新型多功能水杯的研究

德州學院機電工程學院 李博文 王志坤 孫如軍

21世紀人們都提倡節能環保，新型多功能水杯有效的利用了杯中熱水的能量，利用溫差發電模塊將熱能轉化成電能，正是低碳高效生活方式的一種體現形式。另外，新型多功能水杯安裝有溫度顯示和USB充電模塊功能，實用性更強。

1.新型多功能水杯詳細介紹

新型多功能水杯的創新點主要是利用溫差發電裝置，將水杯中熱水的熱能轉化為電能儲存到蓄電池中，以便供音樂播放裝置，外接液晶顯示屏以及USB手機應急充電[1]的電能消耗。溫差發電裝置[2]產生的電能來自于杯底的溫差發電片，杯中熱水和外界大氣的溫差是發電片工作的基本原理。以便USB接口手機充電、音樂播放以及液晶顯示屏溫度顯示的電能消耗。水溫顯示功能，體現了人性化的設計，可讓人們實時掌握杯中水溫，適時飲水，避免燙傷，物物相連，以更好的服務社會；手機充電，解決了手機臨時斷電問題，體現該水杯的應急性，改善了人們的生活理念，提高生活質量，更好地造福社會大眾，音樂播放，可以為工作、學習而疲勞的人們以音樂的享受，釋放壓力，愉悅身心。

圖1 功能展示效果圖

2.技術原理說明

新型多功能水杯是基于STC 89C52單片機構建最小系統[3]，并設計外圍電路：單片機控制的DS18B20溫度傳感器外圍電路、16029液晶顯示電路以及USB接口手機充電電路。通過杯內熱水與外界大氣的溫度差，將水中熱能轉化為電能儲存到可充電的鋰電池中，作為電源使用，以實現能源的有效利用。

2.1 DS18B20實時溫度傳感模塊[4]

技術性能描述：①DS18B20有獨特的單線接口方式，其在與微處理器連接時僅僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊功能。②測溫范圍－55℃～+125℃，固有測溫誤差是0.5℃。③支持多點組網功能，就是可以用多個DS18B20并聯在唯一的三線上，(最多只能并聯8個)，以實現多點測溫。④工作電源：3-5V/DC。⑤DS18B20在使用中不需要任何外圍元件。⑥測量結果以9-12位數字量方式串行傳送。⑦適用于DN15-25，DN40-DN250各種介質管道和狹小空間設備測溫。⑧PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線，這樣便于與其它電器設備連接。

2.2 1602液晶顯示模塊[5]

(1)簡介：1602液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的諸多優點，在各類儀表和低功耗系統中得到廣泛的應用。

(2)主要管腳介紹：

V0：液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度[6]。

RS：寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器；低電平時選擇指令寄存器。

R/W：讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址；當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數據。

E：使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。

(3)1602液晶顯示模塊使這款多功能新型水杯的整體特性得到提高。首先，對于杯內水溫的顯示功能可以讓使用者很靈敏的了解到水的溫度，也就是實現了在健康溫度下喝水的功能。其次，水杯搭載的這款液晶顯示器還可以拓展出其他的功能，比如電能的儲存量和使用量等等。

3.新型多功能水杯在不同溫差下測量的電壓、電流輸出情況總結

在高溫情況下水杯的溫差發電裝置(20-100度內外溫差可輸出0.85-4.3V電壓)利用杯中內外溫差產生電壓，并通過5V升壓模塊(可將0.8-4.8V電壓升高至5V)可輸出5V左右的電壓，以供USB接口手機充電以及液晶顯示屏溫度顯示的電能消耗。也就是說明這個溫差發電模塊有效利用了高溫熱水的熱能，并將其轉化成了我們可以二次利用的電能。整體環節體現了我們對節能減排的研究初衷。可想而知，如果我們的日常生活中可以這樣充分利用這些將要浪費的掉的能量，那么在不知不覺中就會節約很多能源。

4.新型多功能水杯的優越性

(1)人性化的結構設計合理，使用方便，智能化高。我們的作品有溫度顯示和USB設備充電功能，可以讓使用者清楚的了解水溫，可以為使用者提供一個應急電源設備。

(2)杯體大小適中，攜帶方便。

(3)節能環保，充分利用了杯中熱水的能量，降低了對能源的浪費。該水杯的成本低，功能強大，且易于大規模生產。

5.總結

新型多功能水杯充分體現了流行元素與現代科技的完美結合，水溫顯示功能，體現了人性化的設計，可讓人們實時掌握杯中水溫，方便以最佳溫度飲水飲水，避免燙傷；手機充電功能，解決了在辦公的時候手機臨時斷電問題，體現該水杯的應急性，改善了人們的生活理念；音樂播放功能，該水杯搭載一款高品質音樂播放器，可以給工作、學習疲勞的人以音樂的享受，釋放壓力，愉悅身心?？傊滦投喙δ芩耆犀F代人生活的需求，是一款節能，新穎，并且有廣闊市場的產品。

[1]崔英.為手機應急充電,魔幻充電寶走俏[J].現代營銷,2007(7):19-20.

[2]周子鵬.半導體溫差發電裝置的研制[J].2008(8):5-6.

[3]張佳瑞,呂其兵.基于單片機的數據采集和無線數據傳輸系統設計[J].2013:59-10.

[4]王文,王直.基于ARM和DS18B20的溫度監測系統[J].電工電氣,2012(3):5-6.

[5]趙亮.跟我學51單片機(七)--LCD1602液晶顯示模塊[J].電子制作,2011.7:25-26.