基于單片機(jī)的智能飲用水杯設(shè)計(jì)與制作

周昊++陳虹安++阮太元

摘要：本文基于STC12LE5612AD單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種智能飲用水杯，上電后水杯能夠自動(dòng)檢測(cè)杯中的水質(zhì)，并通過水杯底部的指示燈提示使用者杯中水質(zhì)情況，同時(shí)通過藍(lán)牙將本次檢測(cè)的水質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)APP中，從而減少人們飲用不合格水質(zhì)的幾率。本文詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，經(jīng)測(cè)試，水杯能夠精確檢測(cè)水質(zhì)情況，誤差較小。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；水質(zhì)；檢測(cè)；健康

中圖分類號(hào)：TP212.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）03-0169-02

1 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，大部分人們飲用的直接水源來自于桶裝水、直飲水、自來水。但是面對(duì)低劣的桶裝水、不合格的直飲水、水質(zhì)很差的自來水，這些都嚴(yán)重威脅人們的身體健康，因此飲放心水是人們追求的目標(biāo)。當(dāng)前常見的家庭檢測(cè)水質(zhì)的手段，主要是通過檢測(cè)水源的TDS（Total dissolved solids）值來實(shí)現(xiàn)的。TDS又稱溶解性總固體是溶解在水里的無機(jī)鹽和有機(jī)物的總稱。

本作品以水杯的形式開發(fā)，既能夠作為普通水杯使用，又能夠及時(shí)檢測(cè)每次飲用水的TDS值，及時(shí)提醒飲用的水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)，保證使用者飲水放心。每次檢測(cè)的水質(zhì)數(shù)據(jù)也能夠通過藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)上，方便統(tǒng)計(jì)管理飲水記錄。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

見圖1。

本系統(tǒng)主要由CPU處理器，電源模塊，藍(lán)牙4.0模塊，脈沖模塊、電極、手持終端等部分組成。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

見圖2，圖3。

單片機(jī)及其外圍電路主要包括了宏晶STC12LE5612AD芯片，脈沖信號(hào)芯片采用7555定時(shí)器，藍(lán)牙模塊采用BLE-004，電源模塊采用MH-TP4056-Protect模塊。由于STC12LE5612AD與藍(lán)牙4.0模塊均為低功耗模塊，7555定時(shí)器適用于3V-18V的電壓，所以最終決定使用MH-TP4056-Protect模塊穩(wěn)壓到3.3V給單片機(jī)與藍(lán)牙供電。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路

（1）實(shí)現(xiàn)TDS數(shù)據(jù)采集功能；

（2）實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP收集TDS數(shù)據(jù)功能。

3.2 程序設(shè)計(jì)思路

首先初始化定時(shí)器和串口，再通過外部中斷1將7555定時(shí)器所產(chǎn)生的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，而定時(shí)器0作定時(shí)功能，每隔1秒就將外部中斷1關(guān)閉，并輸出當(dāng)時(shí)的計(jì)數(shù)值（即是當(dāng)前頻率），然后通過Excel的數(shù)據(jù)擬合功能，計(jì)算頻率、電導(dǎo)率與TDS的線性關(guān)系，計(jì)算得出線性方程，為了減少誤差，所以用條件判斷將每100Hz作為TDS檢測(cè)的數(shù)據(jù)段。同時(shí)將3盞LED燈分別表示飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 程序流程圖

見圖4。

4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試方案

4.1.1 硬件測(cè)試

（1）檢測(cè)電路是否正常。斷電情況下，用萬用表測(cè)試電路，無異常情況。上電后，各模塊無異常情況。

（2）檢測(cè)7555定時(shí)器模塊是否輸出方波。使用示波器，將表筆分別夾在GND和7555的輸出端（即單片機(jī)P3^3），并調(diào)節(jié)波形，使得穩(wěn)定輸出方波波形。若波形存在過多雜波，可加入適當(dāng)?shù)碾娙葸^濾雜波。

（3）檢測(cè)藍(lán)牙模塊是否連接成功。打開手機(jī)APP，點(diǎn)擊Scan BLE Device（搜索藍(lán)牙），搜索到SPP-78，再點(diǎn)擊，若匹配成功，則模塊中的藍(lán)色LED燈會(huì)常亮。

經(jīng)測(cè)試，我們的電源模塊、7555定時(shí)器模塊、單片機(jī)控制模塊以及藍(lán)牙模塊均工作正常。

4.1.2 軟件測(cè)試

（1）單片機(jī)采集頻率。將程序下載到單片機(jī)，打開串口調(diào)試助手，調(diào)節(jié)好相應(yīng)的波特率并打開串口，觀察接收緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)返回。若串口的接收緩沖區(qū)不斷顯示000，則說明定時(shí)器記錄到有頻率存在，反之，串口沒有接收到任何數(shù)據(jù)。

（2）藍(lán)牙與手機(jī)通信程序測(cè)試。當(dāng)藍(lán)牙與手機(jī)APP連接成功，則TDS數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)發(fā)送到APP的接收緩沖區(qū)，即不斷顯示000，反之，APP沒有接收到任何數(shù)據(jù)。

4.1.3 硬件軟件聯(lián)調(diào)

打開電源并連接上藍(lán)牙，將飲用水倒入杯中且浸沒探針，若數(shù)據(jù)從000跳變到其他數(shù)值（例如015，017，030等等），大概經(jīng)過5，6 s左右，數(shù)據(jù)穩(wěn)定下來，則說明測(cè)試正常；若出現(xiàn)亂碼，首先檢查電路是否工作正常，其次檢查軟件波特率的設(shè)置和晶振的選型，最后重新上電并下載程序，觀察數(shù)據(jù)是否正常發(fā)送到手機(jī)APP的接收區(qū)。

4.2 測(cè)試結(jié)果及分析

見表1。

以上是該TDS檢測(cè)模塊的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，測(cè)試時(shí)，向水杯加入適量被測(cè)溶液，當(dāng)探頭與相關(guān)溶液接觸，根據(jù)軟件算法，得出所求的TDS值，發(fā)送到手機(jī)App來讀取數(shù)據(jù)。測(cè)量時(shí)，可用交流電源或內(nèi)含的充電電池。由此得出以下結(jié)論：

（1）所得的TDS值準(zhǔn)確度高，而且較穩(wěn)定。

（2）通過藍(lán)牙模塊，單片機(jī)同步發(fā)送數(shù)據(jù)回手機(jī)APP。

（3）工作電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)中使用交流電以減少極化現(xiàn)象對(duì)測(cè)量的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

本作品不僅可以作為常用的水杯使用，而且能夠檢測(cè)飲用水中的TDS值，直接將水質(zhì)的好壞通過水杯上的紅/綠/黃LED燈反映出來。紅燈表示水質(zhì)很差、黃燈表示水質(zhì)一般、綠燈表示水質(zhì)良好，這樣使用者可以在飲用水之前掌握到水質(zhì)的好壞，充分做到飲干凈水、用健康水。區(qū)別于傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測(cè)需要復(fù)雜的儀器設(shè)備，本作品使用的場(chǎng)合是家庭、辦公室等地，面對(duì)當(dāng)前劣質(zhì)桶裝水充斥市場(chǎng)的情況，我們需要把握飲用的水的質(zhì)量情況，才能真正做到讓自己安心，讓家人放心。

參考文獻(xiàn)

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