基于單片機溫度自動提醒的智能水杯設計

陳江萍 鐘浩

摘 要：文章設計了一種基于STM32的多功能智能水杯系統，旨在使人們養成良好的飲水習慣。該系統采用單片機控制溫度傳感器和壓力傳感器，實時測量水溫和水量。同時，通過藍牙模塊，用戶可以通過手機App獲得水溫、水量等信息。內置在杯子中的鋰電池可以為微控制器和每個模塊提供電力。經過調試，該系統能夠成功地實現上述功能，較好地解決了人們的飲用水問題，具有較高的性價比和應用前景。

關鍵詞：智能水杯;自動提醒;單片機

0 ? ?引言

本文設計了一種基于物聯網的智能水杯，用戶可以設定時間和水溫。當達到用戶設定的時間或熱水冷卻到用戶設定的水溫時，聲音提醒用戶喝水。本文設計的智能水杯具有內置鋰電池和測量電路。鋰電池采用無線充電技術充電，使水杯更小更方便。同時還具有壓力傳感器，可以測量杯中的水量。水杯內置藍牙模塊，微控制器通過藍牙模塊向手機App傳輸數據，使用戶可以更方便地在手機App上查看飲用水記錄。

1 ? 系統設計

在本文所提的系統中，單片機通過溫度傳感器、壓力傳感器和時鐘模塊采集數據，并在液晶顯示器上顯示水溫、水量和電流時間，此外，它可以通過不同的水溫點亮不同的Led燈，并可以通過按鈕設置水溫和飲水時間，微控制器檢測水溫和時間，并控制語音模塊在達到預定水溫和時間時發出聲音，它可以控制AD轉換器采集電壓并顯示在LCD上，當電池電量不足時，電池通過無線充電技術充電。系統中包含藍牙模塊，微控制器通過藍牙模塊向移動App發送數據[1]。

2 ? 主模塊設計

2.1 主控芯片

STM32F103C8T6集成了一個高性能的ARM cortex-m332位RISC核心，在72 MHz工作，高速嵌入式存儲器，以及各種增強的 I/O和連接到兩個APB總線的外設。該系統采用單片機中的12位ADC和RTC模塊實現電壓的采集和時鐘的顯示。 12位ADC是一個逐次逼近的模擬數字轉換器。它有多達18個多路信道允許它測量來自16個外部和兩個內部來源的信號。各通道的A/D轉換可以采用單通道、連續通道、掃描通道或間斷通道進行。ADC的結果存儲在左對齊或右對齊的16位數據寄存器中。

2.2 觸摸鍵模塊

觸摸鍵芯片是RH6030。該芯片是一種電容式可觸摸感應開關，可替代傳統的機械式開關。RH6030可以通過外部引腳在多種模式下工作。當觸鍵面積增加到一定程度時，面積的持續增加幾乎不會影響靈敏度。在觸摸電極和觸摸輸入針之間連接一個電阻器，用于提高觸摸的抗干擾能力。在VDD和GND之間需要一個濾波電容來消除噪聲。電源需要穩定。如果電源電壓漂移或快速變化，可能造成靈敏度漂移或檢測誤差。在給系統供電之前，應該將介質覆蓋在觸摸電極上，因為芯片在加電時會檢測環境和初始電容。如果覆蓋層是在芯片初始化后放置的，那么系統可能檢測到電容的突然變化，從而導致判斷錯誤。

2.3 語音模塊

ISD1820提供高質量、單芯片、單消息、錄音/回放解決方案，用戶可選擇持續時間。CMOS器件包括片上振蕩器、麥克風前置放大器、自動增益控制、抗混疊濾波器、多級存儲器陣列、平滑濾波器和揚聲器放大器。最小錄音/回放子系統可以配置一個麥克風、揚聲器、多個被動元件、兩個按鈕和一個電源。這些記錄存儲在芯片上的非揮發性記憶體存儲單元中，以提供零功率的信息存儲。

