智能水杯

韓衛雪　李明康　魏東超

摘 要：智能水杯是一款基于AT89C52單片機的設計，具有保溫、加熱、制冷、語音播報等功能。通過熱敏電阻控制電路實現加熱功能，通過半導體材料的Peltier效應達到制冷目的，從而將水溫控制在適宜飲用的范圍內；通過ISD1420語音芯片實現語音提醒功能，該功能僅可通過手動按下提醒鍵來實現，否則芯片不工作；通過單片機編程實現語音提醒功能，當按下開關鍵，水杯開始工作，待水溫達到設定溫度時，單片機發出指令實現語音播報。打開水杯杯蓋相當于切斷總電源，所有系統將停止工作；蓋上杯蓋，手動按下開關鍵，水杯開始工作。

關鍵詞：水杯；智能；單片機；語音播報

中圖分類號：TM925.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）14-0045-02

隨著生活水平的提高，人們越來越注重保健，養生成為一大熱點話題，而每天補充水分、保持水分以維持人體正常的生理功能是一項最基本的保健養生常識。然而，在競爭激烈的今天，很多人忙于工作，面對杯中的開水常常束手無策，或是繼續忙碌將其擱置一旁，或是選擇喝下溫度不適宜的水，這無疑對自己身體是不負責任的！普通的水杯不能及時提醒人們喝水，也不能調節水溫讓人們隨時有水喝，更不能保證水的溫度是適宜飲用的。本文描述的這款智能水杯，專門針對以上情況對普通水杯加以改進，增加了多項功能，使之成為養生的一大幫手，方便人們的生活和工作。

1 產品總體設計

本產品的硬件設計由電源模塊、溫度采集模塊、加熱模塊、制冷模塊、語音模塊和LED顯示模塊構成。電源模塊分為三個小部分：第一部分作為總電源，給單片機供電，使整個系統得以正常運行；另外兩個部分分別供電給加熱模塊和制冷模塊，受繼電器控制。其余各模塊均受單片機控制。電源模塊給單片機供電，單片機讀取程序并發出指令給溫度采集模塊，溫度傳感器將溫度反饋給單片機，單片機將采集的數據與設定值相比較，判斷并發出指令以控制繼電器的閉合或斷開，從而給加熱模塊或制冷模塊供電。在數據采集的過程中，單片機會定時發送信息給LED顯示模塊，即時顯示當時的水溫。語音模塊是受按鍵開關控制的一個獨立模塊，只有在打開按鍵開關后，單片機才會在水溫達到設定范圍時對語音芯片發送指令，播放語音提醒。各個模塊在單片機的核心控制下構成了一個完整的硬件系統，實現產品的各項功能。

1.1 溫度采集裝置

該部分電路的核心器件為溫度傳感器AD590，其作用是將溫度信號轉換成電信號，具有很好的線性輸出特性，溫度每上升1 ℃，其電流增加1 μA。通過對水溫的采集，傳感器將采集結果由I/O口傳送到單片機，單片機根據程序指令控制繼電器，從而控制水杯的加熱或制冷。當溫度達到一個特定值時，傳感器再次發送信息給單片機，隨即單片機發送指令使繼電器斷開，停止加熱或制冷。

1.2 加熱裝置

本電路采用555時基集成電路和熱敏電阻溫度控制電路實現加熱功能。當溫度較低時，負溫度系數的熱敏電阻R阻值較大，555時基集成電路（IC）的2腳電位低于Ec電壓的1/3（約4 V），IC的3腳輸出高電平，觸發雙向晶閘管V導通，接通電加熱器RL進行加熱，從而開始計時循環。當置于測溫點的熱敏電阻R溫度高于設定值而計時循環還未完成時，加熱器RL在定時周期結束后就被切斷。當熱敏電阻R溫度降低至設定值以下時，會再次觸發雙向晶閘管V導通，接通電加熱器RL進行加熱，這樣便可達到自動控制溫度的目的。溫控電路如圖1所示。

