一种温感装置、系统及其温度控制方法与流程

本发明涉及温度调节的技术领域，具体涉及一种温感装置、系统及其温度控制方法。

背景技术：

随着虚拟现实和增强现实的快速发展和应用，基于虚拟现实或增强现实的温度感知触觉也是一个重要的研究方向。温度感知触觉就是感知冷和热的过程。现有的温度感知触觉装置多采用高电压，能耗大，资源浪费较大。且当前的温度感知触觉装置体积较大，如采用冷凝制冷和压缩的方式制冷，另外还有液体汽化制冷、吸附式制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷等，这些制冷方式对设备要求都较高，导致设备体积较大，无法应用于小平台的工作环境。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种温度感知装置、系统及其控制方法，能够同时产生冷气和热气的温度感知触觉，该装置体积小，制冷和加热效率高，解决了现有技术中温度控制装置体积大的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种温感装置，包括：

加热模块，包括热腔和设于热腔内的ptc发热体，ptc发热体通过夹块垂直固定于热腔内壁上，如此设置ptc发热体不与腔壁接触，增大了气流与ptc发热体接触面积，可提高散热效率；制冷模块，包括冷腔和设于冷腔内的半导体制冷片，半导体制冷片嵌入冷腔的腔壁内，制冷片的冷面朝向冷腔内，半导体制冷片的热面朝冷腔外，冷腔与热腔并排设置；进气组件，包括设于热腔和冷腔底座的进气口，进一步的，进气口为u型槽；出气组件，包括设于热腔和冷腔顶部的出气口和设于出气口和进气口之间的排气扇，排气扇的叶片正面朝向出气口，用于将腔内气流从出气口排出；控制模块，用于据接收到的温度指令控制温感装置工作。

进一步的，为提高ptc发热体的散热效率，ptc发热体单面设有散热片或双面设有散热片，用于辅助散热。

进一步的，半导体制冷片的冷面连接散热片，半导体制冷片的热面连接水冷降温组件，以提高降温效率。

进一步的，制冷片为双层制冷片，所述双层制冷片为一片半导体制冷片的冷面与另一片半导体制冷片的热面进行贴合而成，满足更大范围的制冷需求。

进一步的，进气组件还包括用于减小热腔进气通道的第一挡板和用于减小冷腔进气通道的第二档板，第一挡板和第二档板的设置位置高于进气口的上边界。挡板减小了进气通道，腔内与腔外热量交换通道变小，起到一定的保暖作用。

进一步的，第二档板与排气扇所在平面呈一定的倾斜角设置，所述倾斜角为5°～45°，用于汇集所述冷腔内制冷时产生的水滴至所述第二档板的最低处，所述最低处设有出水孔，用于排出冷腔制冷产生的水滴。

进一步的，出气组件还包括用于保温的止回片机构，止回片机构包括保温板、弹簧扭簧和内框，保温板设于排气扇下方，保温板的其中一边通过弹簧扭簧与腔壁相连形成旋转轴，内框为水平环绕腔壁设置的用于限制保温板位置的边框，内框与保温板贴近并设于保温板的下方，当腔内无气流时，所述保温板与内框闭合，当有气流驱动时，保温板围绕转轴转动。

进一步的，控制模块包括设于热腔内的第一温度传感器、设于冷腔内的第二温度传感器、安装在热腔或冷腔外壁上的下位机，第一温度传感器用于实时获取热腔内的气流温度，第二温度传感器用于实时获取冷腔内的气流温度，上位机用于控制ptc发热体、半导体制冷片和排气扇的电流。

本发明还提供一种温感系统，包括：上位机和上述的温感装置；上位机接收场景触发的温感需求并向温感装置发出温度指令，温度指令中包括需要气流的类型和气流的目标温度范围，需要气流的类型为冷气流或热气流；上述的温感装置的控制模块接收温度指令，并控制出气口排出与需要气流类型一致且当前温度符合目标温度范围的气流；上位机通过下位机与温感装置通信连接；下位机与半导体制冷片、ptc发热体、第一温度传感器、第二温度传感器以及排气扇通信连接。

