基于USB接口供电的迷你冰箱电路系统的研究与设计.docx

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基于USB接口供电的迷你冰箱电路系统的研究与设计

摘要：

基于USB接口供电的迷你冰箱是一个小型的冷热器，它没有家用冰箱复杂的电路，它靠半导体致冷片将热量从片的一面传导到另一面的方法，达到制冷的效果，再利用直流电源极性倒过来能使热传导方向改变的原理，达到半导体加热的效果。

该USB小冰箱无噪音，无压缩机，绿色环保，小巧玲珑，节能轻便，制造工艺精美细致，能在5分钟内制冷到8.5摄氏度（或47华氏度），而且只需5伏电压——只要有USB接口（1.1或者2.0接口）即可。

它不需要外加驱动程序，随意插入USB接口即可！

几分钟后就可以使用了。

它适用于在办公室，学校或出去旅游，是一个随身携带的冷热器，但该小冰箱的电源部分不稳定，不能知道冰箱的温度是否加热适宜，针对以上小冰箱的特点和不足，我们从以下三个方面对小冰箱作了改进：

电源部分，过热检测部分，温度告知部分。

首先对小冰箱的电源部分进行了改进，利用二极管的特性，采用了双电源，一条可以采用USB电源，另一根可以用家用电源。

在两条线相连部分利用二极管的单向导通性，把两条电源线相连，并用仿真软件对设计的开关稳压电源进行仿真，利用该电源，可以减少电源的损耗，提高效率。

其次对小冰箱的温控部分进行了改进，在冰箱的温控部分装上过热检测系统，并设置适当的温度进行检测，方便提醒用户。

尤其达到60℃的时候，那时热敏电阻闪烁频率为零。

并通过仿真把冰箱温度的变化对LED1闪烁频率的改变和热敏电阻的阻值变化进行分析与总结。

再次增加温度告知功能，在电路中连接温度告知电路，方便用户及时知道冰箱温度。

查看温度的时候，利用二极管发光的个数来确定电路的温度。

在详细分析USB供电小冰箱的工作原理后，针对上述技术改进，采用Multisim作了仿真，仿真结果证实了这些技术改进收到了良好的效果。

关键词：

冷热器；半导体；开关稳压电源；过热检测系统；温度告知电路

StudyandDesignofMini-refrigeratorCircuitSystemBasedontheUSBPowerSupply

HuKankan

CommunicationEngineering,Information&TechnologySchool,ZhejiangShurenUniversity

Abstract:

TheminirefrigeratorsupplyingpoweronthebasisofUSBinterfaceisasmall-scalecoldandhotdevice,itdoesnothavecomplicatedcircuitofadomesticrefrigerator,itdependonsemiconductorrefrigerationsliceheatfromtheconductingtothemethodofanothersideofone,gettheresultofrefrigeration,andthenutilizepolarityofdirectcurrentsourcetoturntheprinciplethatcanmaketheheat-conductiondirectionchangearound,reachtheresultthatthesemiconductorisheated.ThisUSBmini-barhasnonoise,withoutcompressor,greenenvironmentalprotection,prettyandcleverly-made,energy-conservationislight,manufacturingprocessisexquisiteandcareful,canrefrigeratewithin5minutesto8.5℃（or47degreesFahrenheit）,andonlytakesvoltageof5volts--SolongasthereisUSBinterface（1.1or2.0interface）.Itdoesnotneedanydriveratall,insertsUSBinterfaceatwill!

Canuseseveralminuteslater.Itissuitableforintheoffice,theschoolorgoingouttotravelisacarry-oncoldandhotdevice,butthepowerpartofthismini-barisunstable,can'tknowwhetherthetemperatureoftherefrigeratorisheatedsuitably,tocharacteristicanddeficiencyoftheabove-mentionedmini-bars,wehaveimprovedthemini-barfromthreefollowingrespects:

Forexample:

