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摘 要：传统制冷方式受工作环境所局限。设计一种集制冷、加热和保温为一体的便携制冷杯，分析其可行性及实用性，。设计方案采用单片机芯片和温度感应器实时监测温度，通过半导体热电偶的正反接实现制冷和加热，利用导温材料及时将热量散出。最终提出一种成熟的能实现设计要求的产品，可以更大程度的便利人们的生活。
关键词：加热制冷和保温；温度传感；散热；单片机；半导体
1 研究目的及意义
现在市面上的制冷、加热方式主要以电冰箱和饮水机为主，并且二者已经广泛应用于市场，但是二者的工作环境又极大地受到环境的限制。因此，研究出一种不受工作环境限制且运行稳定的集制冷、加热、保温为一体的便携式水杯将具有广阔的市场前景。
近几年来市面上不断的出现各种一保温为主的便携式水杯，以服务于人们的生活，但是能够将制冷、加热、保温结合在一起的便携式水杯仍旧没有得到较大的发展，更没有出现能在市面上推广的产品。
所以，此项研究以旨在提高人们的生活便利，节约日常饮用成本，通过查阅资料和了解现有产品的特性，进行改进和创造，力求实现一种体积小、多功能、高度稳定性和适用于各种环境的制冷/加热器。本项目基于半导体制冷原理——当直流电通过两种不同的半导体材料串联而成的热电偶时，在电偶两端即可吸收热量和放出热量，实现制冷、加热的目的。该设计内置可充电蓄电池，搭配温度传感器、温度控制器以及底部的散热装置，产品体积小、方便携带、稳定性高，能在任何环境下工作。旨在打破传统的电冰箱制冷模式，创造一种不受工作环境所限制的制冷、加热器，能够迅速制冷、加热水和各种饮料且能保持水冷的时间较长，可以广泛应用于生活领域，如酒吧、冷饮店，本发明的成本低，所以同样适用于学生以及工作人群，可以大大节约人们在饮水上的生活成本。
2 产品设计的主要内容
本項目时基于目前市面上所有的制冷设备，制冷方式及原理，得到全覆盖式的改进灵感。创新性的设计研究出一款集制冷、加热、保温为一体的便携式水杯，研究其可行性，并对产品进行三维建模，然后对产品进行设计制造。主要设计内容及其能达到的功能如下。
2.1 最上方的是杯盖，杯盖顶部是一个温度显示器（内置电池供电），其连接有温度探测器，温度传感器将采集来的数据通过AD转换输入到51单片机中，单片机对输入的信号进行处理，然后再将处理结果显示在数码管或液晶显示屏上。通过这个设计可以随时对容器中水的温度进行监控，防止温度过高导致意外烫伤，也能防止温度过低导致意外冻伤。
2.2 往下就是杯体，杯体从内到外依次是内层容器、制冷区域、保温区域以及外层组成，内层是容器，用来盛装水和饮料等液体；制冷区域内含半导体制冷片，通电时吸收内层的水和饮料中的热量，实现快速降温，或者释放热量，实现快速加热；保温层内只有保温隔热材料，可以长时间的保持已达到的温度；
2.3 杯体内层下面就是半导体片，半导体片采用4根导线连接，其中一对导线接蓄电池的正、负极，另一对则接到蓄电池的负、正极上，两对导线的联通才用两个单刀双掷开关K1和K2控制，通过两个开关的闭合，控制正向直流电和反向直流电的流通，进而达到制冷、加热的目的。且可根据要求，选用不同功率的半导体片。
2.4 蓄电池上接有温度调节开关，可以通过控制电流的输出来控制半导体制冷/加热片的最大温差。其可分为中高低三个档位，可以随心所欲的控制制冷/加热所需达到的最低/最高的温度大小。