本发明还提供一种温感系统的温度控制方法，方法用于上述温感系统，包括：

s1上位机接收场景触发的温感需求，并向温感装置发送温度指令，温度指令中包括需要气流的类型和气流的目标温度范围，需要气流的类型为冷气流或热气流。

s2控制模块接收温度指令，并结合pid控制算法实时监测出气口的温度和目标温度范围，利用pwm控制所述出气口排出与需要气流类型一致且当前温度符合目标温度范围的气流。使用pid控制算法，可以减小温感装置产生的气流温度的误差。因为当检测到温度到达目标温度范围内，才断开ptc加热体或半导体制冷片，热腔内的温度还会上升，冷腔内的温度还在下降，温度可能会发生超调。温感系统通过将实时测量的温度数值与目标温度范围的比较，提前预测温度变化，使用pid控制算法合理控制ptc发热体和半导体制冷片的电流通断时间。

进一步的，s2包括：

s21下位机获取所述温度指令，提取需要气流类型和目标温度范围。

s211若需要气流类型为热气流，下位机获取第一温度传感器测量的第一温度值与目标温度范围比较。

若第一温度值位于目标温度范围中，下位机控制热腔内的排气扇转动，在气流的驱动下，热腔内的保温板转动，出气口排出与需要气流类型一致且当前温度符合目标温度范围的气流。

若第一温度值不在目标温度范围中，下位机通过pwm控制继电器的通断，进而控制ptc发热体的电流的通断来调节热腔内的温度，此时止回片机构处于闭合保温的状态，热腔内的保温板在弹簧扭簧的作用与内框闭合，直到第一温度落入目标温度范围中，下位机控制热腔内的排气扇转动，在气流的驱动下，热腔内的保温板转动，出气口排出与需要气流类型一致且当前温度符合目标温度范围的气流。

s212若需要气流类型为冷气流，下位机获取第二温度传感器测量的第二温度值与目标温度范围比较。

若第二温度值位于目标温度范围中，下位机控制冷腔内的排气扇转动，在气流的驱动下，冷腔内的保温板转动，出气口排出与需要气流类型一致且当前温度符合目标温度范围的气流。

若第二温度值不在目标温度范围中，下位机通过pwm控制继电器的通断，进而控制制冷片的电流的通断来调节冷腔内的温度，此时止回片机构处于闭合保温的状态，冷腔内的保温板在弹簧扭簧的作用与内框闭合，直到第二温度落入所述目标温度范围中，上位机控冷腔内的排气扇转动，在气流的驱动下，冷腔内的保温板转动，出气口排出与需要气流类型一致且当前温度符合目标温度范围的气流。

s22下位机通过pwm控制半导体制冷片、ptc加热体、排气扇的电流的通断，形成一个自动负反馈控制回路，通过pid控制算法保持出气口排出与需要气流类型一致且当前温度符合目标温度范围的气流。

本发明的有益效果：

(1)本发明选择了体积小且薄的半导体制冷片和ptc发热体分别作为制冷源和加热源，将其分别封装在两个独立的腔体内工作，可以同时产生冷热两种气流，也可只产生其中一种气流，减小了装置的体积的同时也可提供多种温度感知触觉。

(2)本发明通过在制冷片和ptc发热体上连接散热片，同时在两个腔内设有保温用的止回片机构，提高了装置制冷和加热效率。

(3)本发明提出的系统主要由温度传感器和上位机作为输入，半导体制冷片、ptc加热体、排气扇作为主要输出，上位机和下位机通信连接传递温度指令至温度感知装置，下位机通过控制半导体制冷片、ptc发热体、排气扇，形成一个自动负反馈控制回路，实现了装置的自动触发式温度控制。

(4)本发明提出的系统将实时测量的温度数值与目标温度范围的比较，使用pid控制算法提前预测温度变化，合理控制ptc发热体和半导体制冷片的电流通断时间，提高了控制温度的精度，可以保证误差±0.5℃。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种温感装置一个实施例的正面结构透视图；

图2为本发明一种温感装置一个实施例的侧面结构透视图；

图3为本发明一种温感装置一个实施例中的ptc发热体结构示意图；

图4为本发明一种温感系统一个实施例的系统结构示意图；

图5为本发明一种温感系统一个实施例的系统控制框图。

附图标识：1加热模块；11热腔；12ptc发热体；13夹块；21冷腔；22半导体制冷片；23水冷转接头；231进水口；232出水口；24进水管；25水泵；26出水管；27水槽；3进气组件；31进气口；32第一档板；33第二档板；34排水管；4出气组件；41出气口；42排气扇；43支撑架；44止回片结构；441保温板；442弹簧扭簧；5控制模块；51第一温度传感器；52第二温度传感器；53上位机；6散热片；7导线口；8显示模块；81显示装置；82指示装置；9上位机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，

