自動恒溫水杯裝置的設計

向波

（唐山學院，河北 唐山063000）

1 研究背景

目前市場上還沒有一款真正意義上的自動溫控水杯，曾經在網上各大賣場走紅的55℃杯，其宣稱“無論是熱水、還是冷水，只要倒入這個小杯子中，搖一搖，就可以變成適合人們飲用的55℃溫水?！苯浉鞣秸{查，其本質就是普通的鋁合金，夾層中充填了大量鹽水。熱水遇到導熱性能優異的合金壁，杯壁將熱量傳導給夾層中溫度較低的常溫鹽水，再經過用戶搖一搖后，杯壁內的飲用水和杯子夾層中的鹽水的溫度實現了平衡，通過不斷計算和實驗，只要將水杯容積設定合適就可以使最后的溫度保持在大約55℃左右，杯里的水升溫原理也一樣，夾層里的鹽水溫度在55℃左右，通過杯壁傳導給溫度低的飲用水，隨后飲用水溫度上升大約升至30℃左右。由此可見該水杯降溫和升溫必須滿足特定條件，其設定的溫度值55℃也不是最適合大多數人飲用水的溫度值（40℃-45℃）。且由于不同人群、同一人群的不同個體以及同一個體不同時間對飲水水溫的要求變化都很大，因此其使用范圍十分有限。本次設計目標就是設計出一種能夠克服以上諸多缺點的自動恒溫水杯裝置，其主要是用溫度控制系統來對水杯進行溫度控制，設計的關鍵是如何在一個如此小的裝置上實現制冷降溫。半導體制冷技術又稱為熱電制冷技術，目前熱電制冷采用的材料基本上都是半導體，人們習慣稱之為半導體制冷，因半導體片的制作成本低、占用空間體積小、易于控制和響應速度快，所以與傳統的制冷設備相比半導體制冷在微制冷領域有廣泛的應用。

2 系統設計

整個恒溫水杯裝置主要控制部分以STC89C52 單片機為核心器件，與電阻電容晶振等構成單片機最小系統。其它各模塊圍繞著最小系統展開。其中，傳感器采用DS18B20，負責采集溫度數據并轉換成數字信號發送給單片機，顯示設備采用4 位共陰極數碼管。按鍵模塊，主要是用戶根據自己需要進行出水溫度值范圍的設定，報警模塊通過開關來控制蜂鳴器與電路的連接。實現報警功能和電路檢測、保護功能，水泵采用手動開關控制，每位用戶都可以根據自身不同的需求來控制每次的抽水量。

3 電路控制系統設計

溫度傳感器檢測當前溫度，在DS18B20 內部進行A/D 轉換，將數值顯示在數碼管上并傳輸給單片機，單片機將其與用戶設定的溫度上、下限值進行比較、判斷，若溫度高于設定溫度上限值則啟動降溫系統，即降溫繼電器閉合，啟動半導體制冷片和小風扇進行制冷降溫，直到溫度值低于設定的上限值；若溫度低于設定溫度下限則啟動升溫系統，即升溫繼電器閉合，啟動加熱片進行加熱升溫，直到溫度高于設定的溫度下限值。LED 指示燈指示系統當前工作狀態，紅燈亮表示水溫高，降溫裝置工作，綠燈亮表示水溫低，加熱裝置工作，蜂鳴器根據用戶選擇可以處于連接狀態和斷開狀態，處于連接狀態時則可以對整個控制電路進行檢測，并對電路工作狀態進行聲響提示，用戶可以根據需要，通過按鍵設置出水溫度的上、下限值。

圖1 系統框圖

4 水杯裝置整體硬件設計

4.1 水杯裝置結構設計

傳統的水杯均采用一體式結構，水杯制做便捷、成本低。本設計則不能再采用一體式結構，主要是加熱或降溫裝置的功率有限，若一次性將水杯中的水全都加熱或降溫處理則需要的時間較長，功能即便實現也失去了意義。因為多數人要飲水時不會一次飲用很多的水，多數人一般單次飲水量在100ml～200ml。基于此本設計構想只需對用戶單次飲用的水進行加熱或降溫處理即可，這樣可以避免對杯中的水重復的加熱和降溫，既有利于節約電源模塊中儲存的電量，也有利于用戶的身體健康，因為水被重復加熱則易形成“亞硝酸鹽”等對人體有害的物質。

本設計水杯結構整體上分為三大部分：下部大水杯主要用來儲存可能需要飲用的水，為了方便用戶使用，設計時使其有較大的儲存空間。上部小水杯主要用來儲存當前時間用戶需要飲用的水，加熱和制冷裝置主要是針對該水杯里的水，此部分空間較小，主要是考慮在滿足大多數人群的一次性飲水需求的同時盡量減小單次所需加熱或降溫的水的體積，以利于最大限度的減少加熱升溫和制冷降溫過程需要的時間以及節約電源模塊的能量。中間部分放置加熱片、制冷片、散熱器等。此部位在結構上主要起連接功能，將上下部分水杯連接在一起，成為一體，因此要用快干膠仔細認真連接并確保連接牢固。上、下部分水杯均由杯身和杯蓋組成，主要是為了方便接水、倒水以及水杯的清洗等。電路板和電源放置在水杯兩側，使整個水杯裝置盡量保持平衡。

