基于螺旋散热结构的可控降温保温水杯——论文

基于螺旋散热结构的可控降温保温水杯摘要保温杯是生活中十分常见的物品，保温杯一般是由陶瓷或者不锈钢加上真空层而制成的盛水的容器，真空绝热层能使装在内部的水等液体延缓散热，已达到保温的目的，由于真空保温的隔热作用，热水在其内部很难降温至试饮温度。但是，很多时候我们拿着一杯热饮却不知如何下口，或者喝着烫口的饮料，过热饮品（65以上）会烫伤口腔和食道外上的粘膜，长期饮用易导致患食道癌的增加。本文设计了一种平时具备保温功能，当需要饮料快速降温时，能够在短时间内降温到适饮温度的可控降温保温水杯，其真空绝热层内含螺旋散热结构，在一般状态下，杯盖处密闭没有气流和杯壁的换热过程从而起到保温作用，当需要快速降温时，杯盖处旋片旋开，会有两个通风口，通风口处有两个风扇叶片，两个风扇旋转加速螺旋散热结构与气流的换热，同时内含一个热敏电阻，实时检测水杯内温度，当水杯内温度达到适饮温度时，风扇停止工作，旋片反向旋起，起到密闭作用，使液体保持在适饮温度。通过一系列的设计，我们选用Arduino UNO作为我们的控制器，热敏电阻作为温度传感器，配有相应的执行机构电机和电机驱动等，螺旋散热结构采用3D打印方式制作，进行了快速降温能力测试和不同体积下的快速降温能力测试，结果表明，本方案设计的可控降温保温水杯快速降温能力显著，能够很好地满足我们的需求，而且方案中螺旋散热结构的三维设计美观大方且最大化的地节约了杯体内的空间。关键词：螺旋散热结构 快速降温 Arduino UNO单片机 热敏电阻1引言1.1课题由来生活中常会使用保温水杯盛放热饮，其保温效果良好，一般的保温杯也能够保持温度数小时。但是，如果你此时想喝水或者饮料，饮品的温度却过高而不适于饮用甚至根本无法入口，相信这是生活中经常遇到的难题。过热饮品（65以上）会烫伤口腔和食道外上的粘膜，长期饮用易导致患食道癌的增加。据柳叶刀肿瘤学报告，中国、土耳其及南美洲国家的人习惯饮用65C或70C以上的热水，增加患食管癌的风险。在全世界喉癌每年发病死亡率仅为3.2例每100,000人，而在亚洲这个数字为18.3。在世界范围内，0.3%的人都有过喉癌病史。所以，我们想到了能快速降温的保温杯，既有快速散热功能，降到适合饮用的温度后又有能长时间保温。为了研究该方案的可行性和独创性，我们在一些资源网站和购物网站的保温水杯进行了调研。1.2市场调研市场上目前已有一小部分既能保温，又能降温的保温杯。相似产品有55杯、brugo保温杯以及ember智能杯。图1、55度杯功能介绍图图2、Ember智能杯55杯只有温度调节的功能，却没有保温功能，且杯体过重的同时容积小，其操作也十分麻烦；Ember智能杯虽然同时具有保温以及调温的功能，但其保温有效时间仅有两小时，之后就将失去效果，而且其价格很高，目前市价1699元，并不面向大多数人。两者原理皆为利用相变材料的相变的吸放热来达到保温效果，使用该技术的杯子容积普遍较小，都在300ml左右，实物图分别见图1、图2。图3、 Brugo保温杯brugo保温杯则采用双层内胆结构，内部为保温内胆，外层则用于散热，在使用时需要使用者倾斜杯体，使液体流入外层内胆，用6到8秒时间快速散热，但是一次只能使少量液体降温，使用起来并不是很方便。从我们的调研结果来看，市场上卖品价格普遍很高，动辄千元；而很多饮用水温度控制研究都是针对饮水机，而一般用户特别是在图书馆、办公室等场合，并不能频繁调控饮水机的温度。所以我们小组设计了一种基于螺旋散热结构的可控降温保温水杯。2研究内容2.1设计思路图4、降温水杯设计示意图本设计的基本原理是：由杯盖进行自动化的智能控制，调节散热与保温两种不同的模式，在散热时，打开降温水杯的可旋转旋盖，使内部与外界形成冷热空气的交换，同时用两个风扇加速这一进程；在保温阶段，关闭旋转旋盖，使其内部与外界空气隔绝，并关闭风扇，此时此保温杯和普通保温性能良好的保温杯没什么本质区别，能够起到保温的效果。