一种基于模糊控制的多工作模式智能保温杯及控制方法与流程

本发明属于保温控制技术领域，尤其涉及一种基于模糊控制的多工作模式智能保温杯及控制方法。

背景技术：

保温杯一般是由陶瓷或不锈钢加上真空层构成的环体密闭结构，而热力的传播有三种途径：辐射、对流和传递。保温杯内银色的杯胆能反射热水的辐射，因此内胆多镀铜或镀银，来达到隔绝热量传递的目的。随着放置时间的延长，保温杯内部的热量会逐渐散发掉，保温杯内部冷却后也无法对内部进行重新加热。传统意义上的保温杯大多适用在冬季，功能单一，适用性不强，并且在夏季基本上没有应用空间。

技术实现要素：

本发明的目的是为了实现冬季更长时间的保温、加热以及在夏季能更快喝到合适温度的饮品，提供一种能够实现长时间保温、随时加热和快速制冷三种工作方式的保温杯。

为实现上述目的，采用的技术方案是，一种基于模糊控制的多工作模式智能保温杯，包括杯体和杯盖保护层(1)，杯体内设置有储水层(10)、真空层(8)和功能层(9)，储水层(10)嵌套在功能层(9)中，真空层(8)设置于储水层(10)与功能层(9)之间，杯盖控制旋钮(2)置于储水层(10)的上方，杯盖保护层(1)置于杯盖控制旋钮(2)的上方；还包括：储水层(10)外壁覆盖的加热电阻丝(11)；杯体上设置的led显示屏(4)；led显示屏(4)下方的功能层(9)中设置的控制模块；储水层(10)底部附着的温差发电片(7)，温差发电片(7)底面冷端镶嵌于功能层(9)的底面，冷端分别附着于真空层(8)外层的两边，其热端镶嵌于功能层(9)内壁的两边构成第一制冷器(5)和第二制冷器(5＇)；功能层(9)底部设置的蓄电池槽(6)；储水层(10)的上端口镶嵌的两两对称的第一金属结点(12)、第二金属结点(13)、第三金属结点(14)和第四金属结点(15)；杯盖控制旋钮(2)包括绝热层(19)和绝缘层(20)，绝热层(19)表面沿直径方向固定有一根导线(16)，导线两端点第五金属结点(17)、第六金属结点(18)，绝缘层(20)采用螺旋方式扣在绝热层(19)上方；储水层(10)上端口口径与绝热层(19)口径相同；

第一制冷器(5)和第二制冷器(5＇)与led显示屏(4)串连；温差发电片(7)一端连接第一金属结点(12)，另一端连接加热电阻丝(11)，加热电阻丝(11)的另一端连接第二金属结点(13)，蓄电池槽(6)一端连接第三金属结点(14)，另一端连接第二开关，第二开关的另一端连接加热电阻丝(11)，第二金属结点(13)与第三金属结点(14)通过第一开关连接，第一制冷器(5)和第二制冷器(5＇)一端连接第四金属结点(15)，另一端连接第二开关的另一端；控制模块分别与led显示屏(4)、杯盖控制旋钮(2)、第一开关和第二开关连接。

在上述的基于模糊控制的多工作模式智能保温杯中，储水层(10)与功能层(9)的顶部采用螺纹配合，且储水层(10)的导热系数大于功能层(9)的导热系数。

在上述的基于模糊控制的多工作模式智能保温杯中，发热电阻丝(11)以双螺旋状覆盖于储水层(10)外壁。

在上述的基于模糊控制的多工作模式智能保温杯中，控制模块包括单片机，与单片机连接的d/a转化电路和a/d采集电路，与d/a转化电路连接输出控制模块，与a/d采集电路依次连接信号处理电路和传感器；输出控制模块与杯盖控制旋钮(2)、第一开关和第二开关连接，单片机与led显示屏(4)连接，传感器与储水层连接。

在上述的基于模糊控制的多工作模式智能保温杯中，功能层(9)的底部采用温差发电片(7)的底座。

在上述的基于模糊控制的多工作模式智能保温杯中，温差发电片(7)选用工业级温差发电片sp1848-27145。

本发明还提供了基于模糊控制的多工作模式智能保温杯的控制方法，

一种基于模糊控制的多工作模式智能保温杯的控制方法，采用模糊自适应控制器进行控制，模糊自适应控制器为一个两输入、两输出的模糊控制器，以温度实际测量值与给定值之差e和温差变化率ec作为模糊控制器的输入，通过模糊控制规则对保温杯功能进行在线调节，通过以下步骤实现：

