基于螺旋散熱結(jié)構(gòu)的可控降溫保溫水杯——論文

1、<p>　　基于螺旋散熱結(jié)構(gòu)的可控降溫保溫水杯</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　保溫杯是生活中十分常見的物品，保溫杯一般是由陶瓷或者不銹鋼加上真空層而制成的盛水的容器，真空絕熱層能使裝在內(nèi)部的水等液體延緩散熱，已達到保溫的目的，由于真空保溫的隔熱作用，熱水在其內(nèi)部很難降溫至試飲溫度。但是，很多時候我們拿著一杯熱飲卻不知如何下口，

2、或者喝著燙口的飲料，過熱飲品（65℃以上）會燙傷口腔和食道外上的粘膜，長期飲用易導致患食道癌的增加。</p><p>　　本文設計了一種平時具備保溫功能，當需要飲料快速降溫時，能夠在短時間內(nèi)降溫到適飲溫度的可控降溫保溫水杯，其真空絕熱層內(nèi)含螺旋散熱結(jié)構(gòu)，在一般狀態(tài)下，杯蓋處密閉沒有氣流和杯壁的換熱過程從而起到保溫作用，當需要快速降溫時，杯蓋處旋片旋開，會有兩個通風口，通風口處有兩個風扇葉片，兩個風扇旋轉(zhuǎn)加速螺旋散

3、熱結(jié)構(gòu)與氣流的換熱，同時內(nèi)含一個熱敏電阻，實時檢測水杯內(nèi)溫度，當水杯內(nèi)溫度達到適飲溫度時，風扇停止工作，旋片反向旋起，起到密閉作用，使液體保持在適飲溫度。</p><p>　　通過一系列的設計，我們選用Arduino UNO作為我們的控制器，熱敏電阻作為溫度傳感器，配有相應的執(zhí)行機構(gòu)電機和電機驅(qū)動等，螺旋散熱結(jié)構(gòu)采用3D打印方式制作，進行了快速降溫能力測試和不同體積下的快速降溫能力測試，結(jié)果表明，本方案設計的可控

4、降溫保溫水杯快速降溫能力顯著，能夠很好地滿足我們的需求，而且方案中螺旋散熱結(jié)構(gòu)的三維設計美觀大方且最大化的地節(jié)約了杯體內(nèi)的空間。</p><p>　　關(guān)鍵詞：螺旋散熱結(jié)構(gòu) 快速降溫 Arduino UNO單片機 熱敏電阻</p><p><b>　　1．引言</b></p><p><b>　　1.1課題由來</b>&l

5、t;/p><p>　　生活中常會使用保溫水杯盛放熱飲，其保溫效果良好，一般的保溫杯也能夠保持溫度數(shù)小時。但是，如果你此時想喝水或者飲料，飲品的溫度卻過高而不適于飲用甚至根本無法入口，相信這是生活中經(jīng)常遇到的難題。過熱飲品（65℃以上）會燙傷口腔和食道外上的粘膜，長期飲用易導致患食道癌的增加。據(jù)《柳葉刀腫瘤學》報告，中國、土耳其及南美洲國家的人習慣飲用65°C或70°C以上的熱水，增加患食管癌的風險

6、。在全世界喉癌每年發(fā)病死亡率僅為3.2例每100,000人，而在亞洲這個數(shù)字為18.3。在世界范圍內(nèi)，0.3%的人都有過喉癌病史。</p><p>　　所以，我們想到了能快速降溫的保溫杯，既有快速散熱功能，降到適合飲用的溫度后又有能長時間保溫。為了研究該方案的可行性和獨創(chuàng)性，我們在一些資源網(wǎng)站和購物網(wǎng)站的保溫水杯進行了調(diào)研。</p><p><b>　　1.2市場調(diào)研</b