1.3 制冷裝置

本裝置采用的是半導體制冷原理，即一種產生負熱阻的制冷技術。該技術應用范圍廣泛。當一塊“N”型半導體材料和一塊“P”型半導體材料聯結成電偶對時，在電路中通入直流電后產生能量的轉移，制冷片分為熱端和冷端，此裝置主要應用冷端的制冷功能。選擇該技術是因為以半導體制冷片作為特種冷源不需要任何制冷劑，集制冷時間短、可連續工作、無運動部件、環保無污染等多項優點于一身。此外，為了更好地實現制冷效果，熱端應用散熱包，冷端也要考慮加強冷量的快速傳遞而使用助片。

1.4 語音播報模塊

該模塊實現語音提醒功能，通過采用ISD1420語音芯片實現提示音的錄放。首先，將“充足的水分讓您充滿活力，快來補充水分吧”錄制到芯片中；然后，人為按下提醒鍵，水開始加熱或制冷，當達到適宜飲用的水溫時，單片機發出指令給語音芯片，使其循環播報3～5次。ISD1420芯片使用方便的單片錄放系統，外部元件最少，具有自動節電模式等特點，適合本產品。

2 結束語

該智能水杯以單片機為核心，智能控制水的加熱、制冷、語音播報和溫度顯示。總體來說，該產品設計新穎，貼近生活，實用性強，操作簡便，優于普通水杯。在此設計基礎之上，可增置時鐘顯示、水量顯示、飲水量測記等功能，以吸引更多的使用者，目前仍在研究如何將其更好地融入設計當中。另外，水杯的外觀設計也尤為重要，在實現其功能的同時，盡量維持普通水杯便于攜帶的特點，避免杯體過大，保證按鍵、顯示屏分布合理等。已開發的某些功能并不符合市場需求，所以需要進一步的市場調研，根據社會需求設計出更加完美的產品。

參考文獻

[1]張金.電子設計與制作100例[M].北京：電子工業出版社，2009.

[2]陳永甫.電子電路智能化設計實例與應用第一集[M].北京：電子工業出版社，2002.

[3]馬斌.單片機原理及應用[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[4]何希才.新型電子電路應用實例[M].北京：科學出版社，2005.

〔編輯：李玨〕

Abstract： Smart glass is a AT89C52 microcontroller-based design， with insulation， heating， cooling， voice broadcast and other functions. Achieved by heating thermistor control circuit functions to achieve the purpose of cooling by Peltier effect semiconductor materials， which will be controlled within the temperature range suitable for drinking； voice alerts via voice chip ISD1420， this function can only be reminded by manually pressing the button to achieve， otherwise the chip does not work； voice reminders via microcontroller programming， when you press the key， cups start work until the water temperature reaches the set temperature， issued a directive to achieve single-chip voice broadcast. Open the glass lid is equivalent to the total power cut， all systems will stop working； covered with lid， press the key to open the manual， cups start working.

Key words： glass； intelligent； SCM； voice broadcast

摘 要：智能水杯是一款基于AT89C52單片機的設計，具有保溫、加熱、制冷、語音播報等功能。通過熱敏電阻控制電路實現加熱功能，通過半導體材料的Peltier效應達到制冷目的，從而將水溫控制在適宜飲用的范圍內；通過ISD1420語音芯片實現語音提醒功能，該功能僅可通過手動按下提醒鍵來實現，否則芯片不工作；通過單片機編程實現語音提醒功能，當按下開關鍵，水杯開始工作，待水溫達到設定溫度時，單片機發出指令實現語音播報。打開水杯杯蓋相當于切斷總電源，所有系統將停止工作；蓋上杯蓋，手動按下開關鍵，水杯開始工作。

關鍵詞：水杯；智能；單片機；語音播報

中圖分類號：TM925.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）14-0045-02

隨著生活水平的提高，人們越來越注重保健，養生成為一大熱點話題，而每天補充水分、保持水分以維持人體正常的生理功能是一項最基本的保健養生常識。然而，在競爭激烈的今天，很多人忙于工作，面對杯中的開水常常束手無策，或是繼續忙碌將其擱置一旁，或是選擇喝下溫度不適宜的水，這無疑對自己身體是不負責任的！普通的水杯不能及時提醒人們喝水，也不能調節水溫讓人們隨時有水喝，更不能保證水的溫度是適宜飲用的。本文描述的這款智能水杯，專門針對以上情況對普通水杯加以改進，增加了多項功能，使之成為養生的一大幫手，方便人們的生活和工作。

