基于塞贝克效应温差发电的多功能水杯物理电子与工程【字数：9353】
本文设计了一种基于塞贝克效应温差发电的多功能水杯，杯身周围贴有温差发电片，通过吸收杯中热水的热能，用于给水杯的其他模块提供电能。水杯主要是由杯体、温差发电片组、升压稳压模块、水温显示模块、水温报警模块、蓄电池模块和USB充电模块组成的，具有水温实时显示、水温过烫提醒和蓄电充电功能。首先，进行温差片性能测试来确定安装方式。其次，设计了基于单片机的最小系统来实现温度显示和水温报警的功能。最后，连接蓄电池和充放电电路。结果表明水杯可以通过温差发电片来为整个模块提供电能；数码显示管可以实时显示水温；手动设置水温的报警温度，水温高于此温度蜂鸣器会持续发出声音，待水温冷却后停止发声；能实现手机充电功能。
目录
1引言 1
1.1课题研究背景 1
1.2课题研究现状 2
1.3课题研究内容 3
2基本原理 4
2.1温差发电模块 4
2.1.1塞贝克效应（seebeck effect） 4
2.1.2温差发电片SP184827145 SA的性能参数 5
2.2温度测量及报警模块 7
2.2.1 STC89C52单片机 7
2.2.2 DS18B20温度传感器 9
2.3电源电路 10
3设计方案 12
3.1主要设计方案 12
3.2温差片发电模块的设计 13
3.3基于单片机最小系统的设计 14
3.3.1 数码管显示电路 15
3.3.2 晶振电路 16
3.3.3 温度传感器电路 16
3.3.4蜂鸣器报警模块 18
3.3.5主程序设计 19
4 性能测试 21
结束语 25
参考文献 26
致谢 27
附录 28 1引言
1.1课题研究背景
进入21世纪，人类对传统能源的开发使得其日益枯竭，煤、石油的过度燃烧使环境污染成为了我们迫切需要解决的问题。因此清洁能源的寻找与开发利用便21世纪最大的挑战之一，人们一直在努力探寻绿色、 可持续新能源的解决方案。现如今，通过不同的新兴技 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
术获得可持续的能源[]，其中半导体的热电效应则可以提供一种比较简单、绿色的能源解决方案。半导体的出现后，研究人员发现其能得到比原来金属大得多的温差电动势，因此有着更高的转化效率，热电发电也取得了飞快的发展。
1821年，当时东普鲁士的物理学家托马斯约翰塞贝克在不断的实验探索中发现了温度与电流的关系。在一次实验中，他将两种不同材料的金属连接在一起，构成回路，而后首尾相连形成一个联结，并将其中的一个点加热，另一个点保持温度不变，则在电路的周围出现磁场，就这样形成了最早的热电效应的理论。
从国际上来看，人类大约在20世纪40年代建成了第一台温差发电机，相比于传统的发电系统，温差发电有着更好的发电效率[]。在二十世纪六十年代，对温差发电的研究到达了顶峰，并逐渐运用到航空领域。当时美国的能源动力部给出评价：“温差发电已被证明为性能可靠、维修少、可在极端恶劣环境下长时间工作的动力技术”[]。
二十世纪七八十年代，温差发电开始从航天、军事以及高科技领域逐渐转向民用领域。华东理工大学的涂善东教授介绍道，温差发电技术因其小巧、稳定、无振动、无噪音，逐渐被人们认可并开发利用，通常被制作成5瓦左右的低功率电源，应用到小型通讯设备、无人监视设备以及医学上的研究仪器。[3]它同时能够将一些工业生产线上的低品位能源和废热变成电能，比如垃圾焚烧、钢铁厂、石油精炼所产生的热量转化为电能。从不同国家的研发角度来说，美国偏向军事航空的先进科技研究领域，日本则在民用方向温差发电的高效率转化在世界名列前茅，欧洲则有着温差发电在纳米领域的优势。我国在半导体热电制冷的理论和应用研究方面具有一定实力，但温差电研究尚处起步阶段，必须迅速加大开发力度，尽快实现温差电技术产业化[]，具体的突破点则可定在小型温差电传感器和工业及垃圾焚烧发电两个方面。
热电发电（Thermoelectric generation）是一项非常有发展前景的发电方式，能将热能通过热电材料（Thermoelectric material）直接转换为电能。热电转化过程中的优点有很多，一个典型的热电设备具有环保、安静、可靠、紧凑和寿命长的优点。人们也发现了他的许多的应用场合，比如：利用热电偶来测取比较大的温度范围，从20℃到2800℃，是普通的酒精或水银温度计难以达到的温度。另外温差发电和温差制冷也是热电效应的重要应用[]。
1.2课题研究现状
中国在热电方向的探索相比于别的国家比较迟，如今的重点放在在理论计算和热电材料的研究和开发上。从二十世纪九十年代开始，国内许多热电材料研究小组逐渐地崭露头角：如以陈金灿为组长的小组不断对热电效应进行理论探索，并对其进行优化分析，获得许多前沿的成果。而屈健教授的课题组探索的方向是温差发电器的发电功率与外界因素和材料选取之间的关系。在李玉东教授的带领下，我们能够成功的从火用角度研发新一代的热电材料，有效的利用垃圾焚烧、钢铁厂、石油精炼所产生的废热，为我国的热电研究做出了杰出的贡献。
