基于單片機(jī)的智能多功能水杯設(shè)計(jì)研究

趙洪檳 李奇峻 吳廣文

摘 要：你還在為工作忙碌而抱怨喝水的不便嗎？還在為開(kāi)車的集中精神而不便喝水煩惱嗎？為了讓我們能在口渴的時(shí)候及時(shí)補(bǔ)充水源，本文將介紹智能水杯的發(fā)展背景及應(yīng)用原理，為您推出一款智能水杯幫助您解決這一系列的問(wèn)題。該水杯在智能化構(gòu)造上，是采用360度可觸摸壓力傳感器、溫度傳感器、充電電池、防摔水杯、USB接口、單片機(jī)、水量和溫度LCD顯示模塊組合而成，是一個(gè)集合智能設(shè)備和水杯相結(jié)合的產(chǎn)物。它能夠在你不方便開(kāi)瓶喝水的情況下幫助你在不影響工作或者開(kāi)車的同時(shí)讓你能夠輕松的喝上熱水。

關(guān)鍵詞：智能水杯;傳感器;方便;單片機(jī)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的深入發(fā)展，人們的生活水平越來(lái)越高，物質(zhì)生活方面的重視也隨之上升。面對(duì)當(dāng)今變化多端的環(huán)境，人們對(duì)健康的需求和要求也日益增加。而水作為生命之源，是每天必需補(bǔ)充的身體能量之一，其重要性廣受人們的關(guān)注。因此，對(duì)于飲水方面的講究及規(guī)范也注重得更多了。比如開(kāi)車、工作、出遠(yuǎn)門，很多人首選自帶水杯。所以，在一定程度上推動(dòng)了水杯制造業(yè)的發(fā)展。在市場(chǎng)上，你可以看到各式各樣的水杯，它的設(shè)計(jì)也是五花八門。那么問(wèn)題來(lái)了，你要怎樣選擇實(shí)用質(zhì)量良好的水杯。關(guān)于水杯近年也是有許多消費(fèi)者反應(yīng)水杯的各種問(wèn)題。例如，水杯的防摔效果較低且易碎，杯蓋難打開(kāi)或者擰不緊，杯蓋的防漏水設(shè)計(jì)不到位、容易漏水，以及其設(shè)計(jì)使得開(kāi)車或工作忙碌時(shí)不方便喝水等一些問(wèn)題，引發(fā)很多消費(fèi)者對(duì)于新型高品質(zhì)水杯的需求。本項(xiàng)目產(chǎn)品在此趨勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生。在智能化的基礎(chǔ)上，為消費(fèi)者提供一個(gè)方便、耐用、便攜的水杯。

1.智能水杯研究方案

本產(chǎn)品經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查，以及信息收集，針對(duì)傳統(tǒng)水杯的各種問(wèn)題，研制出一款融入智能化領(lǐng)域的水杯。

1.1材質(zhì)方面

由于近年的水杯大都注重容量和外觀方面的設(shè)計(jì)，因此忽略其他地方的影響，就像有些水杯它的材料忽視了對(duì)污染方面的檢查，用久了會(huì)影響水的質(zhì)量，有些水杯它采用的材料質(zhì)量較低，大大減少水杯的壽命和質(zhì)量。本產(chǎn)品采用最新的316不銹鋼材質(zhì)，耐抗摔，其含碳量低，對(duì)于身體健康好，以及有益于延長(zhǎng)水杯壽命。

1.2結(jié)構(gòu)方面

結(jié)構(gòu)上采用杯蓋和水杯一體化設(shè)計(jì)，杯蓋安裝了觸摸傳感器，可360度無(wú)死角感應(yīng)，進(jìn)而觸發(fā)活塞驅(qū)動(dòng)部件，自動(dòng)打開(kāi)出水口，再也不需要用手開(kāi)杯蓋喝水。另外，我們?cè)诒又胁吭O(shè)置一個(gè)LCD顯示器，可以顯示杯內(nèi)的水溫和水量，方便你了解杯內(nèi)信息，讓你能夠喝上不冷不熱的水。該產(chǎn)品我們利用單片機(jī)作為產(chǎn)品的核心元件，用于控制水杯的元件運(yùn)行及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，相比于傳統(tǒng)的水杯，多了一個(gè)智能的大腦。

