此在戶外如何沖泡奶粉,快速降溫、保溫成為最大難題,因此本文設計了太陽能智能奶瓶,具有迅速加熱、降溫、保溫的功能。
世界衛(wèi)生組織給出沖奶粉最適合的溫度是70℃,因為70℃的水溫可以殺死奶粉中容易存在的病菌。而嬰兒要飲用的奶水,40℃最為適宜。在戶外當孩子需要喝奶時,家長把礦泉水倒入奶瓶,啟動加熱開關把水燒開到100℃,然后打開降溫開關把水降到70℃左右,把奶粉倒入奶瓶沖泡化開,最后打開保溫開關讓奶水降到40℃左右,這樣就可以給孩子喝了。
本文設計一種三層雙真空結(jié)構(gòu)的太陽能充電奶瓶。在戶外利用太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,儲存在鋰電池內(nèi)??紤]到陰天或在室內(nèi)也可給鋰電池充電,系統(tǒng)加了鋰電池充電模塊。用單片機來控制加熱電路模塊、制冷電路模塊以實現(xiàn)溫度控制。使用熱電制冷技術給奶瓶快速降溫。
奶瓶杯體設計分為三層,內(nèi)膽材料可采用304不銹鋼,優(yōu)點是耐高溫,無毒,密度小,內(nèi)膽無縫、密封性能良好。中間層為太陽能電池板,內(nèi)膽與太陽能電池板中間將采用抽真空技術以起到隔熱作用,奶瓶的最外層是玻璃杯材質(zhì),玻璃層的內(nèi)側(cè)有吸熱涂層,具有強吸熱聚光的作用,以增強太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率。玻璃層與太陽能電池板間也采用抽真空技術,起到隔熱防燙的作用。內(nèi)膽底部貼有溫度傳感器、導熱片、制冷金屬片。瓶身有奶水刻度線,溫度顯示屏。整個電路系統(tǒng)放在奶瓶下面,加熱、降溫、保溫開關按鈕放在瓶體外側(cè)靠近底部。奶瓶杯體結(jié)構(gòu)設計如圖1和圖2所示。
圖1 外部設計結(jié)構(gòu)圖
圖2 內(nèi)部設計結(jié)構(gòu)圖
太陽能智能奶瓶系統(tǒng)框圖如圖3所示,為了更精確的實現(xiàn)溫度的檢測、控制、顯示,整個系統(tǒng)以單片機為主控模塊,系統(tǒng)設有加熱、降溫、保溫3個按鍵功能開關,當功能按鍵按下時,單片機采用PWM技術控制加熱模塊、制冷模塊以實現(xiàn)加熱、降溫、保溫的功能。通過溫度傳感器檢測水溫,采用兩個LED數(shù)碼管實時顯示水溫,當達到目標溫度時報警器會及時提醒,同時系統(tǒng)切斷加熱和制冷開關。
圖3 太陽能智能奶瓶系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)采用太陽能電池板或鋰電池充電模塊對鋰電池充電,鋰電池作為整個系統(tǒng)的直流電源,給加熱模塊、制冷模塊提供直流電,鋰電池還需經(jīng)過電源變換電路對單片機、溫度顯示、聲音報警、溫度采集、制冷散熱等電路提供直流電。
3.1.1 太陽能電池板的設計
考慮奶瓶的制作工藝、重量以及需要較高的太陽能轉(zhuǎn)化效率,本設計選擇柔性薄膜砷化鎵太陽能電池板,光電轉(zhuǎn)換效率高于40%,是目前光電轉(zhuǎn)換效率最高的太陽能電池,是作為便攜式能源的首選[1~2]。選用的單片太陽能電池尺寸為10mm×10mm,效率為37.3%~39%,開路電壓為3.05~3.09V,短路電流為6.9~7.1A,太陽能電池板連接電路如圖4所示,D1,D2為防反充二極管。
圖4 太陽能電池板連接電路
3.1.2 鋰電池模塊的設計
與蓄電池相比較,鋰電池具有能量密度大,充電次數(shù)多,壽命長,重量輕,體積小的優(yōu)點,本系統(tǒng)選用參數(shù)為“3.6V、9.6Ah”的鋰電池作為充電電池,4節(jié)鋰電池串聯(lián)給加熱模塊、制冷模塊、單片機控制模塊等整個電路系統(tǒng)提供直流電[3]。
3.1.3 電源變換電路的設計
通過LM2576S-5.0電源轉(zhuǎn)換芯片把12V鋰電池轉(zhuǎn)換為5V,為單片機、溫度顯示、聲音報警、溫度采集、制冷散熱等電路提供直流電,電源變換電路如圖5所示。
圖5 電源變換電路
3.1.4 主控模塊與功能電路的設計
本系統(tǒng)以STC89C52單片機為主控芯片,系統(tǒng)設有加熱、降溫、保溫3個功能按鍵開關,當S2按下時,水溫加熱到100℃,當S3按下時,水溫降到70℃,當S4按下時,水溫保持在40℃左右。采用DS18B20采集溫度,兩個LED數(shù)碼管實時顯示水溫,當達到目標溫度時蜂鳴器報警提示,電路如圖6所示。
圖6 主控模塊與功能電路
3.1.5 加熱電路的設計
為了實現(xiàn)溫度精確控制,采用單片機脈寬調(diào)制技術控制加熱電路,加熱電路如圖7所示,場效應管IRF740起到高頻開關作用,導通時允許流過10A的電流。
圖7 加熱電路
3.1.6 制冷電路的設計
為了適于此奶瓶的構(gòu)造,我們使用尺寸小,重量輕,作用快,可靠性高的半導體熱電制冷器[4~6]。制冷片貼在奶瓶內(nèi)膽底部,制冷器下方連接散熱風扇,奶瓶下面設有散熱孔。制冷電路如圖8所示,制冷散熱電路如圖9所示。
圖8 制冷電路
圖9 制冷散熱電路
系統(tǒng)軟件設計流程如圖10所示。
圖10 系統(tǒng)軟件流程圖
本文設計的奶瓶體積是200ml,若環(huán)境溫度20℃,則200ml水從20℃升高到100℃需要消耗的熱量為4.2×1000×0.2×80=67200焦,消 耗0.0187度 電,0.0187度=0.0187×1000W時=18.7W時=18.7W×60分鐘=112W×10分鐘=224W×5分鐘。所以選用4節(jié)鋰電池串聯(lián),每節(jié)“3.6V、9.6Ah”,4節(jié)串聯(lián)共138.24W,水燒開需要8分鐘左右。選用市面上常用的SP1848-27145半導體制冷片,200ml水從100℃降到70℃,或從70℃降到40℃制冷時間大約需要1分鐘。
針對嬰幼兒外出時能夠及時喝到奶粉的難題,本文設計了一種新型三層雙真空太陽能智能奶瓶。該奶瓶采用高轉(zhuǎn)換率太陽能電池充電,能夠有效利用資源,節(jié)能環(huán)保,具有加熱,降溫,保溫等功能。產(chǎn)品環(huán)保無毒,結(jié)構(gòu)簡單,能夠?qū)崟r顯示奶瓶內(nèi)部溫度,戶外使用方便。父母帶孩子外出時使用此奶瓶,只要身邊有水,就可以隨時給孩子準備沖奶粉,并且一直保溫,干凈又方便,此奶瓶具有良好的應用前景和實際意義。