步骤1、向保温杯中倒入一定温度的水，根据需求设定温度值；

步骤2、传感器检测水温，经过信号处理电路将信号传给单片机；

步骤3、在单片机内，将检测信号与设定信号进行比较，得出水温温差e，计算温差变化率ec并模糊化处理；

步骤4、依据模糊化处理结果，通过水温比对，分别采用加热a、保温b、制冷c三种模式进入工作状态。

在所述的基于模糊控制的多工作模式智能保温杯的控制方法中，步骤4所述三种模式工作状态的实现包括以下步骤：

步骤4.1、加热模式a的实现包括以下子步骤：

步骤a1、若设定温度值明显高于保温杯内水温时，通过单片机对传感器信号与设定温度值进行比较，水温温差e负大(nb)，且温差变化率ec负大(nb)，则单片机发送信号至行程开关1，使第一开关和第二开关同时闭合，通过蓄电池槽(6)中的蓄电池为发热电阻丝(11)提供电能，加热回路开始工作；

步骤a2、传感器检测温度并经过信号处理电路将信号反馈给单片机，在单片机内与设定温度值进行比较并计算温差变化率，直到水温温差e为零(zo)，温差变化率ec也为零(zo)时，保温杯内水温达到设定值，单片机发送信号至行程开关1，断开加热回路；

步骤4.2、保温模式b的实现包括以下子步骤：

步骤b1、当保温杯内水温在设定温度值附近时，单片机输入信号至行程开关2，使杯盖旋转至第一金属结点(12)、第二金属结点(13)与第五金属结点(17)、第六金属结点(18)重合，保温回路开始工作，温差发电片(7)产生电能提供给发热电阻丝(11)，发热电阻丝(11)对储水层(10)进行热补偿；

步骤4.3、制冷模式c的实现包括以下子步骤：

步骤c1、当设定温度值明显低于保温杯内水温时，通过单片机对传感器信号与设定温度值进行比较，水温温差e偏正大(pb)，温差变化率ec也偏正大(pb)时，根据模糊控制规则，单片机发送信号至行程开关3；

步骤c2、行程开关3接收到信号后，使杯盖旋转至第三金属结点(14)、第四金属结点(15)与第五金属结点(17)、第六金属结点(18)重合，同时闭合第二开关，通过蓄电池对第一制冷器(5)和第二制冷器(5＇)传输电能，制冷回路开始工作；

步骤c3、当设定温度值等于保温杯内水温时，通过单片机对传感器检测温度与设定温度值进行比较，达到水温温差e为零(zo)，温差变化率ec也为零(zo)时，单片机发送信号至行程开关3，断开制冷回路。

本发明的有益效果是：本发明保温杯结构简单，制造方便，功耗极低，使用灵活，通过模糊控制实现保温杯的加热保温或加速降低保温杯内水温，能够根据使用者的设定值调整水温，非常人性化，具有很高的适用性。