通过在瓶体内部增加一条便于气流进出的螺旋结构管道，显著地增加了降温是气流与保温杯的金属内壁的换热面积，从而达到快速降温的目的。2.2功能设计用户设置一个适合人体饮用的温度，使得单片机以此温度为标准进行接下来的一系列计算过程。数据采集部分的温度传感器收集温度数据，将温度数据导入单片机，单片机根据之前设定的程序进行计算，将根据数据计算所得的动作结果传送到执行单位，打开控制转片的电机，带动其上的齿轮，然后通过转片上的内齿轮旋转转片，同时让风扇工作进行降温。在杯体内部温度大于预定温度时，杯盖上装有转片的电机带动转片开始旋转露出气孔，与外界联通，同时装有扇叶的两个电机开始转动，一个向杯体内部预留的通道吹气，另一个从杯体内的通道中抽气，开始降温，在温度等于或低于预定温度时，风扇停止工作，然后带有转片的电机开始反向旋转，将气孔关闭，与外界隔离，开始保温。3硬件设计3.1单片机控制电路为了完成上述的功能设计，单片机控制电路部分我们选用Arduino单片机、温敏电阻、温度传感器DS18B20、直流电机驱动、3个电机等部分组成，其中Arduino UNO承担了控制逻辑的执行和温度转换相关的计算，同时直接控制电机驱动的控制接口，间接地控制三个电机的运转，温敏电阻用于测量水杯内水的实时温度，而电机驱动则用于提供大电流来驱动电机的运转。3.1.1单片机选择：图5、Arduino UNO实物图我们选用Arduino UNO开发板来进行整个程序，实物图见图5。Arduino UNO的处理器核心是ATmega328，具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器；一个USB口；一个电源插座两个管脚SDA和SCL，支持I2C接口；IOREF和一个预留管脚。此外Arduino UNO可以通过3种方式供电，而且能自动选择供电方式：外部直流电源通过电源插座供电；电池连接电源连接器的GND和VIN引脚；USB接口直接供电。3.1.2温度传感器：图6、温敏电阻设计电路图在产品中我们选用温敏电阻作为温度传感器元件，因为温敏电阻体积相对较小，而且电路简单，但是我们需要用温度传感器DS18B0对温敏电阻进行标定，测定温敏电阻两端采样电压和温度的关系，温敏电阻实物图见图7。图7、温敏电阻实物图在实验过程中，我们发现温敏电阻返回的数值并不是真实温度，而是温敏电阻两端电压压降的采样值。在寻找返回值与真实温度之间的关系时，经过多组数据对比，我们得出下图中的数据，进行计算后得出下图8。图8、温敏电阻采样返回值与温度的关系图由此我们可得 T = -0.129*X+ 89.51，X是温敏电阻两端采样电压测量值，T是经标定后的由温敏电阻测量所得的温度。图9、DS18B20设计电路图图10、DS18B20实物图DS18B20数字温度计提供9-12位摄氏温度测量而且有一个由高低电平触发的可编程的不因电源消失而改变的报警功能，能通过一个单线接口发送或接受信息，因此在中央处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线），并且能直接从单线通讯线上汲取能量，除去了对外部电源的需求。它的测温范围为-55125，固有测温误差1，同时在使用中不需要任何外围元件。工作电源: 3.05.5V/DC （可以数据线寄生电源）。3.1.3电机选择我们采用了两种功率不同的电机，一种是K20微型直流电机，另一种是N10微型直流电机，实物图分别见图11、图12、图11、K20电机实物图其中K20电机的主要参数如下：电压范围3V6V供电电流（对应6V）0.04 A(堵转0.37A)输出轴长度6 mm重量20gN10电机的主要参数如下：电机规格：10*12MM电压范围3V6V供电电流（对应6V）0.04 A（堵转0.49A）输出轴长度7 mm重量40g图12、N10电机实物图3.1.4直流电机驱动由于Arduino UNO的接口电流输出能力不能大于50mA，故我们需要选择电机驱动来驱动电机，我们选用尺寸为18.5*16mm的DRV8833模块作为直流电机驱动，实物图见图13。