7、></p><p>　　市場上目前已有一小部分既能保溫，又能降溫的保溫杯。相似產(chǎn)品有55°杯、brugo保溫杯以及ember智能杯。</p><p>　　圖1、55度杯功能介紹圖</p><p>　　圖2、Ember智能杯</p><p>　　55°杯只有溫度調(diào)節(jié)的功能，卻沒有保溫功能，且杯體過重的同時容積小，其操作

8、也十分麻煩；Ember智能杯雖然同時具有保溫以及調(diào)溫的功能，但其保溫有效時間僅有兩小時，之后就將失去效果，而且其價格很高，目前市價1699元，并不面向大多數(shù)人。兩者原理皆為利用相變材料的相變的吸放熱來達到保溫效果，使用該技術(shù)的杯子容積普遍較小，都在300ml左右，實物圖分別見圖1、圖2。</p><p>　　圖3、 Brugo保溫杯</p><p>　　brugo保溫杯則采用雙層內(nèi)膽結(jié)構(gòu)，

9、內(nèi)部為保溫內(nèi)膽，外層則用于散熱，在使用時需要使用者傾斜杯體，使液體流入外層內(nèi)膽，用6到8秒時間快速散熱，但是一次只能使少量液體降溫，使用起來并不是很方便。</p><p>　　從我們的調(diào)研結(jié)果來看，市場上賣品價格普遍很高，動輒千元；而很多飲用水溫度控制研究都是針對飲水機，而一般用戶特別是在圖書館、辦公室等場合，并不能頻繁調(diào)控飲水機的溫度。所以我們小組設計了一種基于螺旋散熱結(jié)構(gòu)的可控降溫保溫水杯。</p>

10、;<p><b>　　2．研究內(nèi)容</b></p><p><b>　　2.1設計思路</b></p><p>　　圖4、降溫水杯設計示意圖</p><p>　　本設計的基本原理是：由杯蓋進行自動化的智能控制，調(diào)節(jié)散熱與保溫兩種不同的模式，在散熱時，打開降溫水杯的可旋轉(zhuǎn)旋蓋，使內(nèi)部與外界形成冷熱空氣的交換，同

11、時用兩個風扇加速這一進程；在保溫階段，關(guān)閉旋轉(zhuǎn)旋蓋，使其內(nèi)部與外界空氣隔絕，并關(guān)閉風扇，此時此保溫杯和普通保溫性能良好的保溫杯沒什么本質(zhì)區(qū)別，能夠起到保溫的效果。通過在瓶體內(nèi)部增加一條便于氣流進出的螺旋結(jié)構(gòu)管道，顯著地增加了降溫是氣流與保溫杯的金屬內(nèi)壁的換熱面積，從而達到快速降溫的目的。</p><p><b>　　2.2功能設計</b></p><p>　　用戶設置

12、一個適合人體飲用的溫度，使得單片機以此溫度為標準進行接下來的一系列計算過程。數(shù)據(jù)采集部分的溫度傳感器收集溫度數(shù)據(jù)，將溫度數(shù)據(jù)導入單片機，單片機根據(jù)之前設定的程序進行計算，將根據(jù)數(shù)據(jù)計算所得的動作結(jié)果傳送到執(zhí)行單位，打開控制轉(zhuǎn)片的電機，帶動其上的齒輪，然后通過轉(zhuǎn)片上的內(nèi)齒輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)片，同時讓風扇工作進行降溫。</p><p>　　在杯體內(nèi)部溫度大于預定溫度時，杯蓋上裝有轉(zhuǎn)片的電機帶動轉(zhuǎn)片開始旋轉(zhuǎn)露出氣孔，與外界聯(lián)通，

13、同時裝有扇葉的兩個電機開始轉(zhuǎn)動，一個向杯體內(nèi)部預留的通道吹氣，另一個從杯體內(nèi)的通道中抽氣，開始降溫，在溫度等于或低于預定溫度時，風扇停止工作，然后帶有轉(zhuǎn)片的電機開始反向旋轉(zhuǎn)，將氣孔關(guān)閉，與外界隔離，開始保溫。</p><p><b>　　3．硬件設計</b></p><p>　　3.1單片機控制電路</p><p>　　為了完成上述的功能設計，