一种温感装置，参见图1至4，包括：

加热模块1，包括热腔11和设于热腔11内的ptc发热体12，ptc发热体12通过夹块13垂直固定于热腔11内壁上，本实施例优选采用2个夹块13固定一ptc发热体12；

制冷模块，包括冷腔21和设于冷腔21内的半导体制冷片22，半导体制冷22嵌入冷腔21的腔壁内，半导体制冷片22的冷面朝向冷腔21内，半导体制冷片22的热面朝冷腔21外，由图可知，热腔11和冷腔21为两个独立的腔体，冷腔21与热腔11并排设置；

进气组件3，包括分别设于热腔11和冷腔21底座的进气口31，优选的，进气口31设置为u型槽；

出气组件4，包括分别设于热腔11和冷腔21顶部的出气口41和设于出气口41和进气口31之间的排气扇42，排气扇42的叶片正面朝向出气口41。

优选的，如图1所示，热腔11内设有两片ptc发热体12，ptc发热体12通过两个夹块13螺纹连接垂直固定于热腔11内壁上，不与腔壁接触，两片ptc发热体12水平并排设置，增大了气流与ptc发热体12接触面积，可提高散热效率；ptc发热体12的型号根据温度需求进行选择；在其他实施例中，通过在ptc发热体12的一面或两面加上散热片6，进行辅助散热以提高热腔加热效率，如图3所示，为ptc发热体12两面加上散热片6的结构示意图。

优选的，如图1或2所示，冷腔21内设有两片半导体制冷片22，两片半导体制冷片22垂直并列嵌入冷腔21的腔壁内，半导体制冷片22的冷面朝向冷腔21内，并连接散热片6，优选的，采用硅胶连接；半导体制冷片22的热面朝冷腔21的外部，并连接水冷降温组件，优选的，水冷降温组件包括水冷转接头23、进水管24、水泵25、出水管26和水槽27。水冷转接头23连接半导体制冷片22的热面，水冷转接头23包括进水口231和出水口232，进水口231连接进水管24利用水泵25从水槽27中抽水，出水口232通过出水管26接入水槽27。如图4所示，本实施例中设有两片半导体制冷片22，两个水冷转接头23分别与其相连，将两个进水口231进行整合汇流到进水管24上，将两个出水口232进行整合连接到出水管26上，再统一连接到水槽27，如图4所示，此处水管为耐高温的硅胶管。

在其他实施例中，当无法满足制冷需求，将单片半导体制冷片22替换为双层制冷片结构，双层制冷片结构为一片半导体制冷片的冷面与另一片半导体制冷片的热面进行贴合而成，然后按照单片半导体制冷片22的形式放置，冷面朝内，热面朝外，加快制冷速度。

进一步的，进气组件3还包括用于减小热腔11进气通道的第一挡板32和用于减小冷腔21进气通道的第二档板33，第一挡板32和第二档板33的设置位置高于进气口31的上边界。优选的，第一挡板32的面积为热腔内空腔水平截面的一半，第一档板32与所述排气扇42所在平面平行，使热腔11原进气通道宽度减少了一半；第二挡板33的长等于冷腔21内空腔的长，宽为冷腔21内空腔宽的三分之二。

进一步的，因为半导体制冷片22制冷时冷腔21内会产生水滴，将第二挡板33与排气扇42平面呈一定的倾斜角设置，倾斜角为5°～45°之间，如图1或2所示，用于汇集制冷时产生的水滴至第二档板33的最低处，在最低处开设一个出水孔，出水孔接有排水管34，用于将水滴排入水槽27；由于半导体制冷片22产生的水温度低，这有利于降低水槽27中水的温度，一定程度上达到水的冷热循环利用。

