基于Arduino 温差发电温控水杯的设计

邱承圣，李城州，王丽娟，徐海璐

（南京工业大学 浦江学院，江苏南京，211134）

0 引言

近年来，随着资源的过度开发和由此导致的环境恶化为人类敲响了警钟，随着化石能源的日益匮乏，人类的能源形势也变得越来越严峻[1]。

在提高经济活动成本的同时，能源的不可持续使用也使生存环境遭到严重破坏。为实现可持续发展，加大对新能源和资源回收利用的研究投入。

清洁能源的开发和使用将越来越重要，因为能源消耗和环境问题变得更加迫切。将热能有效地通过温差转化为电能，是清洁能源领域的重要发展。温度差发电的优点是不动部件，不污染噪音，不排放废气，可靠性高。因此，温度差发电技术的研究在理论和工程上都具有十分重要的价值。

半导体温度差发电是一种全固态发电方式，利用半导体材料的热电效应，直接将热能转化为电能。温度差发电有5大显著优势，比传统发电方式更具优势。一是不含机械部件、不会产生噪音、发电过程中不会产生机械振动的温度差发电技术；二是热源适应性强，可在不同温度下实现热电的转换，适当选用热电材料；三是体积小，重量轻，携带方便，随拿随走；四是运转顺畅，可靠性高，寿命长。不需要长时间维护，性能稳定，可靠性高，寿命长，无需长时间保养；五是在能源转换过程中不产生废料的安全无污染几乎无污染的温差环境发电技术[1～2]。因此，无论是国内还是国外，利用温度差发电技术将各种热能转换成电能就成了一个炙手可热的研究课题。

1 设计原理

原理是根据Seebeck 效应制成的半导体温度差发电模块，将两个半导体的吸热端(热端)置于高温下，在低温环境的另一端散热端(冷端)得到电动势E[3]:

式中：αs为Seebeck 系数，单位为V/K。

Seebeck 系数αs是由材料本身的电子能带结构决定的。

在实际应用中，半导体广泛用于产生温差所带来的能量转换，这种半导体主要被分类为P 型和N 型两种类型。P型半导体带有带正电的空穴，而N 型半导体则携带带负电的自由电子。由于这两种载流子的电极性质不同，因此相同温度梯度下，P 型和N 型半导体产生的电位差极性也不同。利用这种特性，经过一定量的交替排列的P 型和N 型半导体进行组合，从而形成了一个热电转换模块。

本设计用了一个尺寸为40mm×40mm×3.4mm 的温度区分功率模块，127 对PN 结，Bi-TeRoHs 合金作为温度区分功率模块的主要原材料，连续工作温度最高120℃，最高125℃。温度差发电元件两端有温度差，则转换元件可以产生连续的直流电流，而且元件两端的温度差越大，其产生的直流电流就越大，热电转换的效率也就越高，因此，转换元件两端的温度差越大。

本研究测量了其开路电压和开路电压性能与热端温度在不同冷端温度下的关系[4]，见图1（Tc：冷端温度）。

图1 随着热端温度的不同，开路电压与开路电压的表现关系

2 实物设计

2.1 整体设计

本文想研究设计的是一种基于初始电池的自温差发电给自己供电，并且基于Arduino 主板控制的实时温度检测模块和电池实时电量并显示于OLED 屏幕的温控水杯。因为温差发电消耗热量较快，且温差发电有最低温度差，当开水(100℃)倒入杯中激活温差发电装置时，会快速消耗热量进行发电，并且有铝制散热片进行散热，保证温差发电片具有温差发电的同时，可对开水进行有效散热，当温度降到一定温度，发电停止，从而实现对水温度的控制。

基于温差发电的温控水杯的设计由以上三个硬件部分组成。温度差发电部分与蓄电池部分相连，蓄电池部分与Arduino 主控硬件部分相连，见图2、图3。

图2 温差发电温控水杯设计图

图3 实物放电拍摄

2.2 硬件设计

2.2.1 温差发电硬件设计

本设计采用了以Bi-TeRoHs 合金为主要原材料的温差发电组件，温差发电参数为：温差40 度：开路电压1.8V，发电电流：368mA；温差60 度：开路电压2.4V，发电电流：469 mA；温差80 度：开路电压3.6V，发电电流：558mA；温差100 度：开路电压4.8V，发电电流：669mA。温差发电模块：将一个不锈钢杯体和半导体温差发电组件的吸热面（热端）粘贴，将半导体温差发电组件的散热面（冷端）与散热铝片相连，以此保证半导体温差发电组件不会因为热源的热传导而失去两面的温度差，而失去发电能力。因为考虑到还会有其他方式进行散热，温差发电所得开路电压并达不到5V，需要升压模块来将电压升至稳压5V，才能进行稳定提供供电。