Powerpart,measurethepartoverheatedly,tellsomeintemperature

Improvethepowerpartofthemini-baratfirst,utilizethecharacteristicofthediode,havingadoptedapairofpower,onecanadoptUSBpower,anotheronecanusethehomepower.Whatlinkedupandutilizedthediodepartlywaslinkedtotwocablestotheconductiononlyontwolines,andcarryonemulationtotheswitchsteadyvoltageplugthatisdesignedwiththeartificialsoftware,utilizethispower,canreducethelossofthepower,raisetheefficiency.Secondlyhasimprovedthetemperature-controledpartofthemini-bar,hasloadedinthetemperature-controledpartoftherefrigeratorontotheoverheateddetectionsystem,setupappropriatetemperaturetomeasure,itisconvenienttoremindusers.Whileespeciallyreaching60℃,frequencyglimmersaszerointhethermalresistoratthattime.AndchangeoftemperatureglimmerchangeoffrequencytoLED1andpersonwhohinderofthermalresistorchangeanalyzesandsummarizesrefrigeratorthroughemulation.Increasetemperaturetotellthefunctionagain,connecttemperaturetotellthecircuitinthecircuit,helpusersknowtherefrigeratortemperatureintime.Whilelookingovertemperature,makeuseofnumberthatthediodegivesoutlighttoconfirmthetemperatureofthecircuit.

Aftertheoperationprincipleofthemini-barthatUSBsuppliespowerindetailedanalysis,improvetotechnologydescribedabove,useMultisimasemulation,theartificialresulthasverifiedthesetechnologicalimprovementhasachievedthegoodresult.

Keywords:

Coldandhotdevice;Semiconductor;Steadyvoltageplugofswitch;Overheateddetectionsystem;Tellthecircuitintemperature

1绪论

USB是英文UniversalSerialBUS的缩写，中文含义是“通用串行总线”。

它不是一种新的总线标准，而是应用在PC领域的接口技术。

基于USB接口供电的迷你冰箱采用了这个技术，用5V的USB电源冷却饮料，内置LED灯，不需要压缩机。

它没有家用冰箱复杂的电路，它靠半导体致冷片将热量从片的一面传导到另一面的方法，如果把直流电源极性倒过来的话，热传导方向也会改变，这就是半导体致冷片的原理。

当然不需要压缩机了，而且也不需要加致冷剂。

半导体致冷片是整个冰箱内外冷热交换的唯一部位。

虽然简单，它也能把温度下降到0-5℃（最低温度，环境温度20-25℃）.在加热的过程中，也能把温度加到60℃左右，打破了冰箱以往的作用，实现了冰箱的致冷和加热双重作用。

目前，冰箱应用的层面极广，除了家用以外，还应用到车上和其他领域。

它不单单只是运用我们的生活中，还运用到我们的科研和学习方面，为了解决一些常见问题，譬如携带方便，轻巧等问题，越来越多的科学家进行了研究和改造，一些功能更好的冰箱已经上市，我们如下介绍的也是其中一款很实用的冰箱：

基于USB接口供电的迷你小冰箱。

1.1本课题的研究背景和意义

家电产品是我们日常生活中最常见的物品，它们已经融入到我们的生活中，我们每天都在自觉或不自觉地使用着它们。

随着科技的发展和社会的进步，家用电器产品的形式正在日益变得丰富多彩，产品的品种也正随着技术的进步而不断增加[1]。

可想而知：

中国冰箱经过引进、吸收和消化的20年,有了高速的发展,但是国内目前对电冰箱的本土化概念研究尚未具体展开,大多数只是停留在外观造型上的创新及新技术上的应用。

由于冰箱产业的日益成熟,产品市场也开始进入成熟期,竞争开始出现白热化状态,生产商无不在积极采用各种方式和手段,来争得产品市场的一席之地。

而市场竞争的另一个结果就是直接导致了冰箱产品同质化的现象,也就是说冰箱产品在结构、功能、服务、外观、价格、使用、技术基础等等各个方面有很大的相似性,同级别产品相互之间具有很强的可替代性。

最早的冰箱属于“舶来品”的一种,不管是功能、结构、界面还是技术都是直接从国外引进。

在一段时期内,外来的优势使使用者暂时忽略了自己根本无法挥去的生活方式,但是由于不同的民族与国家,在生活状态、生活方式、生活习惯与生活水平上都有一定的差异,有的甚至相差较远,当使用者的消费意识日益成熟时,会逐渐意识到自己的真正需要,什么才是适合于自己生活的产品,这时候由于中西文化差异所产生的矛盾便出现了。

