關(guān)于智能空調(diào)服裝的研究

1、關(guān)于智能空調(diào)服裝的研究摘要隨著時代發(fā)展，服裝產(chǎn)業(yè)也隨之發(fā)展，越來越智能化。本文基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)，提出一種智能服裝的設(shè)計。將小巧靈活的半導(dǎo)體制冷片嵌入服裝中，通過單片機編入預(yù)測PI控制算法控制，進(jìn)行恒溫控制。研究設(shè)計表明該設(shè)計的可行性，但存在實用可行性方面的問題。關(guān)鍵詞智能服裝;半導(dǎo)體制冷;預(yù)測PI半導(dǎo)體制冷技術(shù)，因其安全、無污染、靈活的優(yōu)點以及制冷效率低下的缺點，目前只被應(yīng)用于一些小型制冷場合。預(yù)測PI控制算法，是基于原有的PI控制，在其基礎(chǔ)上，添加預(yù)測環(huán)節(jié)，使其能夠更好地控制滯后對象。本文基于以上兩種技術(shù)，提出智能空調(diào)服裝的設(shè)計以及設(shè)計實現(xiàn)上難點以及解決方法。智能空調(diào)服裝概述智能服裝智能服

2、裝是一門交叉技術(shù)，它包含了紡織、自動化、材料等學(xué)科，是一種新型的智能結(jié)合產(chǎn)物。以服裝作為基礎(chǔ)，采取不同形式方法，使服裝本身具有一定的功能，構(gòu)成完整的智能系統(tǒng)。常見的方法有3種：一是服裝直接外接微型智能電子元器件;二是利用物理或化學(xué)整理技術(shù)賦予普通纖維材料特殊功能;三是通過梭織、針織等織造方法將智能纖維或智能紗線織入紡織服裝產(chǎn)品中1。半導(dǎo)體制冷半導(dǎo)體制冷技術(shù)最早出現(xiàn)于19世紀(jì)，是種熱電制冷技術(shù)，能夠通過對電流的控制，來控制半導(dǎo)體制冷片的特性，故半導(dǎo)體制冷又稱熱電制冷2。其原理是基于帕爾帖效應(yīng)直流電經(jīng)過兩個不同型的半導(dǎo)體形成的接點時，接點處會產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移3預(yù)測PI控制算法1992年Hagg

3、lund第一次提出預(yù)測PI控制算法這一概念，它是Smith預(yù)估器的一種特殊形式，其由分別獨立的兩部分組成：PI部分和預(yù)測部分4。相比于傳統(tǒng)PI控制，預(yù)測PI控制在保持原性能情況下，還具有預(yù)測功能，能有效控制滯后對象。智能空調(diào)服裝系統(tǒng)模塊設(shè)計整個智能空調(diào)服裝系統(tǒng)具有5個模塊，供電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、單片機控制模塊、人機交互模塊、半導(dǎo)體制冷片模塊，分別協(xié)調(diào)完成相應(yīng)的功能，以達(dá)到恒溫控制的效果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示：電源模塊由直流電源構(gòu)成，負(fù)責(zé)提供單片機、半導(dǎo)體制冷片、液晶顯示等的供電。數(shù)據(jù)采集模塊由溫度傳感器構(gòu)成，采集人體與衣服之間的溫度信息，并將信息傳遞給單片機。單片機控制模塊由單片機構(gòu)成，往其中

4、編寫相應(yīng)程序，通過采集模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)和人機交互控制面板上的數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制各模塊運作。人機交互模塊由顯示屏和鍵盤構(gòu)成，負(fù)責(zé)實時顯示溫度和制冷制熱控制，目標(biāo)溫度設(shè)定功能。半導(dǎo)體制冷片模塊由半導(dǎo)體制冷片構(gòu)成，整個系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，通過單片機控制供電電流的大小和方向，實現(xiàn)制冷制熱，以及制冷制熱量的大小。智能空調(diào)服裝設(shè)計難點智能空調(diào)服裝是基于半導(dǎo)體制冷片提出的一種智能服裝，所以其在保持服裝特性，還需實現(xiàn)恒溫控制的效果，該服裝實現(xiàn)過程中存在幾個難點。制冷散熱通過之前的原理介紹可知，半導(dǎo)體制冷片制冷時，會產(chǎn)生溫差和熱量轉(zhuǎn)移，一端制冷一端散熱，經(jīng)調(diào)查驗，當(dāng)半導(dǎo)體不可長時間工作在無散熱的制冷狀態(tài)下，這樣容