4.2 散熱裝置設計

半導體制冷是利用連接在一起的N 型和P 型半導體之間的“珀爾帖效應”進行換熱制冷。根據能量守恒定律，能量既不會憑空產生，也不會憑空消失。半導體片在一面制冷時另一面也會產熱，根據傳熱學原理，只有熱端充分的散熱，冷端才能達到持續制冷的效果，所以當半導體片工作時，其熱端需要散熱裝置進行散熱。本設計采用散熱器+風扇散熱，加速熱端熱量的散發，降低制冷片兩端溫差，從而達到更好的制冷效果。為保證散熱裝置和半導體片同時工作，散熱裝置中的小風扇直接和半導體片并聯連接。

4.3 水杯裝置進出水和水管設計

下部大水杯中的水通過水泵（5V）被抽到上部小水杯。水泵開關采用手動控制，可以根據不同人群的單次飲水量的不同來控制開關的開通時間，從而使上部小水杯中進水量的多少可以由用戶根據自身需要而決定，這樣就使水杯裝置只對用戶當次需要飲用的水進行加熱或降溫處理。可以使水杯裝置在滿足用戶個性化需求的同時也能夠最大限度的充分利用電源模塊存儲的電量，使水杯裝置整體上更加合理、環保。上部小水杯設有溢流管，溢流管下部和大水杯相連通，當上部小水杯中水位過高時，杯中的水會通過溢流管自動流回下部大水杯，防止溢出和浪費，水管和水杯的連接部分要進行防漏水處理。下部大水杯中的上水管其長度要稍微長一些，且必須是軟管，以使下部大水杯內的水能完全被抽到上部小水杯中。

4.4 水杯電源模塊設計

采用常見的移動電源（手機充電寶）供電：

1 端口：（5V 1A）用于對水杯供電。

2 端口：（5V 2A）用于對溫度控制系統供電。

采用該移動電源優點為:a.可在閑暇和方便時間進行充電;b.可邊充電邊使用;c.可以粗略顯示剩余電量;d.經濟、簡單、實用。

4.5 水杯控制電路的電路板設計

主要控制電路采用面包板和手工焊接，先將單片機機座及各個電子器件固定在電路板上，注意器件布局要盡量均勻、合理，然后按照電氣原理圖進行連接，在焊接時要注意各個引腳之間不要短路，也不要虛焊, 用導線將需要連接的引腳進行連接，連接時導線長度要合適，不能太長，導線太長則容易晃動且易被連接點的尖端刮壞，從而造成短路。連接完每一根導線后，需要用萬用表歐姆檔進行測試，若測試電阻為零則表明此導線與引腳連接可靠，這樣做可以最大限度上保證焊接質量。電路板焊接完成后，先將其與電氣原理圖仔細對比，認真檢查連線，待檢查無誤后，給電路板通電進行調試，觀察各個模塊運行狀況。采用電路板手工焊制可以鍛煉動手能力，但是其集成化低，體積大，控制系統運行的穩定性較差，在以后的工作中可以用集成電路來替代該電路板，從而解決以上問題。電路板要特別注意防水、防塵、防摔，以使電路板工作性能穩定。

5 程序流程圖設計

本系統的軟件流程：最開始先進行定時器的初始化，本設計利用定時器實現數碼管的動態掃描。接著就進入一個死循環，死循環執行以下內容：a.讀取當前的溫度值；b.顯示檢測到的溫度值；c.判斷檢測到的溫度是否超出設置的上下限，是的話則啟動加熱升溫或制冷降溫裝置；d.延時并進行按鍵掃描，若檢測到按鍵按下，則進入溫度上、下限值設置的狀態。

6 硬件組裝與調試

實物整體上分為六大模塊：大水杯、小水杯、散熱器、電源、電路板、水泵。大水杯主要用于儲存水，所以有較大的空間，小水杯主要用于儲存當前時刻需要飲用的少部分水，其空間小。大、小水杯之間由水泵及水管連通，用戶需要飲水時，按下水泵電源開關，水泵把大水杯中的水抽到上部小水杯中，抽水量完全由用戶控制水泵開關時間的長短決定，當水位過高達到溢流管的上部溢流口時，水會入溢流管，再流回下部大水杯，從而可以有效的防止小水杯中的水因為水位過高溢出。大水杯、小水杯與散熱器的連接，此處連接就是為了使三部分之間緊密連接成一體。在電路板焊接完成之后，把溫度傳感器DS18B20 用導線引出，再將各個引腳用防水絕緣膠帶密封好后放置在水杯側壁靠近底部的位置上，并固定好。溫度傳感器這樣放置有利于防止其各個引腳之間短路的發生，同時其溫度測量誤差也基本上可以滿足要求，設計實物見圖2。

圖2 電路板實物圖