沈晔超,杨 浩,王 亮

(安徽机电职业技术学院，安徽 芜湖 241002)

0 引 言

至2019年，中国机动车保有量已达3.3亿辆[1]。驾驶和使用机动车的人数也随着机动车保有量的增加不断攀升。为了营造舒适的乘车环境，家用轿车、公共汽车往往采用车载空调[2]进行车内的温度调节。但一些农机或挖掘机受工作场合和自身设计条件限制(例如敞篷设计、驾驶室不密封等)难以实现车载空调的安装，驾驶员在长期操作这类机动车的情况下会感觉座椅发热，这一现象在炎热的夏天尤为突出，不佳的驾乘环境容易造成机动车上人员的不适。半导体制冷技术是基于珀尔帖效应[3]的新型制冷技术。[4]与依靠压缩机制冷的传统方式不同，半导体制冷技术脱离了运动部件的束缚，噪音、体积和质量都大大减小[5]，容易实现制冷装置小型化，由于不使用制冷剂[6]，半导体制冷装置无污染、寿命长。近年来，许多专家学者对半导体制冷片技术进行了研究，文献[7-9]分别利用COMSOL多物理场仿真软件、比例——积分——微分(PID)控制方法、电涌保护器温度控制方法，解决了半导体制冷系统振动噪音、高精密环控系统温度波动较大、功率损耗及热崩溃方面的问题；文献[10-11]研究了增强光抽取方法、最大制冷系数和最大制冷量的最优外部参数、提高了激光制冷的效率、实现了半导体制冷系统的优化设计和运行控制，但目前采用半导体制冷片技术进行水冷坐垫的设计研究还比较少见。结合半导体制冷片的特点，采用压力传感器调节，通过供电、温控、水循环系统等部件共同作用，能够实现智能坐垫的制冷温度控制，为机动车驾乘人员的防暑降温提供了一种新的方法。

1 半导体制冷片水冷坐垫构架思路

为了适应家庭电源和车载电源等不同供电模式，基于半导体制冷片的新型智能水冷坐垫预置了汽车车载12V电源、开关电源等多种方式的电路供电，制冷循环方面采用循环水的方式使得坐垫内的水循环系统吸收坐垫和人体之间的热量，使人坐着更加舒适。该智能坐垫包括可以容纳水等冷却液体的中空坐垫本体，坐垫上设置进水口和出水口，并分别通过管道和水箱的出水口、进水口连接，水箱中存储水等液体。智能水冷坐垫的原理示意图如下图1所示。

1-水箱；2-坐垫；3-水泵；4-操作面板

智能水冷坐垫和水箱的连接管路中设置水泵，水泵与控制系统的微控制器关联用于提供水箱和坐垫空腔内液体的循环动力。智能水冷坐垫的外观模型如下图2所示。

图2 坐垫外观模型图

2 半导体制冷片水冷坐垫控制结构原理

智能水冷坐垫的水循环动力由微控制器(AT89C52单片机)驱动水泵电机转动实现。由于坐垫采用中空结构并在空腔内充满水，坐垫内部的液体(水)可以吸收一部分人体和坐垫接触后产生的热量，从而保持坐垫的相对低温，同时为了防止长时间坐在坐垫上造成坐垫空腔内水变热。通过管道连接水箱，经过水泵电机提供循环动力，使得坐垫空腔内的液体与水箱内的液体一直处于动态循环的低温状态，坐垫内变热的水进入水箱后可以在水箱内散热或与水箱液体混合而降温。其电源电路图如下图3所示。

图3 电源电路图

在坐垫上设置用于检测是否有人坐在坐垫上的压力传感器，贴片式压力传感器设置在坐垫外表面或空腔内，可以感知人坐下后的压力信号，同时发送至微控制器。当人坐下后，压力出现变化，微控制器以此微信号控制水泵的工作，从而满足自动控制水循环的目的。为了实现更加准确的水泵电机控制工作，坐垫上设置了温度传感器。温度传感器采用DS18B20，输出端连接微控制器。用户通过主动温控按钮可以调节适宜温度，当检测到人坐在坐垫上且当前温度大于设定温度时，微控制器自动控制水泵电机的转动，实现水泵自动化的工作，水循环系统启动用以降低坐垫空腔内温度数据。