5、易損壞半導(dǎo)體制冷片。夏天制冷時，冷端對著人體制冷，熱端處于炎熱的外界環(huán)境下，自然散熱效率低下，很容易損壞。這時候就需要對熱端進(jìn)行散熱處理。電源供電目前半導(dǎo)體制冷片得不到大型廣泛應(yīng)用的原因，其中很重要的一點在于半導(dǎo)體制冷片有一個致命的缺點制冷效率低。制冷效率低，意味著需要消耗更多的能量，這對電源的供電提出了要求。硬件布線整個智能空調(diào)服裝設(shè)計，需要往衣服中嵌入電子元件和電線，一般半導(dǎo)體制冷片的工作電流大小為3A這對于服裝設(shè)計的安全性和舒適性提出了挑戰(zhàn)。解決方案針對上述難點，提出一些可行的解決方案。熱管散熱半導(dǎo)體制冷一般常見的散熱方式有4種，自然對流散熱、強迫對流散熱、水冷散熱、熱管散熱。這里對比分

6、析，采用熱管散熱。自然對流散熱為與外界環(huán)境進(jìn)行交換散熱，強迫對流散熱利用風(fēng)扇對熱端進(jìn)行散熱，水冷散熱利用水的循環(huán)來對熱端進(jìn)行散熱，熱管散熱利用散熱片和熱管的組合進(jìn)行散熱。能運用在智能空調(diào)服裝上的散熱方法為水冷散熱和熱管散熱，但考慮兩種散熱方式的特性，推薦使用熱管散熱，因為水冷散熱由水泵、蓄水池和散熱水層三個組成，對于外界的影響雖然最低，但隨身攜帶不方便，對電源供電也有要求。熱管散熱則具有散熱效率高，體積小重量輕方便攜帶的優(yōu)點，只需將熱管附在熱端表面即可起到散熱作用，所以采用熱管散熱。鋰電池針對智能空調(diào)服裝的特點，電源需要滿足三個條件，為了環(huán)保節(jié)能需要可循環(huán)使用，服裝穿在身上需要攜帶方便（體積小

7、重量輕），要至少滿足工作一天的電量需要大容量。根據(jù)以上要求，需要蓄電池，可一般的蓄電池在滿足大容量條件下，基本滿足不了攜帶方便的條件?？紤]這些因素，在這推薦采用鋰電池，鋰電池在同等電容量下，體積重量是一般的蓄電池的十分之一，而且不產(chǎn)生污染。液態(tài)金屬3D打印向服裝中添加電子器件，其電子器件的絕緣必須做好，但同時也要滿足一定的舒適度。目前有一門新興的技術(shù)一一液態(tài)金屬3D打印，其能做到在柔性材料上利用液態(tài)金屬打印上電路，而且能夠使用，這是十分重大的應(yīng)用技術(shù)，目前還未完全發(fā)展成熟，但這對于智能服裝的發(fā)展影響是巨大的。總結(jié)與展望本文提出了一種基于半導(dǎo)體制冷片的智能服裝設(shè)計，并對其實現(xiàn)形式、系統(tǒng)模塊進(jìn)行了

8、一定的分析。還對其中一些設(shè)計難點提出了一些解決方案。目前的技術(shù)能夠完成整個設(shè)計，但還是存在一些不足的地方（如便攜性與舒適性、安全性），所以還不能全面普及。但隨著科技發(fā)展，這些問題會得到解決，就如同液態(tài)金屬3D打印技術(shù)的誕生，就為此問題的解決，提供了重要的幫助，還有未來電池的發(fā)展等，希望本文提出的設(shè)想與方案能在未來科技發(fā)展的條件下，最終使智能空調(diào)服裝得以實現(xiàn)。參考文獻(xiàn)王棟，卿星，蔣海青，等.纖維材料與可穿戴技術(shù)的融合與創(chuàng)新J.紡織學(xué)報，2018，39（5）：150-154.郭琛，潘開林，程浩.熱電制冷技術(shù)的研究進(jìn)展J.微納電子技術(shù)，2018，5512）：927-931.3申勇.用半導(dǎo)體制冷片為CPU降溫J.承德