[2]近几年，我国小家电市场正呈现出方兴未艾的旺销态势。

从某种程度上说，品种繁多的小家电已成为消费者生活的必需品，使用小家电的数量及选购其品质已是老百姓生活水平高低的标志之一。

市场的旺盛需求带动了生产的高速增长，近期，为适应消费需求的快速增长，不少大家电厂家纷纷转产小家电产品，使小家电产品生产量急剧增加。

例如冰箱就是我们在生活中不可少的家电。

它和我们的生活息息相关[3]。

目前，人们对冰箱要求日见增高，尤其在它的容量、功能、保鲜效果方面特高。

这就要求我们设计的电冰箱容量大、功能全、保鲜好、自动化程度高，并且能携带更便利、舒适而且安全，能根据用户的要求和需要进行运用，尤其在上班期间更方便。

为了解决市场上冰箱体积大，供电不方便等问题，并且提高人们在夏天工作的效率，适应市场需要，因而我们设计了用USB接口供电的迷你小冰箱。

该USB小冰箱无噪音，无压缩机，绿色环保，小巧玲珑，节能轻便，制造工艺精美细致，能放在办公桌上。

你只要把一听易拉罐放在里面，然后把它插入一个开启的电脑USB接口，几分钟后就能喝到冷饮料了。

它能在5分钟内制冷到8.5摄氏度（或47华氏度），而且只需5伏电压——只要有USB接口（1.1或者2.0接口）即可。

不需要任何驱动程序，随意插入USB接口即可！

该设计包含的技术有：

数字和模拟技术、单片机控制技术、USB供电系统、电路设计与电路仿真技术等[4]。

1.2家用普通冰箱电路系统简介

冰箱是一种使食物或其他物品保持冷态的小柜或小室内有制冰机用以结冰的柜或箱带有制冷装置的储藏箱。

家用电冰箱的容积通常为20～500升。

1910年世界上第一台压缩式制冷的家用冰箱在美国问世到如今生活中有了超低温冰箱（低至-100度左右）冰箱为止,大部分是用来做实验等,真正用于生活中的还不多。

1.2.1家用普通冰箱的组成

电冰箱主要由箱体、门体、制冷系统、电气系统及附件五部分组成。

1.2.1.1箱体和门体

箱体、门体根据不同的温度要求组成若干间室，与外界空气隔绝并分别保持一定低温。

箱体、门体由箱壳、箱胆、门壳、门胆等结构件和绝热材料组成。

1.2.1.2制冷系统

电冰箱的制冷系统由压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管、和蒸发器组成，制冷系统利用制冷剂的循环进行热交换，将冰箱内的热量转移到冰箱外的空气中去，达到使冰箱内降温的目的。

[5]

（1）压缩机

家用电冰箱用压缩机一般为全封闭压缩机。

它的全称为“电冰箱用全封闭型电动机-压缩机”，它实际是将压缩机与电动机全部密封在机壳内。

[6]压缩机是制冷循环系统的“心脏”，它的作用是在电动机的带动下，输送和压缩制冷剂蒸气，使制冷剂在系统中进行制冷循环。

当压缩机电动机带动曲轴作旋转运动时，连杆将旋转运动转化为活塞的往复式运动。

活塞在气缸中所作的往复运动，可分为吸气、压缩、排气和膨胀四个工作过程。

压缩机冷冻油的作用a、润滑作用减小机器运动部件的磨损，延长机器的使用寿命。

b、降温作用

c、密封作用冷冻油在压缩机运动部位起着密封作用，防止制冷剂的泄漏。

冷冻油的性能和质量直接影响着制冷压缩机的工作和运行。

因此，了解冷冻油的性能和牌号，以便正确选用冷冻油就显得十分必要。

国产的冷冻油按其50℃时的运动粘度分为13、18、25、30、40、等5个牌号。

不同牌号的冷冻油不能混合使用，但可以代用，其原则是高牌号可以代替低牌号冷冻油。

[7]

（2）冷凝器

冷凝器又称为散热器，是电冰箱制冷系统中主要的热交换设备。

冷凝器的作用是将压缩机排出的高温、高压制冷剂蒸汽，在冷凝器里经过热量的传递，向周围空气散热，使制冷剂蒸气冷却然后液化成液体。

防露管既起到了冷凝器的作用，又使冷冻室门口周围温度升高，防止冷冻室门口周围凝露。

[8]