2.5 整个杯子的底部就是散热装置了，内置一个小功率散热风扇，其由一个低功率马达驱动，其电源来自于与半导体片所连接的蓄电池供应。整个杯子底座采用圆台式设计，能够保持高度稳定性，底座的内部中空（除一个小型风扇外），圆台整体布满散热孔，可以促进散热。
2.6 利用半导体制冷片两端的温差趋于稳定，在半导体制冷/加热片和下面的底座中间还有一层导热层，可以促进热量往底座（散热装置）传递，能有效地提高工作效率。
3 产品创新特点及发展前景：
3.1 本产品集制冷、加热和保温为一体，采用小结构、轻量化设计，便携便利；不仅可以对各种液体进行加热、制冷，也能对小型固体进行降温保存处理。切内部的半导体片也可根据不同环境的工作需求进行替换，实用性大大增强。
3.2 产品无运动部件，基本不会产生噪声。且整体结构紧凑，稳定性强；采用半导体制冷也不会对环境产生任何污染。
3.3 本产品采用导热片+散热装置共同工作，根据半导体制冷片两端的温差是保持在一定范围内的原理，进行快速降温。且杯盖置有温度显示器，可以实时监控温度变化。而温度控制器可以根据不同人群的需求进行温度控制。
3.4 本产品设置有自动断电装置，当温度降低或升高到最高点时，通过温度传感器发出信号，通过自动控制开关进行断电处理，可以有效地节约能耗。
在传统制冷、加热设备牢牢占据市场的情况下，新型的制冷方式也不断地涌现，其设计方向也主要在于便捷消费者的生活。所以研制一种低成本的、多功能化的以及满足各种环境需求的同时也具有高度普适性——即能够大面积推广的制冷器，已经成了未来的一个重要研究方向。
参考文献：
[1]王嵩.基于单片机的计算机水温控制系统设计研究[J].轻工标准与质量，2019（Z1）：114-115.
[2]王天文，庞利会，邓青，张婕，曾颖，江子钰.基于单片机的智能加热制冷杯垫的设计与实现[J].民营科技，2018（10）：37.
[3]唐启见.半导体制冷散热系统的研究[J].信息记录材料，2018，19（10）：30-31.
[4]祝渊. 高性能柔性散热材料设计、制备及应用[D].清华大学，2011.
关键词：加热制冷和保温；温度传感；散热；单片机；半导体
1 研究目的及意义
现在市面上的制冷、加热方式主要以电冰箱和饮水机为主，并且二者已经广泛应用于市场，但是二者的工作环境又极大地受到环境的限制。因此，研究出一种不受工作环境限制且运行稳定的集制冷、加热、保温为一体的便携式水杯将具有广阔的市场前景。
近几年来市面上不断的出现各种一保温为主的便携式水杯，以服务于人们的生活，但是能够将制冷、加热、保温结合在一起的便携式水杯仍旧没有得到较大的发展，更没有出现能在市面上推广的产品。
所以，此项研究以旨在提高人们的生活便利，节约日常饮用成本，通过查阅资料和了解现有产品的特性，进行改进和创造，力求实现一种体积小、多功能、高度稳定性和适用于各种环境的制冷/加热器。本项目基于半导体制冷原理——当直流电通过两种不同的半导体材料串联而成的热电偶时，在电偶两端即可吸收热量和放出热量，实现制冷、加热的目的。该设计内置可充电蓄电池，搭配温度传感器、温度控制器以及底部的散热装置，产品体积小、方便携带、稳定性高，能在任何环境下工作。旨在打破传统的电冰箱制冷模式，创造一种不受工作环境所限制的制冷、加热器，能够迅速制冷、加热水和各种饮料且能保持水冷的时间较长，可以广泛应用于生活领域，如酒吧、冷饮店，本发明的成本低，所以同样适用于学生以及工作人群，可以大大节约人们在饮水上的生活成本。
2 产品设计的主要内容