进一步的，排气扇42设置于出气口41的下方，如图1或2所示。排气扇42通过支撑架43分别固定在热腔11和冷腔21内，垂直于腔壁，排气扇42的叶片正面朝向出气口41；优选的，出气口41设置成可外接管道的圆形口，并设有用于夹紧外接管道的凸边。

进一步的，出气组件4还包括用于保温的止回片机构44，止回片机构44包括保温板441、弹簧扭簧442和内框。保温板441设于排气扇42下方，保温板441与排气扇42之间预留了一定的距离，保证保温板441向上转动的时候不会被排气扇42阻挡，每个腔体内设有两片保温板441，每片保温板441的其中一边通过弹簧扭簧442与腔壁相连形成旋转轴，内框为水平环绕腔壁设置的用于限制保温板441位置的边框，内框与保温板441贴近并设于保温板的下方，当腔内无气流时，保温板441与内框闭合，当有气流驱动时，保温板441围绕转轴转动向上打开，动作类似开门。

进一步的，温感装置还包括根据接收到的温度指令控制温感装置工作的控制模块5，进一步的，控制模块5包括设于热腔11内的第一温度传感器51、设于冷腔21内的第二温度传感器52、安装在热腔11或冷腔21外壁上的下位机53；其中，半导体制冷片22、ptc发热体12、第一温度传感器51、第二温度传感器52、排气扇42连接线都通过导线口7穿出连至下位机53，下位机53安装在装置的后端面，减小装置系统的面积，如图1所述，导线口7设于热腔11的进气口31附近。在其他实施例中，也可将连接线埋入腔壁内。优选的，下位机为arduino单片机。

进一步的，温感装置还包括显示模块8，显示模块8包括：用于显示所述热腔11内和冷腔21内温度的显示装置81和用于指示ptc发热体12和半导体制冷片22的工作状态的指示装置82。显示装置81为两组数码管分别显示热腔11和冷腔21内的温度值，在其他实施例中，显示装置81也可采用lcd屏。指示装置82为两个led灯分别指示热腔11和冷腔21的工作状态，led灯可显示红黄两种颜色，当为红色时，表示该空腔正处于加热或制冷状态，当为黄色时表示空腔内的温度达到了目标温度值，处于保温状态。

进一步的，为减少两个腔室的温度的相互影响，热腔11和冷腔21的腔壁均采用保温材料，或在热腔11和冷腔21的内腔涂上一层保温材料。

进一步的，本实施例采用电源适配器12v的电压对半导体制冷片22、ptc加热体12进行供电；显示模块8、第一温度传感器51、第二温度传感器52、排气扇42直接连接在下位机53上进行供电和控制；水泵25直接连接到12v电源适配器。本领域技术人员可以根据半导体制冷片22和ptc加热体12的型号对电源模块进行相应的修改。在其他实施例中，ptc加热体12额定电压不是12v时，下位机53通过连接12v的电源适配器，再经过变压器将电压变为ptc加热体12的额定电压，再经过继电器连接ptc加热体12进行稳压控制。本实施例的装置大部分组件都采用低压供电，能耗较低。

实施例2：

一种温感系统，参见图5，包括上位机9和实施例1的温感装置：

上位机9接收场景触发的温感需求并向温感装置发出温度指令，温度指令中包括需要气流的类型和气流的目标温度范围，需要气流的类型为冷气流或热气流，优选的，上位机为个人电脑(pc)；

温感装置的控制模块5接收所述温度指令，并控制出气口41排出与需要气流类型一致且当前温度符合目标温度范围的气流；

上位机9通过下位机53与温感装置通信连接；可选的，上位机9和下位机53的连接可以通过usb接口、蓝牙、wifi连接进行数据传输；

下位机9与半导体制冷片22、ptc发热体12、第一温度传感器51、第二温度传感器52以、排气扇42以及水泵25通过导线连接。

实施例中温感系统的温度控制方法：

s1上位机9接收场景触发的温感需求，并向温感装置发送温度指令，温度指令中包括需要气流的类型和气流的目标温度范围，需要气流的类型为冷气流或热气流；场景触发的温感需求可能为冷或热的其中一种，或是同时要求冷热两种温度。

s2控制模块5接收温度指令，并结合pid控制算法实时监测出气口41的温度和目标温度范围，利用pwm控制出气口41排出与需要气流类型一致且当前温度符合目标温度范围的气流。使用pid控制算法，可以减小温感装置产生的气流温度的误差。因为当检测到温度到达目标温度范围内，才断开ptc加热体或半导体制冷片，热腔内的温度还会上升，冷腔内的温度还在下降，温度可能会发生超调。温感系统通过将实时测量的温度数值与目标温度范围的比较，提前预测温度变化，使用pid控制算法合理控制ptc发热体和半导体制冷片的电流通断时间。