随着我国社会的快节奏发展，以及小型智能化设备快速的更新换代，人们在工作学习户外活动中越来越离不开这些便携的移动设备。然而，由于这些移动设备电池容量的限制，在长时间使用这些移动设备之后，如果没有及时的电源续航，我们可能面临不能给电子产品及时补充电量的窘境，造成极大的不便。我们通常采用的解决办法是利用锂离子蓄电池来给移动设备续航，但很多时候由于条件限制，在用完蓄电池本身的电量后如不能及时补充，仍然不能满足人们日常的对电子产品的使用。而利用水杯里的热量则是一种能源再利用的极好方法，由于水的比热容较大，达到了4.2×
目录
1引言 1
1.1课题研究背景 1
1.2课题研究现状 2
1.3课题研究内容 3
2基本原理 4
2.1温差发电模块 4
2.1.1塞贝克效应（seebeck effect） 4
2.1.2温差发电片SP184827145 SA的性能参数 5
2.2温度测量及报警模块 7
2.2.1 STC89C52单片机 7
2.2.2 DS18B20温度传感器 9
2.3电源电路 10
3设计方案 12
3.1主要设计方案 12
3.2温差片发电模块的设计 13
3.3基于单片机最小系统的设计 14
3.3.1 数码管显示电路 15
3.3.2 晶振电路 16
3.3.3 温度传感器电路 16
3.3.4蜂鸣器报警模块 18
3.3.5主程序设计 19
4 性能测试 21
结束语 25
参考文献 26
致谢 27
附录 28 1引言
1.1课题研究背景
进入21世纪，人类对传统能源的开发使得其日益枯竭，煤、石油的过度燃烧使环境污染成为了我们迫切需要解决的问题。因此清洁能源的寻找与开发利用便21世纪最大的挑战之一，人们一直在努力探寻绿色、 可持续新能源的解决方案。现如今，通过不同的新兴技 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
术获得可持续的能源[]，其中半导体的热电效应则可以提供一种比较简单、绿色的能源解决方案。半导体的出现后，研究人员发现其能得到比原来金属大得多的温差电动势，因此有着更高的转化效率，热电发电也取得了飞快的发展。
1821年，当时东普鲁士的物理学家托马斯约翰塞贝克在不断的实验探索中发现了温度与电流的关系。在一次实验中，他将两种不同材料的金属连接在一起，构成回路，而后首尾相连形成一个联结，并将其中的一个点加热，另一个点保持温度不变，则在电路的周围出现磁场，就这样形成了最早的热电效应的理论。
从国际上来看，人类大约在20世纪40年代建成了第一台温差发电机，相比于传统的发电系统，温差发电有着更好的发电效率[]。在二十世纪六十年代，对温差发电的研究到达了顶峰，并逐渐运用到航空领域。当时美国的能源动力部给出评价：“温差发电已被证明为性能可靠、维修少、可在极端恶劣环境下长时间工作的动力技术”[]。
二十世纪七八十年代，温差发电开始从航天、军事以及高科技领域逐渐转向民用领域。华东理工大学的涂善东教授介绍道，温差发电技术因其小巧、稳定、无振动、无噪音，逐渐被人们认可并开发利用，通常被制作成5瓦左右的低功率电源，应用到小型通讯设备、无人监视设备以及医学上的研究仪器。[3]它同时能够将一些工业生产线上的低品位能源和废热变成电能，比如垃圾焚烧、钢铁厂、石油精炼所产生的热量转化为电能。从不同国家的研发角度来说，美国偏向军事航空的先进科技研究领域，日本则在民用方向温差发电的高效率转化在世界名列前茅，欧洲则有着温差发电在纳米领域的优势。我国在半导体热电制冷的理论和应用研究方面具有一定实力，但温差电研究尚处起步阶段，必须迅速加大开发力度，尽快实现温差电技术产业化[]，具体的突破点则可定在小型温差电传感器和工业及垃圾焚烧发电两个方面。
热电发电（Thermoelectric generation）是一项非常有发展前景的发电方式，能将热能通过热电材料（Thermoelectric material）直接转换为电能。热电转化过程中的优点有很多，一个典型的热电设备具有环保、安静、可靠、紧凑和寿命长的优点。人们也发现了他的许多的应用场合，比如：利用热电偶来测取比较大的温度范围，从20℃到2800℃，是普通的酒精或水银温度计难以达到的温度。另外温差发电和温差制冷也是热电效应的重要应用[]。
1.2课题研究现状
中国在热电方向的探索相比于别的国家比较迟，如今的重点放在在理论计算和热电材料的研究和开发上。从二十世纪九十年代开始，国内许多热电材料研究小组逐渐地崭露头角：如以陈金灿为组长的小组不断对热电效应进行理论探索，并对其进行优化分析，获得许多前沿的成果。而屈健教授的课题组探索的方向是温差发电器的发电功率与外界因素和材料选取之间的关系。在李玉东教授的带领下，我们能够成功的从火用角度研发新一代的热电材料，有效的利用垃圾焚烧、钢铁厂、石油精炼所产生的废热，为我国的热电研究做出了杰出的贡献。
随着我国社会的快节奏发展，以及小型智能化设备快速的更新换代，人们在工作学习户外活动中越来越离不开这些便携的移动设备。然而，由于这些移动设备电池容量的限制，在长时间使用这些移动设备之后，如果没有及时的电源续航，我们可能面临不能给电子产品及时补充电量的窘境，造成极大的不便。我们通常采用的解决办法是利用锂离子蓄电池来给移动设备续航，但很多时候由于条件限制，在用完蓄电池本身的电量后如不能及时补充，仍然不能满足人们日常的对电子产品的使用。而利用水杯里的热量则是一种能源再利用的极好方法，由于水的比热容较大，达到了4.2×
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