14、單片機控制電路部分我們選用Arduino單片機、溫敏電阻、溫度傳感器DS18B20、直流電機驅(qū)動、3個電機等部分組成，其中Arduino UNO承擔了控制邏輯的執(zhí)行和溫度轉(zhuǎn)換相關(guān)的計算，同時直接控制電機驅(qū)動的控制接口，間接地控制三個電機的運轉(zhuǎn)，溫敏電阻用于測量水杯內(nèi)水的實時溫度，而電機驅(qū)動則用于提供大電流來驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)。</p><p>　　3.1.1單片機選擇：</p><p>　　圖

15、5、Arduino UNO實物圖</p><p>　　我們選用Arduino UNO開發(fā)板來進行整個程序，實物圖見圖5。</p><p>　　Arduino UNO的處理器核心是ATmega328，具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器；一個USB口；一個電源插座兩個管腳SDA和SCL，支持I2C接口；IOREF和一個預留管腳。此外A

16、rduino UNO可以通過3種方式供電，而且能自動選擇供電方式：外部直流電源通過電源插座供電；電池連接電源連接器的GND和VIN引腳；USB接口直接供電。</p><p>　　3.1.2溫度傳感器：</p><p>　　圖6、溫敏電阻設計電路圖</p><p>　　在產(chǎn)品中我們選用溫敏電阻作為溫度傳感器元件，因為溫敏電阻體積相對較小，而且電路簡單，但是我們需要用溫

17、度傳感器DS18B0對溫敏電阻進行標定，測定溫敏電阻兩端采樣電壓和溫度的關(guān)系，溫敏電阻實物圖見圖7。</p><p>　　圖7、溫敏電阻實物圖</p><p>　　在實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)溫敏電阻返回的數(shù)值并不是真實溫度，而是溫敏電阻兩端電壓壓降的采樣值。在尋找返回值與真實溫度之間的關(guān)系時，經(jīng)過多組數(shù)據(jù)對比，我們得出下圖中的數(shù)據(jù)，進行計算后得出下圖8。</p><p>

18、;　　圖8、溫敏電阻采樣返回值與溫度的關(guān)系圖</p><p>　　由此我們可得 T = -0.129*X+ 89.51，X是溫敏電阻兩端采樣電壓測量值，T是經(jīng)標定后的由溫敏電阻測量所得的溫度。</p><p>　　圖9、DS18B20設計電路圖</p><p>　　圖10、DS18B20實物圖</p><p>　　DS18B20數(shù)字溫度計提

19、供9-12位攝氏溫度測量而且有一個由高低電平觸發(fā)的可編程的不因電源消失而改變的報警功能，能通過一個單線接口發(fā)送或接受信息，因此在中央處理器和DS18B20之間僅需一條連接線（加上地線），并且能直接從單線通訊線上汲取能量，除去了對外部電源的需求。它的測溫范圍為-55～＋125℃，固有測溫誤差1℃，同時在使用中不需要任何外圍元件。工作電源: 3.0~5.5V/DC （可以數(shù)據(jù)線寄生電源）。</p><p><b

20、>　　3.1.3電機選擇</b></p><p>　　我們采用了兩種功率不同的電機，一種是K20微型直流電機，另一種是N10微型直流電機，實物圖分別見圖11、圖12、</p><p>　　圖11、K20電機實物圖</p><p>　　其中K20電機的主要參數(shù)如下：</p><p>　　N10電機的主要參數(shù)如下：</p&

21、gt;<p>　　電機規(guī)格：10*12  MM</p><p>　　圖12、N10電機實物圖</p><p>　　3.1.4直流電機驅(qū)動</p><p>　　由于Arduino UNO的接口電流輸出能力不能大于50mA，故我們需要選擇電機驅(qū)動來驅(qū)動電機，我們選用尺寸為18.5*16mm的DRV8833模塊作為直流電機驅(qū)動，實物圖見圖