图13、DRV8833模块实物图该器件具有两个H桥驱动器，并能够驱动两个直流(DC)电刷电机、一个双极性步进电机、螺线管或其他电感性负载。DRV8833每个H桥的输出驱动器模块由N沟道功率MOSFET组成，这些MOSFET被配置成一个H桥，以驱动电机绕组。每个H桥都包括用于调节或限制绕组电流的电路。借助正确的PCB设计，DRV8833的每个H桥能够连续提供高达1.5-ARMS（或DC）的驱动电流（在25和采用一个5VVM电源时）。每个H桥可支持高达2A的峰值电流。在较低的VM电压条件下，电流供应能力略有下降。该器件提供了利用一个故障输出引脚实现的内部关断功能，用于：过流保护、短路保护、欠压闭锁和过热。另外，还提供了一种低功耗睡眠模式。DRV8833输入电压为310V，可驱动1.5A以下的直流电机和4线步进电机。3.4机械设计3.4.1方案选择图14、机械结构图在该产品所有的功能中，散热功能无疑是最难以攻克的问题。为了达到我们对快速散热的需求，在结构设计时一共产生了多种方案，最初的方案一，是直接在杯盖上放置一个风扇，并在旁边开几个通气孔，使保温杯中的热饮上方形成气流，带走热量，来完成降温的功能;而在方案二中，我们在内胆的内部再加了一层螺旋形状的薄壁，其中有部分凹陷处可以与内胆的内壁形成管道，大大增加了气体与水杯杯壁的接触面积，从而加大了散热面积，同时在杯盖上加装风扇来让空气快速通过，带走热量。而我们综合各方面因素，选择了方案二。首先，方案一与方案二最大的区别就是保温杯中液体在散热时是否与外界空气接触，经过我们的分析，方案一在水与外界沟通的情况下，其散热效果更好，但是却有很多的缺陷：电机与液体容易发生接触，会导致短路，烧坏电机。在散热的状态下，杯体如果发生倾倒，其内的液体就会流出，很容易造成烫伤。现在很多地域空气中的颗粒物较多，会严重影响其内饮品的质量。综上，如果选择方案二，就避免了这些问题。因此，我们决定采用方案二，方案二机械结构图见图14。23.4.2 机械结构134图15、水杯杯盖机械结构三视图机械结构部分主要用于实现该产品在散热功能与保温功能之间的智能切换，水杯杯盖的机械结构三视图见图15，在温度大于一个预设值时，采用散热模式，由电机驱动齿轮（1），通过转片上的内齿轮（2），带动转片，打开通风口，并且开启两边的风扇（3），一边抽气，一边进气，加快流速，达到加速散热的方式。而在温度小于预设值的时候，则用同样的方式，关闭通风口，关闭风扇达到密封保温的效果。2431图16、杯盖基座部分俯视图杯盖基座部分俯视图见图16，该部分为杯盖的底座，是杯盖的主体结构，其中，1处用于固定转片的轴，2处用于放置驱动齿轮的电机，3处用于放置驱动风扇的电机，4处用于放置温度传感器。321图17、杯盖盖片俯视图图18、杯盖盖片左视图图17、图18分别是杯盖盖片的俯视图和左视图，杯盖盖片为杯盖最上端的盖片，其中1处用于拼接，2处用于固定转片的轴，3处用于限转片的转动范围。21图19、转片俯视图旋转片的俯视图见图19，其中1处为转片的转轴置于底座部分的1处，用于固定，2处的内齿轮和电机上的齿轮契合，从而达到传动的效果，使转片旋转。4软件设计降温水杯的使用流程：假设现在用户拥有一杯温度高于65的热饮，如果用户想马上引用该饮料，用户需要按键开启降温水杯的降温功能，然后首先杯盖旋片旋开，用户会看到两个漏斗结构、两个风扇结构和热敏电阻。然后风扇开始工作，若干分钟后，风扇停止工作，旋片徐徐旋转将杯盖密闭，此时用户就可以饮用适宜温度的饮料。上述流程的控制逻辑图见图20。图20、程序流程图5整合测试由于我们仍然属于测试开发阶段，缺乏相应的金属加工工艺支持，所以我们采用3D工艺打印了整个杯盖相关结果和螺旋散热结构，对我们的设计的可行性和有效性进行测试。5.1降温能力测试本实验使用了降温水杯、200ml的温度大约为60的饮用水、Arduino主控制板、温度传感器、风扇以及相关的测试装置如量筒和温度计。