（3）毛细管

毛细管有两个作用：

a.保持冷凝器制冷剂和蒸发器制冷剂之间有一定的压力差，以保证制冷剂蒸汽在冷凝器内有较高的压力，从而使制冷剂蒸汽在冷凝器内散热冷凝成液体；保证制冷剂液体在蒸发器内有较低的压力，从而使制冷剂液体在蒸发器内吸热蒸发成气体。

b.控制制冷剂流量。

如果毛细管阻力大，制冷剂流量小，制冷量少，蒸发温度低；如果毛细管阻力小，制冷剂流量大，制冷量大，蒸发温度高。

它是一根细而长的紫铜管。

内径一般为0.5～1mm，长度为2～4m不等。

铜管的导热性能良好。

[10]

（4）蒸发器

蒸发器是冰箱制冷系统中的产生冷的部件，俗称冷源。

蒸发器的作用：

从毛细管降压后的制冷剂气液混合体（气液比例约为1：

9）进入蒸发器，在低压下蒸发由液体变成气体，经蒸发器吸收箱内的热量，达到制冷的目的。

蒸发器内制冷剂的蒸发温度越低，冷却周围物体的能力越大，而它的蒸发面积是由压缩机产生冷量决定的。

[11]

（5）干燥过滤器

干燥过滤器的构成：

干燥过滤器外壳为铜管，直径为Φ16左右，长100-150mm，铜管两端缩口，铜管里面两端装有铜丝过滤网，中间装有分子筛。

干燥过滤器的作用：

干燥过滤器安装于冷凝器与毛细管之间，用以吸附制冷系统中的水分，以防止发生冰堵，同时还起到过滤作用，防止杂质、碎物等进入毛细管引起脏堵。

（6）制冷剂

制冷剂是指在制冷系统中实现制冷循环的工作介质。

在压缩式制冷循环中，利用制冷剂的相变传递热量，即制冷剂在蒸发过程吸热，在冷凝过程放热。

冰箱所用制冷剂主要有四类：

R12、混合工质（R152a/R22）、R134a、R600a

1.2.1.3电气系统

电气系统的主要作用是将箱内的温度控制在一定的范围内，以保证冷藏冷冻的需要。

（1）机械式温控冰箱电气系统零部件

①温控器②过载保护继电器

（2）电脑温控冰箱电气系统

①双温双控冰箱控制原理

②四点感温电脑控制冰箱

1.2.1.4附件

（1）对上置冷冻室，冷冻室搁架为钢丝搁架，冷藏室搁架和果菜盒为平面钢化玻璃，门搁架为PS塑料搁架。

（2）对下置冷冻室，冷冻室抽屉为ABS不透明抽屉或为AS（也有PS）透明抽屉，冷藏室搁架和果菜盒为平面钢化玻璃，门搁架为PS塑料搁架。

1.2.2家用冰箱的工作原理

现今，在这么多的冰箱中，他们的工作原理也有所不同，如下就列举了几种常见的冰箱工作原理。

1.2.2.1压缩式电冰箱

该种电冰箱由电动机提供机械能，通过压缩机对制冷系统作功。

制冷系统利用低沸点的制冷剂，蒸发时，吸收汽化热的原理制成的。

其优点是寿命长，使用方便，目前世界上91～95％的电冰箱属于这一类。

1.2.2.2吸收式电冰箱

该种电冰箱可以利用热源（如煤气、煤油、电等）作为动力。

利用氨－水－氢混合溶液在连续吸收－扩散过程中达到制冷的目的。

其缺点是效率低，降温慢，现已逐渐被淘汰。

1.2.2.3半导体电冰箱

它是利用对PN型半导体，通以直流电，在结点上产生珀尔帖效应的原理来实现制冷的电冰箱。

1.2.2.4化学冰箱

它是利用某些化学物质溶解于水时强烈吸热而获得制冷效果的冰箱。

1.2.2.5电磁振动式冰箱

它是用电磁振动机作本动力来驱动压缩机的冰箱。

其原理、结构与压缩式电冰箱基本相同。

1.2.2.6太阳能电冰箱

它是利用太阳能作为制冷能源的电冰箱。

1.2.2.7绝热去磁制冷电冰箱。

1.2.2.8辐射制冷电冰箱。

1.2.2.9固体制冷电冰箱。

1.2.3家用冰箱内部电路的原理图

如图1所示，我们看到了冰箱的各个组成和连接情况，从这里不难看出，在冰箱的内部结构中，温控电路起着心脏的作用，在整个冰箱中控制温度的高低来达到制冷的目的。

图1冰箱内部电路原理图

1.3基于USB接口供电的迷你冰箱电路系统简介

1.3.1USB设备的接入

USB接口中的＋5V电源不但可以为外接设置提供小电流供应，并且还起着检测功能。

当USB设置插入USB接口后，主机的＋5V电源就会通过USB边线与USB设备相通。

USB外设的控制芯片会通过两只10K的电阻来检查USB设备是否接入了主机的USB端口。

如果这两个引脚一个为高电平，一个为低电平时就表示USB外设已经正常确连入USB接口，这时外设的控制芯片开始工作，并通过DATA＋，DATA－向外送出数据。