1 產品總體設計

本產品的硬件設計由電源模塊、溫度采集模塊、加熱模塊、制冷模塊、語音模塊和LED顯示模塊構成。電源模塊分為三個小部分：第一部分作為總電源，給單片機供電，使整個系統得以正常運行；另外兩個部分分別供電給加熱模塊和制冷模塊，受繼電器控制。其余各模塊均受單片機控制。電源模塊給單片機供電，單片機讀取程序并發出指令給溫度采集模塊，溫度傳感器將溫度反饋給單片機，單片機將采集的數據與設定值相比較，判斷并發出指令以控制繼電器的閉合或斷開，從而給加熱模塊或制冷模塊供電。在數據采集的過程中，單片機會定時發送信息給LED顯示模塊，即時顯示當時的水溫。語音模塊是受按鍵開關控制的一個獨立模塊，只有在打開按鍵開關后，單片機才會在水溫達到設定范圍時對語音芯片發送指令，播放語音提醒。各個模塊在單片機的核心控制下構成了一個完整的硬件系統，實現產品的各項功能。

1.1 溫度采集裝置

該部分電路的核心器件為溫度傳感器AD590，其作用是將溫度信號轉換成電信號，具有很好的線性輸出特性，溫度每上升1 ℃，其電流增加1 μA。通過對水溫的采集，傳感器將采集結果由I/O口傳送到單片機，單片機根據程序指令控制繼電器，從而控制水杯的加熱或制冷。當溫度達到一個特定值時，傳感器再次發送信息給單片機，隨即單片機發送指令使繼電器斷開，停止加熱或制冷。

1.2 加熱裝置

本電路采用555時基集成電路和熱敏電阻溫度控制電路實現加熱功能。當溫度較低時，負溫度系數的熱敏電阻R阻值較大，555時基集成電路（IC）的2腳電位低于Ec電壓的1/3（約4 V），IC的3腳輸出高電平，觸發雙向晶閘管V導通，接通電加熱器RL進行加熱，從而開始計時循環。當置于測溫點的熱敏電阻R溫度高于設定值而計時循環還未完成時，加熱器RL在定時周期結束后就被切斷。當熱敏電阻R溫度降低至設定值以下時，會再次觸發雙向晶閘管V導通，接通電加熱器RL進行加熱，這樣便可達到自動控制溫度的目的。溫控電路如圖1所示。

1.3 制冷裝置

本裝置采用的是半導體制冷原理，即一種產生負熱阻的制冷技術。該技術應用范圍廣泛。當一塊“N”型半導體材料和一塊“P”型半導體材料聯結成電偶對時，在電路中通入直流電后產生能量的轉移，制冷片分為熱端和冷端，此裝置主要應用冷端的制冷功能。選擇該技術是因為以半導體制冷片作為特種冷源不需要任何制冷劑，集制冷時間短、可連續工作、無運動部件、環保無污染等多項優點于一身。此外，為了更好地實現制冷效果，熱端應用散熱包，冷端也要考慮加強冷量的快速傳遞而使用助片。

1.4 語音播報模塊

該模塊實現語音提醒功能，通過采用ISD1420語音芯片實現提示音的錄放。首先，將“充足的水分讓您充滿活力，快來補充水分吧”錄制到芯片中；然后，人為按下提醒鍵，水開始加熱或制冷，當達到適宜飲用的水溫時，單片機發出指令給語音芯片，使其循環播報3～5次。ISD1420芯片使用方便的單片錄放系統，外部元件最少，具有自動節電模式等特點，適合本產品。

2 結束語

該智能水杯以單片機為核心，智能控制水的加熱、制冷、語音播報和溫度顯示。總體來說，該產品設計新穎，貼近生活，實用性強，操作簡便，優于普通水杯。在此設計基礎之上，可增置時鐘顯示、水量顯示、飲水量測記等功能，以吸引更多的使用者，目前仍在研究如何將其更好地融入設計當中。另外，水杯的外觀設計也尤為重要，在實現其功能的同時，盡量維持普通水杯便于攜帶的特點，避免杯體過大，保證按鍵、顯示屏分布合理等。已開發的某些功能并不符合市場需求，所以需要進一步的市場調研，根據社會需求設計出更加完美的產品。

參考文獻

[1]張金.電子設計與制作100例[M].北京：電子工業出版社，2009.