1.3電池方面

我們使用鋰電池作為水杯的電源來(lái)源，電池容量用3000MAH，大容量的電池利于提高水杯器件的續(xù)航性，最長(zhǎng)可用一個(gè)星期，無(wú)需頻繁充電，而且這類電池的壽命較長(zhǎng)且耐用。

2.原理結(jié)構(gòu)及硬件模塊

2.1，總電路原理

該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)STC89C52單片機(jī)用為主模塊，將其作為控制器。溫度采集使溫度傳感器把模擬信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路[1]將數(shù)字信號(hào)交于單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，從而傳數(shù)據(jù)至顯示屏顯示。而集成的壓力觸摸傳感器也是相同的原理，不同的是數(shù)字信號(hào)傳至驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)行，由驅(qū)動(dòng)模塊做出反應(yīng)推動(dòng)活塞，杯中的水流出水，從而實(shí)現(xiàn)不開(kāi)蓋也能喝水。藍(lán)牙模塊作為新元素，與手機(jī)上App相結(jié)合，為用戶提供每天飲水量以及一段時(shí)間的記錄表。USB接口作為電池充電端為單片機(jī)提供電源需求，要將其優(yōu)化，將USB接口換為無(wú)線充電。使得整個(gè)電路設(shè)計(jì)具有合理，從而實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)作。

2.2單片機(jī)

本設(shè)計(jì)是以STC98C52單片機(jī)[2]為主控器，具有高性能，低耗能，低成本，微小易安置等優(yōu)點(diǎn)，能同時(shí)接收溫度傳感器、壓力傳感器的信號(hào)處理，并且還能儲(chǔ)存杯中水的溫度以及用量的數(shù)據(jù)，連接藍(lán)牙模塊可傳數(shù)據(jù)至手機(jī)App實(shí)時(shí)觀察。

2.3傳感器

使用DS18B20溫度傳感器[3]對(duì)水溫檢測(cè)，它具有體積小，精度高，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能安置在杯體且能減少占用空間，測(cè)量溫度的范圍為-25攝氏度的穩(wěn)定工作。還有壓力傳感器，安置在杯底處可以實(shí)時(shí)反應(yīng)水杯的質(zhì)量的增減情況，再通過(guò)單片機(jī)設(shè)定的時(shí)間，一天為一周期，周期內(nèi)用水量為用戶飲水量。

2.4驅(qū)動(dòng)模塊

為實(shí)現(xiàn)不開(kāi)蓋也能喝水的理念，杯蓋設(shè)計(jì)上，就要有所改進(jìn)，用戶如何嘴唇觸碰杯蓋壓力觸摸傳感器就能出水，只要在于杯口出水端作出反應(yīng)，短時(shí)間推動(dòng)活塞使水流出，應(yīng)用上集成的觸摸傳感器用線圈繞活塞周圍均勻分布，當(dāng)用戶嘴唇觸碰到集成的觸摸傳感器時(shí)，立刻作出反應(yīng)推動(dòng)杯蓋內(nèi)置活塞，并對(duì)應(yīng)360度杯口出水，從任何方向都能喝到水。傳感器工作需要電，而電池安置在杯體下方，要讓電流從杯體與杯蓋連接處經(jīng)過(guò)，首要解決電流的輸送方式。用永磁體使杯蓋緊吸杯體，分別提供兩處電源接觸柱，達(dá)到電源穩(wěn)定使用，有助于延長(zhǎng)傳感器使用壽命。