本设计采用的升高电压原理[5]。当开关处于关闭时，输入的电压被施加到电感器上面，电感器此时被电压（Vi）通电，增加的电感器上的电流为：（Vi）＊Ton。当开关断开时，二极管VD 由于持续输出电流而变得导电，电感器被关闭，电感器减少的电流为：（Vo-Vi）＊Toff。如果开关关闭时达到平衡，(VI)＊TON=(VO-VI)＊TOFF，VI

结合实际生活中的使用需求，使温差发电的温差更小，本文研究设计的温控水杯温差发电模组用到的升压模块原理图如图4 所示。

图4 本文所用升压器原理图

温差发电的关键部件是散热器，它直接影响着温差发电的功率输出，成为提高该功率输出的必要因素。散热器以冷空气在翅片之间流动为主要散热过程，通过热交换与翅片表面实现向外界空气传热的目标，自然空气冷却则是主要的冷却方式。通过合理的散热模块设计，可以达到减少材料用量和装置重量，同时还能够降低散热所需电能，提高装置的工作效率。

2.2.2 蓄电池硬件设计

半导体温差发电组件经过升压模块的升压稳压后虽能供给Arduino 的5V 用电需求，但是发电时间短，并不适用于长时间使用，为此本设计配置了一块1500mA/3.7V的锂电池[6]（锂电池具有能量比高、使用寿命长、重量轻、绿色环保等优点），利用又一升压模块来给Arduino 进行无线供电，并考虑到如果在温差发电给锂电池充电的同时使用Arduino 会使锂电池进行边充边放，这样不利于电池的长期使用，而且会对电池造成损伤，为此，本设计将充电与放电过程分为两部分，使用一个开关控制，开关为充电时仅进行充电操作，反之供电。使水杯整体携带，使用简单、方便、快捷。

2.2.3 Arduino 主控硬件设计

主芯片选用Arduino UNO R3，轻松上手经典[7]。经典上手方便。

本文选用四针脚分辨率高、体积小、功耗小的0.96 英寸OLED 显示屏。OLED，有机发光二极管，由于其出色的特性，如自发光、无背光、高对比度、薄、宽视角、快速响应时间、灵活性、宽温度范围以及简单的设计和制造工艺，被公认是下一代平板显示应用。该模块有4 个触点：VCC、GND、SCL 和SDA。VCC 是电源触点，用于为模块供电，通常是3.3V 或5V。GND 是接地触点，用于模块接地。SCL 是时钟信号接点，用来作为时钟信号传输数据。SDA是数据信号引脚，用于数据传输。它通常应连接到主站的数据引脚。使用I2C 接口时，该引脚也可以被指定为SDA（顺序数据线）。

温度感应器采用防水的DS18B20 数码温度感应器，可直接放入水中，以测量水温。DS18B20 温度传感器相当精确，不需要外部元件。它可以测量从-55℃～+125℃的温度，精度为±0.5℃。然而，默认设置为12 位（即0.0625℃的精度）。该传感器可以在3V 和5.5V 之间操作，在有效的温度转换过程中只消耗1mA。DS18B20 数码温度感应器为3 线接口：分为A 型和B 型。在连接电线之前，要对传感器的接口进行标记。A 型：红线（VCC），黑线（GND），黄线（DATA）；B 型：红线（VCC），黑线（GND），绿线（DATA）。

电路原理图如图5 所示。

图5 电路原理图

2.3 软件设计

根据以上硬件设计，已初步建立好温差发电温控水杯的硬件框架，以下为Arduino 的软件设计部分，编程语言为Arduino 语言，为使温控水杯更人性化设计及使用方便，我们外置采用OLED 显示屏显示：电池剩余电量；实时显示当前水温。软件设计主流程图如图6 所示。

图6 软件设计主流程图

软件调试采用Arduino 1.8.15，在 Arduino IDE 中打开一个新的项目，并确保已经安装了 OneWire 库（用于DS18B20 传感器）。

子程序1，DS18B20 温度传感器部分程序如下：

子程序2，在 Arduino IDE 中打开一个新的项目，并确保已经安装了 Adafruit SSD1306 库（用于 OLED 屏幕），导入所需的库。在代码的顶部添加以下行：

OLED 显示屏的部分程序如下所示：

3 结论

温差发电技术提供了一种利用低质量热源的新方法，并具有独特的优势，即只要温差存在就能发电，这就开辟了广泛的应用。

热电材料没有气态或液态流出物，能量转换过程中不排放废水、废气等污染物，是一种对环境几乎零排放的能源材料，对保护环境、改善人类生存和可持续发展具有十分重要的意义。

本文采用基于热电材料Seebeck 效应的温差发电技术设计的温控水杯，安装方便，加工成本低，热变电效率较高，充分利用了开水的热量，大大提高了经济效益，运行安全可靠，无污染，有促进市场推广的前景。