本項目时基于目前市面上所有的制冷设备，制冷方式及原理，得到全覆盖式的改进灵感。创新性的设计研究出一款集制冷、加热、保温为一体的便携式水杯，研究其可行性，并对产品进行三维建模，然后对产品进行设计制造。主要设计内容及其能达到的功能如下。
2.1 最上方的是杯盖，杯盖顶部是一个温度显示器（内置电池供电），其连接有温度探测器，温度传感器将采集来的数据通过AD转换输入到51单片机中，单片机对输入的信号进行处理，然后再将处理结果显示在数码管或液晶显示屏上。通过这个设计可以随时对容器中水的温度进行监控，防止温度过高导致意外烫伤，也能防止温度过低导致意外冻伤。
2.2 往下就是杯体，杯体从内到外依次是内层容器、制冷区域、保温区域以及外层组成，内层是容器，用来盛装水和饮料等液体；制冷区域内含半导体制冷片，通电时吸收内层的水和饮料中的热量，实现快速降温，或者释放热量，实现快速加热；保温层内只有保温隔热材料，可以长时间的保持已达到的温度；
2.3 杯体内层下面就是半导体片，半导体片采用4根导线连接，其中一对导线接蓄电池的正、负极，另一对则接到蓄电池的负、正极上，两对导线的联通才用两个单刀双掷开关K1和K2控制，通过两个开关的闭合，控制正向直流电和反向直流电的流通，进而达到制冷、加热的目的。且可根据要求，选用不同功率的半导体片。
2.4 蓄电池上接有温度调节开关，可以通过控制电流的输出来控制半导体制冷/加热片的最大温差。其可分为中高低三个档位，可以随心所欲的控制制冷/加热所需达到的最低/最高的温度大小。
2.5 整个杯子的底部就是散热装置了，内置一个小功率散热风扇，其由一个低功率马达驱动，其电源来自于与半导体片所连接的蓄电池供应。整个杯子底座采用圆台式设计，能够保持高度稳定性，底座的内部中空（除一个小型风扇外），圆台整体布满散热孔，可以促进散热。
2.6 利用半导体制冷片两端的温差趋于稳定，在半导体制冷/加热片和下面的底座中间还有一层导热层，可以促进热量往底座（散热装置）传递，能有效地提高工作效率。
3 产品创新特点及发展前景：
3.1 本产品集制冷、加热和保温为一体，采用小结构、轻量化设计，便携便利；不仅可以对各种液体进行加热、制冷，也能对小型固体进行降温保存处理。切内部的半导体片也可根据不同环境的工作需求进行替换，实用性大大增强。
3.2 产品无运动部件，基本不会产生噪声。且整体结构紧凑，稳定性强；采用半导体制冷也不会对环境产生任何污染。
3.3 本产品采用导热片+散热装置共同工作，根据半导体制冷片两端的温差是保持在一定范围内的原理，进行快速降温。且杯盖置有温度显示器，可以实时监控温度变化。而温度控制器可以根据不同人群的需求进行温度控制。
3.4 本产品设置有自动断电装置，当温度降低或升高到最高点时，通过温度传感器发出信号，通过自动控制开关进行断电处理，可以有效地节约能耗。
在传统制冷、加热设备牢牢占据市场的情况下，新型的制冷方式也不断地涌现，其设计方向也主要在于便捷消费者的生活。所以研制一种低成本的、多功能化的以及满足各种环境需求的同时也具有高度普适性——即能够大面积推广的制冷器，已经成了未来的一个重要研究方向。
参考文献：
[1]王嵩.基于单片机的计算机水温控制系统设计研究[J].轻工标准与质量，2019（Z1）：114-115.
[2]王天文，庞利会，邓青，张婕，曾颖，江子钰.基于单片机的智能加热制冷杯垫的设计与实现[J].民营科技，2018（10）：37.
[3]唐启见.半导体制冷散热系统的研究[J].信息记录材料，2018，19（10）：30-31.
[4]祝渊. 高性能柔性散热材料设计、制备及应用[D].清华大学，2011.