基于單片機的智能飲用水杯設計與制作

周昊++陳虹安++阮太元

摘要：本文基于STC12LE5612AD單片機設計了一種智能飲用水杯，上電后水杯能夠自動檢測杯中的水質，并通過水杯底部的指示燈提示使用者杯中水質情況，同時通過藍牙將本次檢測的水質數據發送到手機APP中，從而減少人們飲用不合格水質的幾率。本文詳細介紹了系統的硬件結構和軟件設計，經測試，水杯能夠精確檢測水質情況，誤差較小。

關鍵詞：單片機；水質；檢測；健康

中圖分類號：TP212.11 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）03-0169-02

1 引言

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

本作品以水杯的形式開發，既能夠作為普通水杯使用，又能夠及時檢測每次飲用水的TDS值，及時提醒飲用的水質是否達標，保證使用者飲水放心。每次檢測的水質數據也能夠通過藍牙發送到手機上，方便統計管理飲水記錄。

2 系統結構和硬件設計

2.1 系統結構

見圖1。

本系統主要由CPU處理器，電源模塊，藍牙4.0模塊，脈沖模塊、電極、手持終端等部分組成。

2.2 硬件電路設計

見圖2，圖3。

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

3 程序設計

3.1 程序功能描述與設計思路

（1）實現TDS數據采集功能；

（2）實現手機APP收集TDS數據功能。

3.2 程序設計思路

首先初始化定時器和串口，再通過外部中斷1將7555定時器所產生的頻率進行計數，而定時器0作定時功能，每隔1秒就將外部中斷1關閉，并輸出當時的計數值（即是當前頻率），然后通過Excel的數據擬合功能，計算頻率、電導率與TDS的線性關系，計算得出線性方程，為了減少誤差，所以用條件判斷將每100Hz作為TDS檢測的數據段。同時將3盞LED燈分別表示飲用水的標準。

3.3 程序流程圖

見圖4。

4 測試方案與測試結果

4.1 測試方案

4.1.1 硬件測試

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

（2）檢測7555定時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P3^3），并調節波形，使得穩定輸出方波波形。若波形存在過多雜波，可加入適當的電容過濾雜波。

（3）檢測藍牙模塊是否連接成功。打開手機APP，點擊Scan BLE Device（搜索藍牙），搜索到SPP-78，再點擊，若匹配成功，則模塊中的藍色LED燈會常亮。

經測試，我們的電源模塊、7555定時器模塊、單片機控制模塊以及藍牙模塊均工作正常。

4.1.2 軟件測試

（1）單片機采集頻率。將程序下載到單片機，打開串口調試助手，調節好相應的波特率并打開串口，觀察接收緩沖區是否有數據返回。若串口的接收緩沖區不斷顯示000，則說明定時器記錄到有頻率存在，反之，串口沒有接收到任何數據。

（2）藍牙與手機通信程序測試。當藍牙與手機APP連接成功，則TDS數據會自動發送到APP的接收緩沖區，即不斷顯示000，反之，APP沒有接收到任何數據。

4.1.3 硬件軟件聯調

打開電源并連接上藍牙，將飲用水倒入杯中且浸沒探針，若數據從000跳變到其他數值（例如015，017，030等等），大概經過5，6 s左右，數據穩定下來，則說明測試正常；若出現亂碼，首先檢查電路是否工作正常，其次檢查軟件波特率的設置和晶振的選型，最后重新上電并下載程序，觀察數據是否正常發送到手機APP的接收區。

4.2 測試結果及分析

見表1。

以上是該TDS檢測模塊的實驗測試結果，測試時，向水杯加入適量被測溶液，當探頭與相關溶液接觸，根據軟件算法，得出所求的TDS值，發送到手機App來讀取數據。測量時，可用交流電源或內含的充電電池。由此得出以下結論：

（1）所得的TDS值準確度高，而且較穩定。

（2）通過藍牙模塊，單片機同步發送數據回手機APP。

（3）工作電壓穩定，系統中使用交流電以減少極化現象對測量的影響。

5 結語

本作品不僅可以作為常用的水杯使用，而且能夠檢測飲用水中的TDS值，直接將水質的好壞通過水杯上的紅/綠/黃LED燈反映出來。紅燈表示水質很差、黃燈表示水質一般、綠燈表示水質良好，這樣使用者可以在飲用水之前掌握到水質的好壞，充分做到飲干凈水、用健康水。區別于傳統的水質檢測需要復雜的儀器設備，本作品使用的場合是家庭、辦公室等地，面對當前劣質桶裝水充斥市場的情況，我們需要把握飲用的水的質量情況，才能真正做到讓自己安心，讓家人放心。

參考文獻

[1]王靜霞.單片機應用技術.C語言版.北京：電子工業出版社，2012.5.

[2]楊旭方.Protel DXP 2004 SP2 實訓教程.北京：電子工業出版社，2011.3.