基于單片機的智能水杯設計

鐘浩 陳江萍

摘 要：文章設計了一款在52單片機基礎上搭建起來的智能飲水用具，可以進行加熱、保溫、遠程控制，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置程度。在人機交互模塊進行操作可以控制溫度停留在某一范圍以及設定加水容量，對于超出范圍的數據信息進行示警提醒。

關鍵詞：單片機；智能水杯；數據

基金項目：2019年度大學生創新創業訓練計劃項目“智能水杯”的階段性成果；項目名稱 ：智能水杯設計；項目編號：S201913125022。

1 研究現狀

在智能家居的研發如火如荼的時代，智能水杯是順應消費者需求、順應科技發展的產物，尤其在當前環境污染加劇、水源遭受污染、霧霾影響嚴重的形勢下，人們更加重視生活家居中的健康問題，如裝修使用環保材料、購買純凈水、搬離鬧市區等舉措。在智能水杯售賣市場中，群眾認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。可見，盡管總體的智能水杯行業不是特別興旺，但是智能水杯這一產品的實用性和需求性都比較高，也是未來水杯功能發展的趨勢[1]。

2 設計要求

（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）根據水這一物質的特性，將溫度區間設置在

0 ℃～100 ℃。

（3）水溫在100 ℃之內的區間，當負責測試水的溫度的傳感器測試到的溫度沒有達到用戶設置最低閾值的時候，機器的加熱程序啟動，當傳感器感受到的水溫達到了用戶設置的閾值的時候，就斷開加熱功能，不再進行加熱。

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

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

3 硬件選擇

根據系統設計的功能和經濟因素來選擇合適的元器件，然后依據需要的功能來熔接元器件組裝成本文的設計。單片機是本文開發的系統的靈魂組建，也是整個水杯的核心部分，從元器件的性能和耐用性、經濟性考慮，本文決定使用STC8952單片機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 系統軟件設計

本文設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量，二者的數據可以經由顯示模塊直觀地讓用戶看到，利用LCD1602模塊顯示出來，當加水量大于系統設定的承載重量時，就會用提示模塊發出聲音警示用戶[2]。

5 工作原理及性能

本文設計的智能水杯及其控制系統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計需要和使用需要利用Keil軟件程序進行編寫，通過程序實現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換成電流，然后通過內部線路傳輸到LCD1602液晶屏，此時用戶就能看到屏幕上的數字，同樣測試重量的元器件感受到添加進入的水的重量，然后通過內部線路傳輸到同樣的顯示屏，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設好溫度以及需要的水的容量，利用本文設計的提示燈作為溫度的標記。

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性功能，在整個水杯設計中有著先決性地位。如果電源電路不能夠安全可靠穩定地使用，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和其他功能性模塊輸入安全并且穩定的電壓電流，使得設備得以運轉[3]。（2）按鈕接口的線路。本系統設計的輸入輸出的接口線路使用的全部為單獨的按鍵電路，這樣每一個按鈕都是獨立運行的，每一個按鈕都有自己的輸入輸出接口，這樣設計的好處是各個按鈕之間互不干擾，當一個按鈕線路損壞時，并不影響其他按鈕的使用。在設備供電剛開始時，所有的按鈕都設置成低電平有效；此外當按鈕狀態為“否”時，上拉電阻使得輸入輸出接口線路處于高電平狀態。在本系統的設計中，各個輸入按鈕的軟件一般是利用查詢式方式來運行，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。如果只有一個輸入輸出接口線路的輸入電平呈“低”的狀態，那么就能夠判斷出這個輸入輸出接口線路所對應的按鈕已經被“按下”了，那么系統就會運行這個按鈕對應的功能的代碼去實現它所對應的功能。（3）聲音提醒電路。在加熱過程中，當水達到了提前設定好的溫度時，系統就會發出聲音給予提醒，告訴用戶水已經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制造的線式的數字溫度傳感器，他的優點是體積很小，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）紅外收發模塊。這個模塊主要是用來為用戶提供遠程操作的功能，系統內的紅外傳感器感受到紅外信號后會將其轉化處理，然后將新的信息傳達到單片機引腳P3.3口，然后進行該接口的電平判定，以此達到遠程操作的效果，比如遠程設置時間和溫度。（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來作為顯示驅動控制器。根據LCD1602元器件需要的電路運行情況來制定出單片機和LCD1602 的接口。

7 軟件程序設計

編程上，本文采用的開發環境是Visual C + + 6.0。核心功能的程序包括 A/D 轉換子程序（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，智能水杯系統電路聯通，準備好15 ℃的水備用，然后把需要保溫的溫度范圍設置在28 ℃～38 ℃，加熱時間上設置成2 min。那么理論上當前水溫比設置的要低，水杯應該啟動加熱，但是系統沒有開啟加熱操作，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，實驗準備的水還在外界的其他容器中，那么系統認定現在不能加熱，否則會出現干燒危險。（2）把外界的水倒入杯中，使其達到水位的上限值，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）持續加熱中，當水溫達到了28 ℃但是沒有達到38 ℃，這時候加熱繼續。當繼續加熱到水的溫度達到了38 ℃也就是設置的上限溫度時，加熱模塊停止工作，加熱提示燈關閉。

經過實驗驗證，本文涉及的基于單片機的智能水杯具備了加熱、保溫、提醒等功能。

9 結語

本文利用 STC89C51 單片機作為中控模塊設計出了智能加熱、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計、功能上的設計。經過實驗測試，本文設計的智能水杯達到了設計功能，便于使用，具有很高的現實意義和實用價值。

[參考文獻]

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

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

[3]張仁朝，王先彪.基于STC12C5A60S2單片機的智能水杯設計[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