[2]陳永甫.電子電路智能化設計實例與應用第一集[M].北京：電子工業出版社，2002.

[3]馬斌.單片機原理及應用[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[4]何希才.新型電子電路應用實例[M].北京：科學出版社，2005.

〔編輯：李玨〕

Abstract： Smart glass is a AT89C52 microcontroller-based design， with insulation， heating， cooling， voice broadcast and other functions. Achieved by heating thermistor control circuit functions to achieve the purpose of cooling by Peltier effect semiconductor materials， which will be controlled within the temperature range suitable for drinking； voice alerts via voice chip ISD1420， this function can only be reminded by manually pressing the button to achieve， otherwise the chip does not work； voice reminders via microcontroller programming， when you press the key， cups start work until the water temperature reaches the set temperature， issued a directive to achieve single-chip voice broadcast. Open the glass lid is equivalent to the total power cut， all systems will stop working； covered with lid， press the key to open the manual， cups start working.

Key words： glass； intelligent； SCM； voice broadcast

摘 要：智能水杯是一款基于AT89C52單片機的設計，具有保溫、加熱、制冷、語音播報等功能。通過熱敏電阻控制電路實現加熱功能，通過半導體材料的Peltier效應達到制冷目的，從而將水溫控制在適宜飲用的范圍內；通過ISD1420語音芯片實現語音提醒功能，該功能僅可通過手動按下提醒鍵來實現，否則芯片不工作；通過單片機編程實現語音提醒功能，當按下開關鍵，水杯開始工作，待水溫達到設定溫度時，單片機發出指令實現語音播報。打開水杯杯蓋相當于切斷總電源，所有系統將停止工作；蓋上杯蓋，手動按下開關鍵，水杯開始工作。

關鍵詞：水杯；智能；單片機；語音播報

中圖分類號：TM925.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）14-0045-02

隨著生活水平的提高，人們越來越注重保健，養生成為一大熱點話題，而每天補充水分、保持水分以維持人體正常的生理功能是一項最基本的保健養生常識。然而，在競爭激烈的今天，很多人忙于工作，面對杯中的開水常常束手無策，或是繼續忙碌將其擱置一旁，或是選擇喝下溫度不適宜的水，這無疑對自己身體是不負責任的！普通的水杯不能及時提醒人們喝水，也不能調節水溫讓人們隨時有水喝，更不能保證水的溫度是適宜飲用的。本文描述的這款智能水杯，專門針對以上情況對普通水杯加以改進，增加了多項功能，使之成為養生的一大幫手，方便人們的生活和工作。

1 產品總體設計

本產品的硬件設計由電源模塊、溫度采集模塊、加熱模塊、制冷模塊、語音模塊和LED顯示模塊構成。電源模塊分為三個小部分：第一部分作為總電源，給單片機供電，使整個系統得以正常運行；另外兩個部分分別供電給加熱模塊和制冷模塊，受繼電器控制。其余各模塊均受單片機控制。電源模塊給單片機供電，單片機讀取程序并發出指令給溫度采集模塊，溫度傳感器將溫度反饋給單片機，單片機將采集的數據與設定值相比較，判斷并發出指令以控制繼電器的閉合或斷開，從而給加熱模塊或制冷模塊供電。在數據采集的過程中，單片機會定時發送信息給LED顯示模塊，即時顯示當時的水溫。語音模塊是受按鍵開關控制的一個獨立模塊，只有在打開按鍵開關后，單片機才會在水溫達到設定范圍時對語音芯片發送指令，播放語音提醒。各個模塊在單片機的核心控制下構成了一個完整的硬件系統，實現產品的各項功能。