这时主机接收数据后，就会提示发现新硬件，并开始安装新硬件驱动。

1.3.2基于USB接口供电的迷你冰箱内部电路

USB迷你小冰箱并不像家用冰箱有那么复杂的电路系统，它是根据热电制冷原理（Peltier Effect） ，运用先进的半导体制冷技术，采用特殊的制冷散热系统制造的，是具有制冷效果佳、无压缩机、 无氟利昂、无振动，低1噪音（<30dB）、超低耗能、使用寿命长、环保等优点的实用新型产品。

本产品特别适合宾馆客房、酒楼贵宾房、娱乐室、单身公寓、学生宿舍、办公室、家庭卧室、医院病房等场所。

用于冷藏食品、饮料、水果、酒水等，也可以冷藏化妆品、药品，或茶叶等，十分方便实用。

尤其是在宾馆上星级、上等级， 树立绿色环保健康形象的首选必备产品。

该冰箱有以下部分组成：

1.箱体 2.门轴盖 3.箱门 4.磁性密封条 5.内门板 6.后茹7.散冷风扇 8.风扇罩 9.搁物层架 10.排水 11.脚垫步 12.接水盘。

该迷你小冰箱用USB5V供电.，内部LED电源指示，在电源线有个开关，两个挡，一个是加热开关，另一个是致冷开关。

使用制冷时,5分钟内温度降至最低8.5度；使用加热时,5分钟内温度加到最高60度。

不需要电池，在内部电路，最主要就是靠半导体来达到制冷加热的效果。

在工作，最大的功率消耗为10W。

[12]

以下就是在使用该小冰箱要注意的问题：

（1）不可用本机加热碳酸饮料及其他类似液体.

（2）切勿把液体直接倒入本机内胆内

（3）本机应该远离潮湿放置

（4）不要用湿手触摸本机

（5）停用时请拔掉电源插头

（6）保持通风口干净无杂物阻塞

（7）减少本机在太阳下暴晒的机会

（8）高温或潮湿环境下机器工作时有些须水珠出现属于正常现象,这时只需用干布或者毛巾弄干即可。

2基于USB接口供电的迷你冰箱电路系统工作机理及技术改进

2.1基于USB接口供电的迷你冰箱电路系统工作机理

2.1.1USB电源供电系统工作机理

2.1.1.1电源的概述

电源[powersupply]向电子设备提供功率的装置。

把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。

发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能.发电机.电池本身并不带电,它的两极分别有正负电荷,由正负电荷产生电压（电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的）,电荷导体里本来就有,要产生电流只需要加上电压即可,当电池两极接上导体时为了产生电流而把正负电荷释放出去,当电荷散尽时,也就荷尽流（压）消了.干电池等叫做电源。

通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。

能提供信号的电子设备叫做信号源。

晶体三极管能把前面送来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去。

晶体三极管对后面的电路来说，也可以看做是信号源。

整流电源、信号源有时也叫做电源。

电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供家电所有部件所需要的电能。

电源功率的大小，电流和电压是否稳定，将直接影响冰箱的工作性能和使用寿命。

电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、工控设备、计算机和电脑、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热等领域。

2.1.1.2USB电源的概述

通用串行总线UniversalSerialBus使PC机与外部设备的连接变得简单而迅速,随着计算机以及与USB相关便携式设备的发展,USB必将获得更广泛的应用。

由于USB具有即插即用的特点。

它不需要任何驱动，可以马上使用。

如图2就是USB的结构框架：

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