2.4 時鐘模塊

選用STM32內部RTC時鐘作為時鐘模塊。實時時鐘是一個獨立的計時器。RTC 核心和時鐘配置（RCC _ bdcr寄存器）位于備份域，這意味著RTC設置和時間在重置或從備用模式喚醒后保持不變。重置后，將禁用對備份寄存器和 RTC的訪問，并保護備份域（BKP）免受可能的寄生寫訪問。RTC和備份寄存器由一個開關提供，該開關由VDD電源供電或由VBAT引腳供電。當VDD電源不存在時，備份寄存器（1 016位寄存器）可用于存儲數據。實時時鐘提供了一組連續運行的計數器，可以與適當的軟件一起使用，以提供時鐘日歷功能，并提供報警中斷和周期性中斷。它由一個外部的32.768 kHz振蕩器、一個內部的低功率RC振蕩器或一個除以128的高速外部時鐘來計時。內部低功耗RC的典型頻率為 ? ? ?32 kHz。該RTC可以校準使用外部512赫茲輸出，以補償任何自然石英偏見。RTC有一個32位的可編程計數器，可用于長期測量使用比較寄存器生成警報[2]。

2.5 溫度模組

DS18B20數碼溫度計提供9至12攝氏度的溫度測量，并設有報警功能，具有非揮發性用戶可編程上下觸發點。DS18B20通過1線總線進行通信，根據定義，該總線只需要一條數據線（和地線）與中央微處理器進行通信。它的工作溫度范圍為-55℃至+125 ℃，精確度為± 0.5 ℃，從-10 ℃至+85 ℃。此外，DS18B20可以直接從數據線（“寄生電源”）獲得電力，而不需要外部電源。根據定義，1-Wire總線只有一條數據線。每個設備（主設備或從設備）都通過一個開放接口或三態端口連接到數據線。這允許每個設備在不傳輸數據時“釋放”數據線，因此總線可用于其他設備。DS18B20的單線端口（DQ引腳）是開放式漏極，需要大約5 kω的外部上拉電阻。DS18B20的核心功能是直接數字式溫度傳感器。用戶可以將溫度傳感器的分辨率設置為9，10，11或12位，相應的增量分別為0.5 ℃，0.25 ℃，0.125 ℃ 和0.0625 ℃。開機時的默認分辨率為12位。DS18B20在低功耗空閑狀態下啟動;要開始溫度測量和a/d轉換，主機必須發出 Convert [44h]命令。轉換后，生成的熱數據存儲在暫存器中的2字節溫度寄存器中，DS18B20返回到空閑狀態。在 DS18B20執行溫度轉換后，將溫度值與存儲在1字節TH和TL寄存器中的用戶定義2的補碼報警觸發器值進行比較。符號位（s）表示該值是正數還是負數： 對于正數s=0，對于負數s=1。TH和TL寄存器是非易失性的（EEPROM），因此當設備斷電時，它們將保留數據。

2.6 電源管理模塊

電池使用電磁感應無線充電技術充電。主要原理是在初級線圈上產生交流電，而次級線圈通過電磁感應產生一定的電流。充電基座和水杯端子分別有內置線圈，當兩者接近時，在水杯中的接收線圈中產生一定的電流電磁感應。通電導線周圍產生的磁場方向與電流方向垂直，通常磁場很弱。然而，如果導線纏繞成一個圓圈或螺旋，同一方向的磁場就會疊加，從而形成一個強磁場。利用變化的電場產生變化的磁場，利用變化的磁場產生電場，從而將能量從發射端轉移到接收端，從而產生電流給裝置充電[3]。

3 ? 結語

本文介紹的智能水杯與普通水杯相比，能夠顯示水溫、水量，提醒用戶智能飲水。無線通信技術允許用戶在App上查看飲用水記錄。無線充電技術消除了充電的不便。該系統采用傳感器測量水杯內的水溫和水量，誤差不超過±0.5 ℃。當水溫低于30 ℃，30 ℃～60 ℃和高于60 ℃時，分別開啟3種顏色指示燈，誤差不超過± 0.5℃。水溫通過按鍵在液晶顯示器上設定。當熱水冷卻到設定溫度時，聲音提醒用戶飲水，誤差不超過±0.5 ℃。用戶可以通過按鍵設置LCD上的時間。當設定的時間到來時，聲音提醒用戶喝水。電磁感應的無線充電技術被用來給鋰電池充電。當鋰電池電壓達到4.2 V時，斷開電路停止充電，當鋰電池電壓小于3.4 V時，系統提醒用戶對電池充電。藍牙模塊用于無線數據傳輸，飲用水記錄可以在移動App上查看。

[參考文獻]

[1]陳蓮芳.關于單片機溫度控制系統方案的探討[J].科技資訊，2019（10）：11-12.

[2]王維佳.基于單片機的溫度控制系統設計[J].電子技術與軟件工程，2018（23）：244.

[3]高敏.基于單片機的溫度控制系統的研究與實現[J].廣州城市職業學院學報，2016（4）：26-29.

（編輯 何 琳）