基于單片機(jī)的智能水杯設(shè)計

鐘浩 陳江萍

摘 要：文章設(shè)計了一款在52單片機(jī)基礎(chǔ)上搭建起來的智能飲水用具，可以進(jìn)行加熱、保溫、遠(yuǎn)程控制，可利用插口式電源來給加熱模塊提供電能，且可以將溫度保持在設(shè)置程度。在人機(jī)交互模塊進(jìn)行操作可以控制溫度停留在某一范圍以及設(shè)定加水容量，對于超出范圍的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行示警提醒。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；智能水杯；數(shù)據(jù)

基金項目：2019年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“智能水杯”的階段性成果；項目名稱 ：智能水杯設(shè)計；項目編號：S201913125022。

1 研究現(xiàn)狀

在智能家居的研發(fā)如火如荼的時代，智能水杯是順應(yīng)消費(fèi)者需求、順應(yīng)科技發(fā)展的產(chǎn)物，尤其在當(dāng)前環(huán)境污染加劇、水源遭受污染、霧霾影響嚴(yán)重的形勢下，人們更加重視生活家居中的健康問題，如裝修使用環(huán)保材料、購買純凈水、搬離鬧市區(qū)等舉措。在智能水杯售賣市場中，群眾認(rèn)可度比較好的品牌有很多，比如lehoo智能水杯，還有麥開的，還有橘子的等，銷售量都較為喜人?？梢姡M管總體的智能水杯行業(yè)不是特別興旺，但是智能水杯這一產(chǎn)品的實用性和需求性都比較高，也是未來水杯功能發(fā)展的趨勢[1]。

2 設(shè)計要求

（1）采用 LCD1602 液晶來作為輸出模塊，為用戶提供水溫、時間等查看模塊。

（2）根據(jù)水這一物質(zhì)的特性，將溫度區(qū)間設(shè)置在

0 ℃～100 ℃。

（3）水溫在100 ℃之內(nèi)的區(qū)間，當(dāng)負(fù)責(zé)測試水的溫度的傳感器測試到的溫度沒有達(dá)到用戶設(shè)置最低閾值的時候，機(jī)器的加熱程序啟動，當(dāng)傳感器感受到的水溫達(dá)到了用戶設(shè)置的閾值的時候，就斷開加熱功能，不再進(jìn)行加熱。

（4）智能水杯有一些功能需要用戶進(jìn)行輸入，所以需要安裝用戶的開關(guān)按鈕、設(shè)置按鈕、溫度的增加按鈕和降低按鈕，以及“確認(rèn)鍵”等。

（5）可以利用紅外技術(shù)，實現(xiàn)無接觸的控制，比如使用遙控器，在10 m以內(nèi)的范圍內(nèi)都可以進(jìn)行智能水杯的設(shè)定操作。

3 硬件選擇

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的功能和經(jīng)濟(jì)因素來選擇合適的元器件，然后依據(jù)需要的功能來熔接元器件組裝成本文的設(shè)計。單片機(jī)是本文開發(fā)的系統(tǒng)的靈魂組建，也是整個水杯的核心部分，從元器件的性能和耐用性、經(jīng)濟(jì)性考慮，本文決定使用STC8952單片機(jī)作為智能水杯的主要控制元器件，另外配置了聲音提醒模塊、按鈕控制模塊和溫控模塊等；輸出顯示的元器件采用LCD1602液晶顯示屏；而溫度傳感器則使用DS18B20元器件，壓力信號的采集則使用HX711稱重傳感器。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文設(shè)計的程序包含溫度傳感部分、重量收集部分、核心職能控制芯片部分、外界輸入按鈕處置部分、時間設(shè)置部分和聲音提醒部分，具備溫度傳感功能的元器件可以測試到液體的溫度，而測試壓力的元器件可以通過重量來測試液體裝載的數(shù)量，二者的數(shù)據(jù)可以經(jīng)由顯示模塊直觀地讓用戶看到，利用LCD1602模塊顯示出來，當(dāng)加水量大于系統(tǒng)設(shè)定的承載重量時，就會用提示模塊發(fā)出聲音警示用戶[2]。

5 工作原理及性能

本文設(shè)計的智能水杯及其控制系統(tǒng)是由多組多個種類電子元器件熔接組成的一個整體，每一個功能模塊按照設(shè)計需要和使用需要利用Keil軟件程序進(jìn)行編寫，通過程序?qū)崿F(xiàn)電子元器件在智能水杯中的功能。

（1）測試溫度的元器件把測試得到的溫度信息轉(zhuǎn)換成電流，然后通過內(nèi)部線路傳輸?shù)絃CD1602液晶屏，此時用戶就能看到屏幕上的數(shù)字，同樣測試重量的元器件感受到添加進(jìn)入的水的重量，然后通過內(nèi)部線路傳輸?shù)酵瑯拥娘@示屏，使得用戶可以看到容量的變化。