22、13。</p><p>　　圖13、DRV8833模塊實物圖</p><p>　　該器件具有兩個H橋驅(qū)動器，并能夠驅(qū)動兩個直流(DC)電刷電機、一個雙極性步進電機、螺線管或其他電感性負載。</p><p>　　DRV8833每個H橋的輸出驅(qū)動器模塊由N溝道功率MOSFET組成，這些MOSFET被配置成一個H橋，以驅(qū)動電機繞組。每個H橋都包括用于調(diào)節(jié)或限制繞組電流的電

23、路。借助正確的PCB設計，DRV8833的每個H橋能夠連續(xù)提供高達1.5-ARMS（或DC）的驅(qū)動電流（在25℃和采用一個5VVM電源時）。每個H橋可支持高達2A的峰值電流。在較低的VM電壓條件下，電流供應能力略有下降。該器件提供了利用一個故障輸出引腳實現(xiàn)的內(nèi)部關(guān)斷功能，用于：過流保護、短路保護、欠壓閉鎖和過熱。另外，還提供了一種低功耗睡眠模式。</p><p>　　DRV8833輸入電壓為3——10V，可驅(qū)動1

24、.5A以下的直流電機和4線步進電機。</p><p><b>　　3.4機械設計</b></p><p><b>　　3.4.1方案選擇</b></p><p>　　3.4.2 機械結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖15、水杯杯蓋機械結(jié)構(gòu)三視圖</p><p>　　機械結(jié)構(gòu)部分主要

25、用于實現(xiàn)該產(chǎn)品在散熱功能與保溫功能之間的智能切換，水杯杯蓋的機械結(jié)構(gòu)三視圖見圖15，在溫度大于一個預設值時，采用散熱模式，由電機驅(qū)動齒輪（1），通過轉(zhuǎn)片上的內(nèi)齒輪（2），帶動轉(zhuǎn)片，打開通風口，并且開啟兩邊的風扇（3），一邊抽氣，一邊進氣，加快流速，達到加速散熱的方式。而在溫度小于預設值的時候，則用同樣的方式，關(guān)閉通風口，關(guān)閉風扇達到密封保溫的效果。</p><p>　　圖16、杯蓋基座部分俯視圖</p>

26、;<p>　　杯蓋基座部分俯視圖見圖16，該部分為杯蓋的底座，是杯蓋的主體結(jié)構(gòu)，其中，1處用于固定轉(zhuǎn)片的軸，2處用于放置驅(qū)動齒輪的電機，3處用于放置驅(qū)動風扇的電機，4處用于放置溫度傳感器。</p><p>　　圖17、杯蓋蓋片俯視圖</p><p>　　圖18、杯蓋蓋片左視圖</p><p>　　圖17、圖18分別是杯蓋蓋片的俯視圖和左視圖，杯蓋蓋片為

27、杯蓋最上端的蓋片，其中1處用于拼接，2處用于固定轉(zhuǎn)片的軸，3處用于限轉(zhuǎn)片的轉(zhuǎn)動范圍。</p><p><b>　　圖19、轉(zhuǎn)片俯視圖</b></p><p>　　旋轉(zhuǎn)片的俯視圖見圖19，其中1處為轉(zhuǎn)片的轉(zhuǎn)軸置于底座部分的1處，用于固定，2處的內(nèi)齒輪和電機上的齒輪契合，從而達到傳動的效果，使轉(zhuǎn)片旋轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　4．軟