3.軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1.無(wú)線連接

本產(chǎn)品以單片機(jī)為核心作為水杯的處理芯片，內(nèi)部設(shè)有藍(lán)牙模塊元件，其器件采用超級(jí)藍(lán)牙技術(shù)，它的連接范圍可達(dá)20米左右，使得手機(jī)可以通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙連接到智能水杯，收取通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理的信息。再通過(guò)下載專門的App軟件即可實(shí)現(xiàn)信息同步，在手機(jī)上也可以查看水杯的LCD顯示器上的數(shù)據(jù)。

3.2.App應(yīng)用

該App擁有語(yǔ)音提醒功能，當(dāng)你每天喝水少于一定的量時(shí)，手機(jī)便會(huì)語(yǔ)音提醒你多喝喝水。另一方面，當(dāng)水杯的水低于一定的值時(shí)，app便會(huì)語(yǔ)音提醒你水杯沒(méi)水了。

4.可行性分析

市場(chǎng)前景的預(yù)測(cè)判斷主要有以下幾個(gè)因素：（1）目前智能水杯這個(gè)產(chǎn)品在市場(chǎng)的狀況，包括，品牌、價(jià)位、質(zhì)量和產(chǎn)品的附加值等等;（2）目前同類產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)情況分析，主要評(píng)估目前的競(jìng)爭(zhēng)水平和市場(chǎng)空間;（3）我們團(tuán)隊(duì)產(chǎn)品的性價(jià)比、市場(chǎng)營(yíng)銷方面、產(chǎn)品綜合的優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)同類相對(duì)比;（4）綜合以上三點(diǎn)評(píng)估得出以下結(jié)論：一是我們團(tuán)隊(duì)在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)空間;二是我們團(tuán)隊(duì)的市場(chǎng)營(yíng)銷方面。

5.產(chǎn)品的先進(jìn)性

（1）本產(chǎn)品是一個(gè)集單片機(jī)，LCD顯示器，傳感器于一水杯的設(shè)備，需要擁有較高的聯(lián)接技術(shù)支持。

（2）該產(chǎn)品在飲水方面采用智能自動(dòng)感應(yīng)開(kāi)瓶設(shè)備，相比于傳統(tǒng)的用手?jǐn)Q開(kāi)杯蓋喝水更加方便。

（3）通過(guò)融入藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)水杯與手機(jī)App互聯(lián)查看，可在手機(jī)下載App查看杯子的狀態(tài)信息，是一次實(shí)現(xiàn)硬件和軟件相結(jié)合的水杯。

6.未來(lái)擴(kuò)展延伸

隨著社會(huì)的發(fā)展，國(guó)家的不斷強(qiáng)大，人們對(duì)生活條件也越來(lái)越高，對(duì)喝水的要求也越來(lái)越高，智能水杯將和更多的健康管理智能化相結(jié)合。通過(guò)智能水杯可以看水杯里水的多少和溫度，藍(lán)牙連接App，查找水杯的位置，不易丟失。功能的多樣化和智能化大大增加了消費(fèi)者的使用頻率，從而得到大多數(shù)人的認(rèn)可和認(rèn)知，讓智能化走進(jìn)人們的日常生活中[4]。

結(jié)束語(yǔ)

本文研究智能水杯符合人們的日常生活，基本上解決了日常忙碌而飲水不足的問(wèn)題。這款智能水杯適應(yīng)各個(gè)階層的人們，獨(dú)具特色、又不失潮流，功能多樣化，使用起來(lái)方便。

參考文獻(xiàn)：

[1]李名宇，李姿.<基于單片機(jī)的智能健康水杯設(shè)計(jì)>.沈陽(yáng)工學(xué)院信息與控制學(xué)院

[2]彭家強(qiáng)、朱曉峰.<一種有溫控指示的智能水杯設(shè)計(jì)>.新余學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

[3]金慧，石莉莉，曹永利.<智能多功能水杯設(shè)計(jì)研究>.青島黃海學(xué)院

（本項(xiàng)目來(lái)源于：廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃，項(xiàng)目編號(hào)：NY-2018CQ2DC-07。? ? ?通訊作者：羅小軍）