（2）通過安裝的外界輸入按鈕來預(yù)設(shè)好溫度以及需要的水的容量，利用本文設(shè)計的提示燈作為溫度的標(biāo)記。

6 智能水杯的組裝

（1）電源電路。電源提供的加熱功能是智能水杯的基礎(chǔ)性功能，在整個水杯設(shè)計中有著先決性地位。如果電源電路不能夠安全可靠穩(wěn)定地使用，那么整個智能水杯都是不能使用的。電源電路存在的意義就是給單片機(jī)和其他功能性模塊輸入安全并且穩(wěn)定的電壓電流，使得設(shè)備得以運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。（2）按鈕接口的線路。本系統(tǒng)設(shè)計的輸入輸出的接口線路使用的全部為單獨(dú)的按鍵電路，這樣每一個按鈕都是獨(dú)立運(yùn)行的，每一個按鈕都有自己的輸入輸出接口，這樣設(shè)計的好處是各個按鈕之間互不干擾，當(dāng)一個按鈕線路損壞時，并不影響其他按鈕的使用。在設(shè)備供電剛開始時，所有的按鈕都設(shè)置成低電平有效；此外當(dāng)按鈕狀態(tài)為“否”時，上拉電阻使得輸入輸出接口線路處于高電平狀態(tài)。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，各個輸入按鈕的軟件一般是利用查詢式方式來運(yùn)行，先一位一位地搜尋全部輸入輸出接口線路的輸入工作狀態(tài)。如果只有一個輸入輸出接口線路的輸入電平呈“低”的狀態(tài)，那么就能夠判斷出這個輸入輸出接口線路所對應(yīng)的按鈕已經(jīng)被“按下”了，那么系統(tǒng)就會運(yùn)行這個按鈕對應(yīng)的功能的代碼去實現(xiàn)它所對應(yīng)的功能。（3）聲音提醒電路。在加熱過程中，當(dāng)水達(dá)到了提前設(shè)定好的溫度時，系統(tǒng)就會發(fā)出聲音給予提醒，告訴用戶水已經(jīng)加熱到需要的溫度了，如果不及時斷電有可能會造成危險。（4）溫度測試電路。本文所設(shè)計的智能水杯的溫度感受元器件采用的是DS18B20。它是由美國注明芯片企業(yè)制造的線式的數(shù)字溫度傳感器，他的優(yōu)點是體積很小，具備針對溫度極為敏感的性能，能夠提高智能水杯的精確性和靈敏性。（5）紅外收發(fā)模塊。這個模塊主要是用來為用戶提供遠(yuǎn)程操作的功能，系統(tǒng)內(nèi)的紅外傳感器感受到紅外信號后會將其轉(zhuǎn)化處理，然后將新的信息傳達(dá)到單片機(jī)引腳P3.3口，然后進(jìn)行該接口的電平判定，以此達(dá)到遠(yuǎn)程操作的效果，比如遠(yuǎn)程設(shè)置時間和溫度。（6）顯示模塊。這一部分主要用來向用戶展示溫度、時間、容量等訊息，本文在這一模塊采用的是JHD162A來作為顯示驅(qū)動控制器。根據(jù)LCD1602元器件需要的電路運(yùn)行情況來制定出單片機(jī)和LCD1602 的接口。

7 軟件程序設(shè)計

編程上，本文采用的開發(fā)環(huán)境是Visual C + + 6.0。核心功能的程序包括 A/D 轉(zhuǎn)換子程序（水溫、水位），按鈕讀取、處理和顯示子程序，加熱控制子程序和安全性能上的防止漏電的子程序。

8 實驗調(diào)試

智能加熱水杯的實驗步驟如下：

（1）接上電源后，智能水杯系統(tǒng)電路聯(lián)通，準(zhǔn)備好15 ℃的水備用，然后把需要保溫的溫度范圍設(shè)置在28 ℃～38 ℃，加熱時間上設(shè)置成2 min。那么理論上當(dāng)前水溫比設(shè)置的要低，水杯應(yīng)該啟動加熱，但是系統(tǒng)沒有開啟加熱操作，而是顯示出紅色燈，并且有聲音“滴滴”的提醒，是因為杯子中并沒有倒入水，實驗準(zhǔn)備的水還在外界的其他容器中，那么系統(tǒng)認(rèn)定現(xiàn)在不能加熱，否則會出現(xiàn)干燒危險。（2）把外界的水倒入杯中，使其達(dá)到水位的上限值，那么此時加水不足的指示燈滅掉，杯子的加熱電阻開始工作，加熱工作提示燈（黃燈）打開了。（3）持續(xù)加熱中，當(dāng)水溫達(dá)到了28 ℃但是沒有達(dá)到38 ℃，這時候加熱繼續(xù)。當(dāng)繼續(xù)加熱到水的溫度達(dá)到了38 ℃也就是設(shè)置的上限溫度時，加熱模塊停止工作，加熱提示燈關(guān)閉。

經(jīng)過實驗驗證，本文涉及的基于單片機(jī)的智能水杯具備了加熱、保溫、提醒等功能。

9 結(jié)語

本文利用 STC89C51 單片機(jī)作為中控模塊設(shè)計出了智能加熱、保溫的水杯，涉及包括了元器件的選擇、電路和各個模塊輸入輸出接口的設(shè)計、功能上的設(shè)計。經(jīng)過實驗測試，本文設(shè)計的智能水杯達(dá)到了設(shè)計功能，便于使用，具有很高的現(xiàn)實意義和實用價值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]趙華峰.基于單片機(jī)的家居智能系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].信息與電腦（理論版），2018（22）：134-136.

[2]周凌翱，車金慶.基于AT89C51單片機(jī)的智能水杯設(shè)計[J].電子制作，2016（24）：3.

[3]張仁朝，王先彪.基于STC12C5A60S2單片機(jī)的智能水杯設(shè)計[J].電子世界，2018（22）：164-165.

（編輯 王永超）

Design of intelligent water cup based on single chip microcomputer

Zhong Hao， Chen Jiangping

（Shaanxi Fashion Engineering University， Xi’an 712046， China）

Abstract：This article designs a smart drinking appliance based on 52 single-chip microcomputers. It can be heated， kept warm， and remotely controlled. It can use a plug-in power supply to provide electricity to the heating module and keep the temperature at the set level. Operation in the human-computer interaction module can control the temperature staying in a certain range and the setting of the water adding capacity， and give warnings to the data information out of the range.

Key words：MCU； intelligent water cup； data