28、件設計</b></p><p>　　降溫水杯的使用流程：假設現(xiàn)在用戶擁有一杯溫度高于65℃的熱飲，如果用戶想馬上引用該飲料，用戶需要按鍵開啟降溫水杯的降溫功能，然后首先杯蓋旋片旋開，用戶會看到兩個漏斗結(jié)構(gòu)、兩個風扇結(jié)構(gòu)和熱敏電阻。然后風扇開始工作，若干分鐘后，風扇停止工作，旋片徐徐旋轉(zhuǎn)將杯蓋密閉，此時用戶就可以飲用適宜溫度的飲料。</p><p>　　上述流程的控制邏輯圖見圖2

29、0。</p><p><b>　　圖20、程序流程圖</b></p><p><b>　　5．整合測試</b></p><p>　　由于我們?nèi)匀粚儆跍y試開發(fā)階段，缺乏相應的金屬加工工藝支持，所以我們采用3D工藝打印了整個杯蓋相關(guān)結(jié)果和螺旋散熱結(jié)構(gòu)，對我們的設計的可行性和有效性進行測試。</p><p&g

30、t;　　5.1降溫能力測試</p><p>　　本實驗使用了降溫水杯、200ml的溫度大約為60℃的飲用水、Arduino主控制板、溫度傳感器、風扇以及相關(guān)的測試裝置如量筒和溫度計。我們設置兩個不同的實驗組，一組實驗組即采用了我們的設計并正常工作的降溫水杯，一組對照組采用相同的結(jié)構(gòu)，但是保持螺旋散熱結(jié)構(gòu)的通風口密閉，同時引用水出口敞開，以測試降溫水的快速降溫能力。</p><p><

31、;b>　　具體測試步驟：</b></p><p>　?。?）連接裝置，并連接好風扇</p><p>　?。?）準備熱水，并測定熱水溫度</p><p>　?。?）開始試驗，每隔一分鐘測定溫度一次</p><p>　?。?）實驗過程中，使溫度傳感器始終保持在水中部，記錄數(shù)據(jù)</p><p><b&

32、gt;　?。?）結(jié)束實驗。</b></p><p>　　圖21、降溫能力測試實驗組數(shù)據(jù)曲線圖</p><p>　　圖22、降溫能力測試對照組數(shù)據(jù)曲線圖</p><p>　　實驗數(shù)據(jù)見圖21，從圖中的曲線我們可以得出結(jié)論：螺旋散熱結(jié)構(gòu)正常工作時，普通塑料杯的降溫速度約為1.0℃/min；螺旋散熱結(jié)構(gòu)不工作時，普通保溫杯的降溫速度約為0.2℃/min，從這組

33、實驗我們可以看出采用了我們的螺旋散熱結(jié)構(gòu)設計后的水杯，降溫能力明顯優(yōu)于敞口的保溫水杯。</p><p>　　5.2不同體積飲料條件下的降溫能力測試</p><p>　　顯然在飲料的散熱降溫過程當中，由于換熱面積是固定的，所以飲料的體積和降溫速率成反比。本組實驗對降溫水杯在不同體積飲料體積變量情況下的降溫能力測試，分為兩組，一組100ml，一組200ml，數(shù)據(jù)表格分別見表1、表2。</

34、p><p>　　具體測試步驟：

35、 </p><p>　?。?）連接裝置，一組安裝風扇，另一組不安裝風扇</p><p>　?。?）準備熱水，并測定熱水溫度</p><p>　?。?）開始試驗，每隔一分鐘測定溫度一次</p><p>　?。?）實驗過程中，使溫度傳感器始終保持在水中部，記錄數(shù)據(jù)</p&g

36、t;<p><b>　　（5）結(jié)束實驗</b></p><p>　　圖23、100ml飲料條件下，降溫水杯降溫能力測試圖</p><p>　　表1、100ml飲料條件下，降溫水杯降溫能力測試數(shù)據(jù)</p><p>　　本組實驗使用了經(jīng)改裝后的保溫杯、水（200ml）、Arduino主控制板、溫度傳感器以及導線；</p>