我们设置两个不同的实验组，一组实验组即采用了我们的设计并正常工作的降温水杯，一组对照组采用相同的结构，但是保持螺旋散热结构的通风口密闭，同时引用水出口敞开，以测试降温水的快速降温能力。具体测试步骤：（1）连接装置，并连接好风扇（2）准备热水，并测定热水温度（3）开始试验，每隔一分钟测定温度一次（4）实验过程中，使温度传感器始终保持在水中部，记录数据（5）结束实验。图21、降温能力测试实验组数据曲线图图22、降温能力测试对照组数据曲线图实验数据见图21，从图中的曲线我们可以得出结论：螺旋散热结构正常工作时，普通塑料杯的降温速度约为1.0/min；螺旋散热结构不工作时，普通保温杯的降温速度约为0.2/min，从这组实验我们可以看出采用了我们的螺旋散热结构设计后的水杯，降温能力明显优于敞口的保温水杯。5.2不同体积饮料条件下的降温能力测试显然在饮料的散热降温过程当中，由于换热面积是固定的，所以饮料的体积和降温速率成反比。本组实验对降温水杯在不同体积饮料体积变量情况下的降温能力测试，分为两组，一组100ml，一组200ml，数据表格分别见表1、表2。具体测试步骤： （1）连接装置，一组安装风扇，另一组不安装风扇（2）准备热水，并测定热水温度（3）开始试验，每隔一分钟测定温度一次（4）实验过程中，使温度传感器始终保持在水中部，记录数据（5）结束实验时长（分）12345678910降温功能开71.3 69.9 68.5 67.1 65.7 64.3 62.9 61.5 60.1 59.7 降温功能关71.3 71.0 70.7 70.3 70.1 69.8 69.5 69.2 68.8 68.5 时长（分）11121314151617181920降温功能开58.3 56.9 55.6 54.4 53.1 51.8 50.4 49.0 47.9 46.5 降温功能关68.2 68.0 67.7 67.3 67.0 66.6 66.5 66.4 66.2 66.0 图23、100ml饮料条件下，降温水杯降温能力测试图表1、100ml饮料条件下，降温水杯降温能力测试数据本组实验使用了经改装后的保温杯、水（200ml）、Arduino主控制板、温度传感器以及导线；图24、100ml饮料条件下，降温水杯降温能力测试图时长（分）12345678910降温功能关67.7 67.5 67.3 67.1 66.9 66.7 66.6 66.4 66.2 66.0 降温功能开67.7 66.8 65.9 64.9 63.9 63.0 62.1 61.2 60.3 59.6 时长（分）11121314151617181920降温功能关65.8 65.6 65.4 65.2 65.0 64.9 64.6 64.4 64.2 64.0 降温功能开58.7 57.9 57.1 56.3 55.6 54.8 54.0 53.1 52.0 51.1 表2、200ml饮料条件下，降温水杯降温能力测试数据5.3分析讨论从图23和图24中的曲线图，我们可以看出采用我们的设计方案的降温水杯降温能力显著，远远优于我们平时敞口放置的降温方式，而且从图23和图24的比较来看，饮料的体积对降温水杯的降温能力影响较大，但是就算是200ml情况下，我们的降温水杯依然在20分钟内将饮用水温度从将近70降到了50。而且考虑到实际情况下，金属的导热性能远远优于塑料，所以降温性能还有质的提高。但是从上述数据我们就已经能确定我们的螺旋降温结构的有效性了。但是在我们试验程序的过程中，我们也遇到了一些小小的问题，但是我们都一一排查解决了。首先出现的问题是Arduino板上通过的电流过小无法带动电机及舵机转动，因而我们引入扩展板、继电器以及电池。再次试验过程中，扩展板在5V状况下，以3.3V同时为HIGH和LOW，0V为LOW，导致了实验中电机不断转动且无法停止。我们共提出三个方案：一，改变程序中的初始设定环境，但这一方案很快遭到反对，改变初始环境设定会拖慢整个程序的运行速度，从而使得温度变化更不可控。二、使用扩