1.1 溫度采集裝置

該部分電路的核心器件為溫度傳感器AD590，其作用是將溫度信號轉換成電信號，具有很好的線性輸出特性，溫度每上升1 ℃，其電流增加1 μA。通過對水溫的采集，傳感器將采集結果由I/O口傳送到單片機，單片機根據程序指令控制繼電器，從而控制水杯的加熱或制冷。當溫度達到一個特定值時，傳感器再次發送信息給單片機，隨即單片機發送指令使繼電器斷開，停止加熱或制冷。

1.2 加熱裝置

本電路采用555時基集成電路和熱敏電阻溫度控制電路實現加熱功能。當溫度較低時，負溫度系數的熱敏電阻R阻值較大，555時基集成電路（IC）的2腳電位低于Ec電壓的1/3（約4 V），IC的3腳輸出高電平，觸發雙向晶閘管V導通，接通電加熱器RL進行加熱，從而開始計時循環。當置于測溫點的熱敏電阻R溫度高于設定值而計時循環還未完成時，加熱器RL在定時周期結束后就被切斷。當熱敏電阻R溫度降低至設定值以下時，會再次觸發雙向晶閘管V導通，接通電加熱器RL進行加熱，這樣便可達到自動控制溫度的目的。溫控電路如圖1所示。

1.3 制冷裝置

本裝置采用的是半導體制冷原理，即一種產生負熱阻的制冷技術。該技術應用范圍廣泛。當一塊“N”型半導體材料和一塊“P”型半導體材料聯結成電偶對時，在電路中通入直流電后產生能量的轉移，制冷片分為熱端和冷端，此裝置主要應用冷端的制冷功能。選擇該技術是因為以半導體制冷片作為特種冷源不需要任何制冷劑，集制冷時間短、可連續工作、無運動部件、環保無污染等多項優點于一身。此外，為了更好地實現制冷效果，熱端應用散熱包，冷端也要考慮加強冷量的快速傳遞而使用助片。

1.4 語音播報模塊

該模塊實現語音提醒功能，通過采用ISD1420語音芯片實現提示音的錄放。首先，將“充足的水分讓您充滿活力，快來補充水分吧”錄制到芯片中；然后，人為按下提醒鍵，水開始加熱或制冷，當達到適宜飲用的水溫時，單片機發出指令給語音芯片，使其循環播報3～5次。ISD1420芯片使用方便的單片錄放系統，外部元件最少，具有自動節電模式等特點，適合本產品。

2 結束語

該智能水杯以單片機為核心，智能控制水的加熱、制冷、語音播報和溫度顯示。總體來說，該產品設計新穎，貼近生活，實用性強，操作簡便，優于普通水杯。在此設計基礎之上，可增置時鐘顯示、水量顯示、飲水量測記等功能，以吸引更多的使用者，目前仍在研究如何將其更好地融入設計當中。另外，水杯的外觀設計也尤為重要，在實現其功能的同時，盡量維持普通水杯便于攜帶的特點，避免杯體過大，保證按鍵、顯示屏分布合理等。已開發的某些功能并不符合市場需求，所以需要進一步的市場調研，根據社會需求設計出更加完美的產品。

參考文獻

[1]張金.電子設計與制作100例[M].北京：電子工業出版社，2009.

[2]陳永甫.電子電路智能化設計實例與應用第一集[M].北京：電子工業出版社，2002.

[3]馬斌.單片機原理及應用[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[4]何希才.新型電子電路應用實例[M].北京：科學出版社，2005.

〔編輯：李玨〕

Abstract： Smart glass is a AT89C52 microcontroller-based design， with insulation， heating， cooling， voice broadcast and other functions. Achieved by heating thermistor control circuit functions to achieve the purpose of cooling by Peltier effect semiconductor materials， which will be controlled within the temperature range suitable for drinking； voice alerts via voice chip ISD1420， this function can only be reminded by manually pressing the button to achieve， otherwise the chip does not work； voice reminders via microcontroller programming， when you press the key， cups start work until the water temperature reaches the set temperature， issued a directive to achieve single-chip voice broadcast. Open the glass lid is equivalent to the total power cut， all systems will stop working； covered with lid， press the key to open the manual， cups start working.

Key words： glass； intelligent； SCM； voice broadcast