37、<p>　　圖24、100ml飲料條件下，降溫水杯降溫能力測試圖</p><p>　　表2、200ml飲料條件下，降溫水杯降溫能力測試數(shù)據(jù)</p><p><b>　　5.3分析討論</b></p><p>　　從圖23和圖24中的曲線圖，我們可以看出采用我們的設計方案的降溫水杯降溫能力顯著，遠遠優(yōu)于我們平時敞口放置的降溫方式，而且

38、從圖23和圖24的比較來看，飲料的體積對降溫水杯的降溫能力影響較大，但是就算是200ml情況下，我們的降溫水杯依然在20分鐘內(nèi)將飲用水溫度從將近70℃降到了50℃。而且考慮到實際情況下，金屬的導熱性能遠遠優(yōu)于塑料，所以降溫性能還有質(zhì)的提高。但是從上述數(shù)據(jù)我們就已經(jīng)能確定我們的螺旋降溫結(jié)構(gòu)的有效性了。</p><p>　　但是在我們試驗程序的過程中，我們也遇到了一些小小的問題，但是我們都一一排查解決了。首先出現(xiàn)的問

39、題是Arduino板上通過的電流過小無法帶動電機及舵機轉(zhuǎn)動，因而我們引入擴展板、繼電器以及電池。再次試驗過程中，擴展板在5V狀況下，以3.3V同時為HIGH和LOW，0V為LOW，導致了實驗中電機不斷轉(zhuǎn)動且無法停止。我們共提出三個方案：一，改變程序中的初始設定環(huán)境，但這一方案很快遭到反對，改變初始環(huán)境設定會拖慢整個程序的運行速度，從而使得溫度變化更不可控。二、使用擴展板、繼電器、電池為電機單獨供電，而在實驗后，我們發(fā)現(xiàn)這一方案無法較為便

40、捷地改變電機兩端的電壓，進而無法改變電機旋轉(zhuǎn)方向，即無法達到電機帶動旋片正向反向旋轉(zhuǎn)。三、使用直流電機驅(qū)動與直流電機替換舵機，這一方案能較為便捷地達到控制氣孔開關(guān)的作用。為解決這一問題經(jīng)過試驗，最終我們選用直流電機驅(qū)動與直流電機相組合來代替舵機，以達到預想的效果。</p><p><b>　　6．改善建議和展望</b></p><p><b>　　6.1改善

41、建議</b></p><p>　　本項設計雖然降溫性能優(yōu)越，但是結(jié)構(gòu)相對復雜，而且還需要額外的電源供電，故依然具有很大的提升空間。盡管本項設計已經(jīng)具備了原設計初衷所期待的功能，但對于一種為便于人使用而設計的“智能保溫杯”仍顯不足，如杯體過重、外觀設計不美觀等缺陷。</p><p>　　在下一階段的研究中，我們希望引入新型的供電方式，比如相變熱或者動壓能這種方式來給我們的降溫水杯

42、供電，同時考慮尋找金屬加工工藝技術(shù)支持，做成一個帶有螺旋降溫結(jié)構(gòu)的真空保溫杯。</p><p><b>　　6.2功能展望</b></p><p>　　本項設計從生活出發(fā)，很好地解決了人們生活中遇到的問題，有著十分廣泛的應用前景。而且我們可以添加其他功能：將杯體設計與APP相結(jié)合，構(gòu)成一個可以督促人喝水、計算人飲水量的系統(tǒng)。智能飲水的方向也同樣有很好的應用前景，將飲水

43、量與醫(yī)療系統(tǒng)相結(jié)合，形成有一定價值的輔助醫(yī)生觀察病情有助于病人康復的數(shù)據(jù)，更可以在杯體內(nèi)部增添加熱裝置，使降溫與加熱有機的結(jié)合在一起，滿足用戶的不同需求。</p><p><b>　　7．參考文獻</b></p><p>　　薛峰峰，加熱對飲用水水質(zhì)的影響及其機理研究.</p><p>　　龔丹丹，史文麗，飲水機智能溫度控制系統(tǒng).</p&