德州學(xué)院 孟佑喜 王志坤 劉錕 王伯韜 鄭培東

1 提出背景及意義

隨著社會的高速發(fā)展，野外旅行也被越來越多的人推崇，隨之而來的野外旅行問題也被越來越多的人所關(guān)注，例如：旅行過程中沒有熱水、電子設(shè)備的電量不足等問題。而且在人們對物質(zhì)生活要求越來越高的今天，如何提供更加適合旅行所用的產(chǎn)品就顯得十分重要。例如野外供暖的熱源提供等問題，只有生產(chǎn)出解決這些問題的綜合性產(chǎn)品，才能在市場具有更大的競爭力，為此，戶外保溫杯的產(chǎn)品被提出。

當(dāng)今世界能源的節(jié)約與利用已經(jīng)被越來越多的人重視，如何在節(jié)約能源的同時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的生活是當(dāng)今世界關(guān)注的重要問題，而資源的節(jié)約不僅是體現(xiàn)在國家層面的大項(xiàng)目節(jié)約更體現(xiàn)在我們每個(gè)人的日常生活中。通過這種戶外保溫水杯，我們可以減少熱量的損失，避免因?qū)Ρ永锏乃M(jìn)行加熱而造成資源的浪費(fèi)。相反，我們利用太陽能進(jìn)行保溫以及對相應(yīng)的蓄電池進(jìn)行蓄電，更加充分地利用了資源。

2 產(chǎn)品的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)采用真空雙層結(jié)構(gòu)，能夠在最大程度上減少散熱并減輕產(chǎn)品的質(zhì)量，使其便于攜帶。該戶外保溫杯的外形結(jié)構(gòu)主要有杯體（包含太陽能發(fā)電板）、USB電能輸出端口、溫度感應(yīng)器、單片機(jī)控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、蓄電池、內(nèi)壁加熱器以及熱量顯示屏（內(nèi)置觸摸軟按鍵）七部分組成。

2.2 產(chǎn)品制造材料的選擇

該戶外保溫水杯的材料主要分為兩部分：一部分是加熱部分的材料選擇，另一部分是保溫杯主體的材料選擇。保溫水杯加熱部分的材料選擇的是PTC熱敏電阻，因?yàn)闊崦綦娮璧膽?yīng)用性能比較好。該熱敏電阻本質(zhì)上是一種半導(dǎo)體電阻，它對外界溫度的變化十分敏感，因此我們可以通過實(shí)驗(yàn)檢測出該材料的熱敏性數(shù)值，將其設(shè)定一定的數(shù)值，這樣當(dāng)溫度超過設(shè)定的溫度時(shí)，電阻值變化就會非常快。PTC熱敏電阻的本身溫度主要由兩種方式獲得：一是通過流過電阻本身的電流，二是通過外界熱量的輸入來獲得。選擇不銹鋼作為保溫杯主體的材料，因?yàn)槠湮锢硇阅芎突瘜W(xué)性能比較穩(wěn)定，可以保證在受到撞擊和其他外部因素影響時(shí)，最大可能地保護(hù)保溫杯不受破壞，提高產(chǎn)品的抗破壞能力，符合社會的發(fā)展需求。

2.3 溫度感應(yīng)及單片機(jī)系統(tǒng)的工作原理

在戶外保溫杯的杯底安裝溫度感應(yīng)器，對杯內(nèi)的水溫進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)控，并將檢測到的數(shù)據(jù)傳回單片機(jī)中，單片機(jī)內(nèi)部的程序?qū)骰氐臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將分析的結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，當(dāng)水杯內(nèi)的水溫與設(shè)定溫度差值超過5℃時(shí)，單片機(jī)向位于水杯內(nèi)壁的加熱器發(fā)送工作信號，內(nèi)壁加熱器開始執(zhí)行單片機(jī)傳回的命令，對杯內(nèi)水進(jìn)行加熱。加熱的同時(shí)溫度感應(yīng)器依舊對水溫進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，向單片機(jī)傳送相應(yīng)的信號，經(jīng)單片機(jī)系統(tǒng)程序判定后停止加熱。

2.4 太陽能蓄電池的充放電

太陽能蓄電池主要是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，在轉(zhuǎn)換的過程中盡量減少能量的損失。太陽能板吸收的太陽能以電能的形式儲存下來后，在單片機(jī)不發(fā)送信號時(shí)，能量的消耗主要是設(shè)備本身的消耗，只有當(dāng)接收到單片機(jī)發(fā)出的相應(yīng)信號時(shí)，電池才會進(jìn)行相應(yīng)的充電或者是放電。

2.5 安全保護(hù)裝置

保溫杯安全保護(hù)措施主要包括兩部分：一種是來自于產(chǎn)品外部，如碰撞、擠壓等外部因素，另一種是來自產(chǎn)品內(nèi)部，如杯內(nèi)水量較少時(shí)引起的杯內(nèi)系統(tǒng)的誤加熱等因素造成對保溫杯的破壞。首先是來自產(chǎn)品外部的影響，主要是通過對產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，包括增大外表面的相切度，減少產(chǎn)品本身存在的應(yīng)力，通過對材料本身的性能進(jìn)行優(yōu)化，提高材料的抗震性能等。其次是對于產(chǎn)品內(nèi)部的影響，當(dāng)杯內(nèi)水量低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)判定這部分水為剩余水，不對其進(jìn)行加熱。這樣就不會造成能量的浪費(fèi)，也不會因?yàn)檎`加熱造成產(chǎn)品本身的損壞。

3 產(chǎn)品的能量轉(zhuǎn)換及可行性分析

能量的轉(zhuǎn)換主要是光能、電能以及熱能三者之間的轉(zhuǎn)換，其中能量的損失主要發(fā)生在能量的轉(zhuǎn)換過程中，通過對能量轉(zhuǎn)換過程中的損失功率，計(jì)算出相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換效率，就可分析出該產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用過程中能量的轉(zhuǎn)換情況。

該設(shè)計(jì)能夠從很大程度上將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并儲存下來以獲得對保溫杯內(nèi)水加熱所需要的能量，該產(chǎn)品能夠從很大程度上解決野外旅行者對戶外運(yùn)動(dòng)綜合性產(chǎn)品的需求，滿足使用者對綜合便捷這一要求。本設(shè)計(jì)利用的主要能源是太陽能，清潔環(huán)保無污染，并且符合可持續(xù)發(fā)展的要求，適應(yīng)當(dāng)今社會可持續(xù)發(fā)展、資源利用化的要求，在未來將會具有廣闊的市場前景。