进一步的，s2包括：

s21下位机53获取所述温度指令，提取需要气流类型和目标温度范围。

s211若需要气流类型为热气流，下位机53获取第一温度传感器51测量的第一温度值与目标温度范围比较，同时下位机53实时第一温度值发送到显示装置81，显示当前热腔11内的气流温度。

若第一温度值位于目标温度范围中，下位机53控制热腔11内的排气扇42转动，在气流的驱动下，热腔11内的保温板441转动，出气口41排出与需要气流类型一致且当前温度符合目标温度范围的气流；同时下位机53实时地将ptc发热体12的工作状态发送至指示装置82，led灯为黄色表示热腔11处于保温状态，本实施例中，指示装置82为两个led灯，分别实时显示冷腔21和热腔11的工作状态。

若第一温度值不在目标温度范围中，下位机53结合pid算法，通过pwm控制继电器的通断进而控制ptc发热体12的电流的通断调节热腔11内的温度，此时止回片机构44处于闭合保温的状态，热腔11内的保温板441在弹簧扭簧442的作用与内框闭合，同时下位机53将ptc发热体12的工作状态发送至指示装置82，led灯为红色，表示热腔11属于加热状态，直到第一温度落入目标温度范围中，led灯由红色变为黄色，表示热腔11处于保温状态。下位机53控制热腔11内的排气扇42转动，在气流的驱动下，热腔11内的保温板441转动，出气口41排出与需要气流类型一致且当前温度符合目标温度范围的气流。

s212若需要气流类型为冷气流，下位机53获取第二温度传感器52测量的第二温度值与目标温度范围比较；

若第二温度值位于目标温度范围中，下位机53控制冷腔内的排气扇42转动，在气流的驱动下，冷腔21内的保温板441转动，出气口41排出与需要气流类型一致且当前温度符合目标温度范围的气流；同时下位机53实时地将半导体制冷片22的工作状态发送至指示装置82，led灯为黄色表示冷腔11处于保温状态。

若第二温度值不在目标温度范围中，下位机53结合pid算法，通过pwm控制继电器的通断进而控制半导体制冷片22的电流的通断来调节冷腔21内的温度，此时止回片机构44处于闭合保温的状态，冷腔21内的保温板441在弹簧扭簧442的作用与内框闭合，同时下位机53将半导体制冷片22的工作状态发送至指示装置82，led灯为红色，表示冷腔21属于制冷状态，直到第二温度落入所述目标温度范围中，led灯由红色变为黄色，表示冷腔21处于保温状态。下位机53控制冷腔21内的排气扇42转动，在气流的驱动下，冷腔21内的保温板441转动，出气口41排出与需要气流类型一致且当前温度符合目标温度范围的气流。

s22下位机53通过pwm控制半导体制冷片22、ptc加热体12、排气扇42的电流的通断，形成一个自动负反馈控制回路，通过pid控制算法保持出气口41排出与需要气流类型一致且当前温度符合目标温度范围的气流。

其中pwm是由下位机发出的一种高低电平。当下位机输出为高电平时，控制继电器的输出开关接通，即ptc加热体或半导体制冷片接通；当下位机输出为低电平时，控制继电器的输出开关断开，即ptc加热体或半导体制冷片停止工作。下位机为单片机。温感系统是通过pwm经过继电器来控制ptc加热体的通电和断电进而控制温度的。

本发明实施例可以应用于虚拟现实或增强现实的触觉温度感应，通过使用开发的通信模块，能够连接上unity3d虚拟开发引擎，进行通信传输，进而控制整个装置的运行，或者用于现实生活中调节小范围空间的温度。例如，可应用于vr或ar环境中，实现对火焰或者雪花的温度触觉的增强，能够让人真实的感受到温度的上升或下降；也可以用于中学虚拟实验中，对化学反应冷热变化的温感虚拟。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。