附图说明

图1为本发明一个实施例保温杯主体结构示意图；

图2为本发明一个实施例储水层结构示意图；

图3为本发明一个实施例电路原理图；

图4为本发明一个实施例杯盖控制旋钮俯视图；

图5为本发明一个实施例控制模块整体电路框图；

图6为本发明一个实施例温度传感器电路图；

图7为本发明一个实施例控制器的结构图；

图8为本发明一个实施例模糊控制逻辑条件语句形式；

图9为本发明一个实施例温差发电片sp1848-27145温度与电压关系图；

图10为本发明一个实施例传统保温杯与本发明保温杯保温曲线对比图；

图11为本发明一个实施例保温杯制冷时间与温度曲线图；

其中，1-杯盖保护层、2-杯盖控制旋钮、3-金属结点、4-led显示屏、5-第一制冷器、5＇-第二制冷器、6-蓄电池槽、7-温差发电片、8-真空层、9-功能层、10-储水层、11-加热电阻丝、12-第一金属结点、13-第二金属结点、14-第三金属结点、15-第四金属结点、16-导线、17-第五金属结点、18-第六金属结点、19-绝热层、20-绝缘层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例以第一热电效应(塞贝克效应)与第二效应(佩尔捷效应)为基础，提出一种智能保温杯，该保温杯以单片机为核心，利用温差发电片实现保温杯恒温控制。单片机接受两类信号，一类是温度设定值信号，一类是温度传感器传来的温度信号。保温杯存在两种供能模式，一种是利用温差发电片接收储水层(传统保温杯内胆)与功能层之间的温差生成电流，与加热电阻丝相连构成加热回路；另一种是通过外接充电对杯底自带的蓄电池进行充电；另外，保温杯分为三种工作模式，温差发电片接收储水层与功能层之间的温差生成电流，与加热电阻丝相连构成加热回路是用于对杯中的水进行持续辅热，在单片机的模糊控制结构下，延缓水温的下降，满足使用者对长时间保温的需求；当使用者需要给杯中水降温时，蓄电池对固定在功能层内壁的制冷器供能，对保温杯内的水进行制冷处理；当使用者需要给杯中水加热时，蓄电池对嵌在储水层外壁上的加热电阻丝供能，给杯中水加热。

一种基于模糊控制的多工作模式智能保温杯，结构如图1所示，包括储水层10(传统保温杯内胆)、真空层8、功能层9和杯盖控制旋钮2，关键在于所述储水层10外壁嵌入加热电阻丝11，储水层10的底部附着温差发电片7热端，温差发电片7底面冷端镶嵌在功能层9底面，在真空层8的两边外层分别附着温差发电片7的冷端，温差发电片7的热端镶嵌在功能层9的内壁形成第一制冷器5和第二制冷器5＇两个制冷器与led显示屏串连，led显示屏4连接控制模块，作为控制模块的指令输入器，在功能层9底部装有蓄电池槽6，蓄电池槽6中放入蓄电池，它分别与附着在功能层9内壁的第一制冷器5和第二制冷器5＇和镶嵌在储水层10的加热电阻丝11相连。

储水层10如图2所示，在上端口镶嵌有四个对称的金属结点，第一金属结点12、第二金属结点13、第三金属结点14、第四金属结点15，且第一金属接点12连接温差发电片7，第二金属结点13连接发热电阻丝11，第三金属结点连接蓄电池槽6，蓄电池槽6另一端设置第二开关，第四金属结点连接第一制冷器5和第二制冷器5＇；温差发电片7、发热电阻丝11、第二开关、第一制冷器5和第二制冷器5＇的另一端相连接；第二金属结点13与第三金属结点14之间设置第一开关。如图3所示。

杯盖控制旋钮2如图4所示，包括绝热层19与绝缘层20，在绝热层19表面固定一根导线16，端点为一组对称的金属结点，分别是第五金属结点17、第六金属结点18，而绝缘层20扣在绝热层19上方，且卡口呈螺旋状。温差发电片7正负极与储水层10上的发热电阻丝11相连，与杯盖构成保温回路，当单片机控制杯盖旋转至第一金属结点12、第二金属结点13与第五金属结点17、第五金属结点18重合时，保温回路开始工作。温差发电片7由于储水层10与外部底部的温差较大产生电能，并通过保温回路输送到发热电阻丝11，由发热电阻丝11对储水层10进行热补偿，延缓水温的下降，满足使用者对更长时间保温的需求。在使用者需要较高温度的水时，单片机的控制接通第一开关和第二开关，加热回路开始工作，将保温杯内的水快速升温，加热至设定温度时，断开加热回路，既高效的满足使用者对较高水温的需求又保证了安全性。在保温杯水温较高，且使用者需要制冷时，分布在真空层8外壁两端的第一制冷器5和第二制冷器5＇与led显示屏4、扭紧的杯盖以及功能层9底部的蓄电池槽6构成制冷回路，当杯盖在单片机的控制下旋转至第一金属结点14、第二金属结点15与第五金属结点17、第六金属结点18重合，且接通第二开关时，通过6-蓄电池对5-制冷器传输电能，制冷回路开始工作。

