一、概述

(一)研究目的

在高温影响下，人容易出现体温调节功能紊乱，特别是在气温高于35℃的环境中从事重体力活动，容易导致中暑。本文研究一款基于单片机和逆卡诺循环的联网人体降温监控系统，用于实时监控环境温度、使用者体温、与人体热交换后水的温度，确保高温作业人员的健康安全。

(二)研究意义

(1)利用电脑编程，智能监控所有在使用中的水冷制冷系统及使用者的体温，并能警示和预警大范围内试用者的生命体征异常情况。

(2)利用逆卡诺循环原理制作可穿戴在身上的智能制冷装置，摒弃目前市面传统制冷服需要管道拖拽的局限性，并且能根据外界温度和人体温度进行智能调温。

(3)穿戴模式不局限于背心，还提供袖套及常用的围脖模式。

二、研究方法

(一)现有人体制冷装置技术调研

通过大量文献表明，目前市面上主要的人体制冷装置多为空调服，按调温方式分为三个等级：第一类，被动式空调服：通过特殊材料实现自适应调节。它的缺点在于制冷时间短暂，吸放热速度较快，温度无法调节，降温时间短；并且对皮肤的遮盖透气性差，容易发生材料泄露等安全隐患事件。第二类，散热式散热服：这是一种通过例如蒸发吸热的特定方式来排放人体表面热量的方式。但是传统的风扇体积都比较大，不容易装在衣服上，就算勉强能够安装也会使得衣服穿着不舒服，并且行动上也显得不方便。第三类主动式降温服：能根据热环境的变化采取主动降温操作，这一般需借助于制冷机实现。[1]此类降温服质量重、体积大且管路限制在工作中使用的便利性。

(二)基于单片机和卡诺循环的联网人体降温监控系统原理

经过分析，我决定借鉴可穿在身上的空调衣的模式研制夏季户外工作者的人体智能制冷装置。它分为智能温控系统和监测使用者生命体征系统两大智能部分。

1.智能温控系统

智能温控系统系统由单片机做为主控，温度传感器作为调温开关，与水冷制冷系统和冷水与人体进行热交换系统构成。

单片机主控在智能温控系统的作用表现为三个：实时收集从人体热交换回来的热水的温度来调控水冷制冷系统的温度；实时收集使用者的体温，根据人体体温自动通过调节电压来调节输出功率，达到自动调温的效果；将收集到的使用者的体温通过无线通信模块与监测使用者生命体征系统进行数据交互。

2.基于卡诺循环的水冷制冷系统

1)逆卡诺循环基本原理：

①制冷剂原先处于低温高压状态，经膨胀机后变成了低温低压的液态制冷剂后，进入蒸发器中进行蒸发吸热。从空气中吸收大量的热量Q1，在T1温度下进行等温膨胀1-2；

②蒸发吸热后的制冷剂变成了气态物质后，接下来进入压缩机。经过压缩机的绝热压缩2-3后，又变回了高温高压的制冷剂(此时制冷剂中的热量分为两部分：空气中吸收的热量Q1及压缩机在压缩制冷剂过程中消耗的部分转化为热量的电能Q2；

③被压缩后的高温高压制冷剂进入冷凝器，在T2温度下进行等温压缩3-4，并将其所含热量(Q1+Q2)释放出去；

④放热后的制冷剂以液态形式进入膨胀机，再进行绝热膨胀4-1，使其温度由T2降至T1，即使工质回到初始状态1，如此不间断进行循环。

⑤冷水获得的热量Q3=制冷剂从空气中吸收的热量Q2+驱动压缩机的电能转化成的热量Q1，在标准工况下：Q2=3.6Q1，即消耗1份电能，得到4.6份的热量。[3]

逆卡诺循环是一切蒸发式制冷的基础。

2)基于逆卡诺循环原理，本水冷压缩式制冷机(系统)主要由：压缩机、冷凝器、节流毛细管和水冷蒸发器四部分组成，并用管道连接成一封闭循环系统。

①水冷蒸发器：这是一种使得制冷剂在低温液态下与需要冷却的水进行热交换的换热器，它由一组或几组盘管组成。当低温液态的制冷剂进入蒸发器盘管中时，由于它的温度低于盘管周围水的温度，进而实现蒸发汽化过程，从而带走盘管周边的水的热量，使得水保持低温状态，这就是水冷的制冷原理。

②压缩机：从水冷蒸发器出来的低压制冷剂蒸气进入压缩机被压缩，气体的压力被增加，当增加到与冷凝温度相对应的冷凝压力相等时，就能使得制冷剂蒸气进入冷凝器后在常温下呗冷凝液化。

③冷凝器：气态的制冷剂进入冷凝器向周围的环境介质液化放热重新变成液态的制冷剂进入新的循环使用。

文章来源：《物联网技术》 网址: http://www.wlwjszz.cn/qikandaodu/2021/0415/1640.html