在水箱内设置水温传感器并通过微控制器设定最高温度。当温度大于这个数值时，微控制器输出控制信号，制冷系统工作保持水箱内温度始终低于设定的水箱水温最大值。制冷系统在微控制器的作用下通过温度传感器和压力传感器收集反馈的信号进行判断，决定处于工作或者休眠状态。微控制器与其它传感器间的沟通实现了坐垫温度的动态平衡，其控制结构原理如下图4所示。

图4 坐垫控制结构原理图

3 半导体制冷片水冷坐垫样机制作

将制冷片通过热传导片与半导体的冷面连接进行热传导后，再将热传导片置于水箱液体内，半导体制冷片通过支架设置在水箱上。这样水温就可以通过热传导片传来的相对低温与水箱内的相对高温进行交互。通过半导体制冷片的制冷模式，大大缩减的了智能水冷坐垫的体积，该系统采用的半导体制冷片如下图5所示。

图5 半导体制冷片

为了更好的实现温度控制，完善人机交互界面，主机箱上设有控制面板，包含有自动模式、手动模式、冷雾加湿等多种工作模式选择按键，工作状态采用LCD12864液晶显示屏输出显示。人机交互界面设计示意如下图6所示。

图6 人机交互界面示意图

智能水冷坐垫的温度传感器、压力传感器与微控制器可采用有线和无线连接两种方式，当采用有线连接时，连接导线可以沿着管道布置或者直接将导线预留设置在管道壁内等多种方式布线，微控制器通过PCB集成设置在水箱箱体上。该系统采用的电路板设计和内部电路布局如下图7、8所示。

图7 PCB电路板设计图

图8 智能水冷坐垫内部电路布局图

此外，智能水冷坐垫水箱内的水还可以和加湿器(声波加湿器)配合使用，加湿器采用水箱内降温后的液体，可以有效的采用冷水进行降温和加湿。该系统选用的超声波加湿器如下图9所示。

图9 超声波加湿器

通过三维建模的方式进行了产品外观的设计，在保证产品电路合理布局的基础上，制作了样机。新型智能水冷坐垫的体积小，重量轻，便携性高，如下图10所示。

图10 智能水冷坐垫实物图

4 试验现象及结果

采用220V家用电源或汽车车载12V电源向智能水冷坐垫供电，内置的稳压器使输入电压稳定在3.3V，给主控芯片提供稳定可靠的工作电压。经单片机控制三极管，再由三极管驱动继电器，继电器通断决定是否给半导体制冷片上电，通过预置在单片机内的程序来控制半导体制冷片的工作情况，以确保坐垫提供和保持在用户设定的适宜温度。驱动电路如下图11所示。

图11 驱动电路图

为了使得温控系统的人机调控界面实现简洁可视化操作，温控部分主要靠上升和下降两个按键组成，面板上显示设置温度(Shezhi)和当前实时温度(Temp)。下图12所示为试验过程中的一次温控调节实例，坐垫当前的温度已经降至21.1℃，用户将设置温度调整为25℃，半导体制冷片停止工作，避免温度进一步降低。经过不同环境下的测试，该智能温控坐垫最低可降至约15℃，完全可以满足人们在炎炎夏日中的降温需求。

图12 温空调节面板和按键

5 结 语

基于半导体制冷片的新型智能水冷坐垫包括具有空腔的坐垫，坐垫上设置坐垫进水口和出水口，进出水口分别通过管道和水箱相连，连接管道上设置了关联微控制器的水泵，用于提供水箱和坐垫空腔内液体的循环动力。坐垫采用半导体制冷片提供的水冷方式，可以使得坐垫上的用户更加舒适，同时循环系统使坐垫和水箱内的液体实时进行交互，箱内的液体通过冷却系统进行冷却带走热量，从而保持坐垫处于凉爽适宜的温度。利用LCD液晶显示屏和主动温控按钮，实现了智能水冷坐垫的温度个性化控制，通过关联声波加湿器，采用水箱内降温后的液体进行雾化，可以有效实现降温和加湿，为用户带来清凉。该智能制冷坐垫体积小、重量轻、便于携带，具有一定的实用价值。