基于溫控電路的可拆卸保溫杯設計

李小龍，孫立巍，林煒雄，王 佳，周家霖

（長春師范大學 工程學院，吉林 長春 130032）

0 引 言

中國的保溫瓶最早出現在宋代，那時稱之為“暖水釜”。現代社會中，人們對于保溫杯的功能需求不僅僅是保溫，還追求使用方便、設計美觀等。人們在日常生活中使用保溫杯時經常遇見保溫性能太差等問題導致不能及時得到滿意溫度的水，同時市場上的控溫保溫杯價格高昂，因此設計一個更具性價比的控溫保溫杯十分重要[1]。

1 可拆卸控溫保溫杯結構設計

1.1 整體設計

可拆卸控溫保溫杯主要分為3個部分，分別是熱水部分、控制部分、冷水部分，裝置詳情如圖1所示。其中熱水部分、控制部分以及冷水部分之間采用螺紋連接，上下兩個部分可以拆卸。熱水部分采取的保溫方法是真空隔熱，冷水部分采取的是常溫冷卻，控制部分由球形閥、舵機以及DS18B20數字溫度傳感器組成。

圖1 可拆卸控溫保溫杯整體結構

1.2 溫控電路設計

該可拆卸控溫保溫杯搭載Ardunio UNO單片機、DS18B20數字溫度傳感器、SG90舵機、OLED顯示器、藍牙模塊以及電池等配件，通過不同配件的配合使用實現相應功能。保溫杯溫控電路設計如圖2所示。

圖2 保溫杯溫控電路設計

1.3 輸入裝置設計

通過手機藍牙或者控溫保溫杯上的按鍵輸入預定溫度值，當選擇手機藍牙進行輸入時，用戶需要將手機藍牙與保溫杯藍牙進行匹配，匹配成功后可以選擇低溫、中溫、高溫或者任意溫度。

1.4 溫度檢測裝置設計

采用DS18B20數字溫度傳感器檢測溫度，該傳感器適用于各種場合，具有體積小、靈敏度高等特點，能夠有效適應保溫杯內狹窄且溫度變化快的工作環境。DS18B20數字溫度傳感器擁有獨特的單線接口方式，與微處理器連接時僅需要一條連線即可實現雙向通信。

1.5 單片機主控制

單片機對輸入裝置的溫度信號和溫度檢測裝置的溫度信號進行匹配，如果不一樣，則向溫度控制裝置發送信號，控制其調節溫度。與此同時，將溫度信號發送到顯示裝置，通過顯示裝置實時顯示預定水溫和實時水溫。

1.6 控制裝置設計

控制裝置和球形閥結構分布如圖3所示。溫度控制裝置主要由球形閥與DSI820C傳感器構成，裝置上下各有一旋向相反的螺紋，用于與保溫裝置及冷水裝置連接，通過內部舵機與球形閥之間的相互配合實現控制功能。控制裝置中的隔水空間用于放置舵機和球形閥，球形閥的開閉可以控制熱水的輸送[2]。當檢測溫度高于預設溫度時，球形閥旋轉90°，從而打開閥門，使冷水流入熱水部分進行混合調溫，直至達到指定溫度。當檢測溫度接近于預設溫度時，球形閥回轉90°，從而關閉閥門，截斷液體流動，實現基本溫度控制。球形閥的優勢在于啟閉迅速、結構簡單，從全開到全關只要旋轉90°，便于遠距離控制。此外，球形閥密封圈一般都是活動的，拆卸更換都比較方便。

圖3 控制裝置和球形閥結構分布

1.7 可拆卸設計

由于控制裝置與熱水部分為一體化設計，因此熱水部分不可拆卸。在溫度調節后，可以通過熱水部分與冷水部分的螺紋連接來將冷水部分拆卸下來喝水，實現一杯多用。

2 可拆卸控溫保溫杯工作過程

可拆卸控溫保溫杯實際工作過程如圖4所示。

圖4 可拆卸控溫保溫杯工作過程

利用外部終端或者矩陣鍵盤將所需溫度T1發送給Ardiuno UNO單片機，DS18B20數字溫度傳感器將實際溫度T2實時反饋給Ardiuno UNO單片機，單片機接收到T1與T2后對兩者進行比較。若T2＜T1，則單片機控制溫度控制裝置進行調控，舵機帶動球形閥打開熱水與冷水的連接部分，實現冷水與熱水的混合。當溫度達到T1時，溫度傳感器給予單片機信號，單片機控制溫度控制裝置，舵機帶動球形閥關閉熱水與冷水的連接部分，從而實現水溫的合理調控。顯示裝置實時顯示冷水溫度，告知用戶是否達到使用標準[3-7]。

3 結 論

可拆卸控溫保溫杯以聚酰胺和玻璃纖維為主材料，通過搭載SG90舵機、DS18B20數字溫度傳感器、電池、無線模塊、OLED顯示器以及球形閥，各個模塊相互配合共同完成保溫杯控溫過程，為用戶能夠及時得到滿意的水溫提供了合理方案。該設計不僅可以對溫度進行精準把控，還實現了一杯多用，為用戶提供了不同的保溫杯選擇。