储水层10嵌套在功能层9中，储水层10与功能层9由互相配合的螺纹组成，储水层10的导热系数大于功能层9的导热系数；发热电阻丝11、温差发电片7、蓄电池槽6、导线16，第一制冷器5和第二制冷器5＇均设置于储水层10外壁中，保证了安全性；功能层9的底部由温差发电片7的底部组成。在装配时，将发热电阻丝11以双螺旋状覆盖储水层10，有效的增加受热面积，然后将储水层10放入功能层9中，绝热层19沿着直径方向布置一根导线16，然后加上绝缘层20，旋转储水层10，使储水层10通过顶部的螺纹与功能层9连接，从而使发热电阻丝11、温差发电片7紧固于储水层10与功能层9之间，第一制冷器5和第二制冷器5＇紧固于真空层与功能层内壁间。

控制模块的电路框图如图5所示，包括单片机、d/a转化电路、输出控制模块、a/d采集电路、信号处理电路和传感器，单片机分别连接led显示屏4、d/a转化电路、a/d采集电路，d/a转化电路连接输出控制模块，输出控制模块连接控制对象，a/d采集电路连接信号处理电路，信号处理电路连接传感器。

传感器电路如图6所示。

模糊自适应控制器的结构如图7所示，控制器是一个两输入、两输出的模糊控制器，以温差e(实际测量值与给定值之差)和温差变化率ec作为模糊控制器的输入，通过模糊控制规则对保温杯功能进行在线调节，以满足使用者对不同温度的需求。

设模糊控制器的输入量温差e和温差变化率ec经模糊化处理得到模糊语言变量e和ec，e和ec的模糊子集均为{nb,zo,pb},输出量行程开关s的模糊子集为{ht,zo,lt}，选取模糊语言变量e论域为{100、60、0}，ec与s的论域为{-1，0，1}，建立隶属函数，并设e均服从三角形隶属函数曲线分布，ec是由温度传感器测得，因此只在{-1，0，1}内变换，从而得到温度变化模糊控制规则见表1。

表1

本实施例选用最大隶属度法进行反模糊化处理

e的隶属函数：

最大隶属法：

基于模糊控制规则表1模糊推理可知，各参数控制规则可写成条件语句的形式如图8所示。

步骤1：向保温杯中倒入一定温度的水，使用者根据需求设定温度值；

步骤2：保温杯通过温度传感器检测水温，经过放大电路将信号传回给单片机；

步骤3：在单片机内，检测信号与设定信号进行比较，计算变化误差并模糊化处理；

步骤4：依据模糊控制规则表水温比对分为加热a、保温b、制冷c三种情况，分三种模式进入工作状态；

步骤a01：若定值温度与水温温差e负大(nb)，且变化误差率ec负大(nb)，则单片机输出信号至行程开关1，杯盖旋转至13、14金属结点与金属结点17、18重合，蓄电池加热回路开始工作。

步骤a02：温度传感器检测温度并由放大电路反馈给单片机，在单片机内与设定信号进行比较并计算变化误差，直到杯内水温达到设定值。

步骤b01：当水温在设定值附近时，单片机输入信号至行程开关2，杯盖旋转至12、14金属结点与金属结点17、18重合时，温差片保温回路开始工作，温差发电片由于储水层10与外部底部的温差较大产生电能，由发热电阻丝11对储水层10进行热补偿，延缓水温的下降，满足使用者对更长时间保温的需求。

步骤c01：当设定温度明显低于杯内水温时，在单片机内，温度传感器信号与设置比较后，温差e偏pb(正大)，变化率ec也偏pb(正大)时，根据模糊规则，单片机发送信号至行程开关3。

步骤c02：行程开关3接收到信号后，杯盖旋转至13、15与金属结点17、18重合时，通过蓄电池6对制冷器5传输电能，制冷回路开始工作。

步骤c03：当温差e为零(zo)，变化率ec也为零(zo)时，即检测温度达到设定温度时，单片机发送信号至行程开关3，断开制冷回路。

本实施例采用用了工业级温差发电片sp1848-27145，并对其性能进行了测试，得到了如图9所示的温差发电片温度与电压关系图。

如图10所示传统保温杯与本发明保温杯保温曲线对比图，由图10可以看出本实施例保温曲线优于传统保温杯。

如图11所示，给出了本实施例保温杯制冷时间与温度的关系曲线。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。