新型多功能水杯的研究

德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 李博文 王志坤 孫如軍

21世紀(jì)人們都提倡節(jié)能環(huán)保，新型多功能水杯有效的利用了杯中熱水的能量，利用溫差發(fā)電模塊將熱能轉(zhuǎn)化成電能，正是低碳高效生活方式的一種體現(xiàn)形式。另外，新型多功能水杯安裝有溫度顯示和USB充電模塊功能，實(shí)用性更強(qiáng)。

1.新型多功能水杯詳細(xì)介紹

新型多功能水杯的創(chuàng)新點(diǎn)主要是利用溫差發(fā)電裝置，將水杯中熱水的熱能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到蓄電池中，以便供音樂(lè)播放裝置，外接液晶顯示屏以及USB手機(jī)應(yīng)急充電[1]的電能消耗。溫差發(fā)電裝置[2]產(chǎn)生的電能來(lái)自于杯底的溫差發(fā)電片，杯中熱水和外界大氣的溫差是發(fā)電片工作的基本原理。以便USB接口手機(jī)充電、音樂(lè)播放以及液晶顯示屏溫度顯示的電能消耗。水溫顯示功能，體現(xiàn)了人性化的設(shè)計(jì)，可讓人們實(shí)時(shí)掌握杯中水溫，適時(shí)飲水，避免燙傷，物物相連，以更好的服務(wù)社會(huì)；手機(jī)充電，解決了手機(jī)臨時(shí)斷電問(wèn)題，體現(xiàn)該水杯的應(yīng)急性，改善了人們的生活理念，提高生活質(zhì)量，更好地造福社會(huì)大眾，音樂(lè)播放，可以為工作、學(xué)習(xí)而疲勞的人們以音樂(lè)的享受，釋放壓力，愉悅身心。

圖1 功能展示效果圖

2.技術(shù)原理說(shuō)明

新型多功能水杯是基于STC 89C52單片機(jī)構(gòu)建最小系統(tǒng)[3]，并設(shè)計(jì)外圍電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制的DS18B20溫度傳感器外圍電路、16029液晶顯示電路以及USB接口手機(jī)充電電路。通過(guò)杯內(nèi)熱水與外界大氣的溫度差，將水中熱能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到可充電的鋰電池中，作為電源使用，以實(shí)現(xiàn)能源的有效利用。

2.1 DS18B20實(shí)時(shí)溫度傳感模塊[4]

技術(shù)性能描述：①DS18B20有獨(dú)特的單線接口方式，其在與微處理器連接時(shí)僅僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊功能。②測(cè)溫范圍－55℃～+125℃，固有測(cè)溫誤差是0.5℃。③支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，就是可以用多個(gè)DS18B20并聯(lián)在唯一的三線上，(最多只能并聯(lián)8個(gè))，以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。④工作電源：3-5V/DC。⑤DS18B20在使用中不需要任何外圍元件。⑥測(cè)量結(jié)果以9-12位數(shù)字量方式串行傳送。⑦適用于DN15-25，DN40-DN250各種介質(zhì)管道和狹小空間設(shè)備測(cè)溫。⑧PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線，這樣便于與其它電器設(shè)備連接。

2.2 1602液晶顯示模塊[5]

(1)簡(jiǎn)介：1602液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在各類(lèi)儀表和低功耗系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

(2)主要管腳介紹：

V0：液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度[6]。

RS：寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器；低電平時(shí)選擇指令寄存器。

R/W：讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫(xiě)入指令或者顯示地址；當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

E：使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。

(3)1602液晶顯示模塊使這款多功能新型水杯的整體特性得到提高。首先，對(duì)于杯內(nèi)水溫的顯示功能可以讓使用者很靈敏的了解到水的溫度，也就是實(shí)現(xiàn)了在健康溫度下喝水的功能。其次，水杯搭載的這款液晶顯示器還可以拓展出其他的功能，比如電能的儲(chǔ)存量和使用量等等。

3.新型多功能水杯在不同溫差下測(cè)量的電壓、電流輸出情況總結(jié)

在高溫情況下水杯的溫差發(fā)電裝置(20-100度內(nèi)外溫差可輸出0.85-4.3V電壓)利用杯中內(nèi)外溫差產(chǎn)生電壓，并通過(guò)5V升壓模塊(可將0.8-4.8V電壓升高至5V)可輸出5V左右的電壓，以供USB接口手機(jī)充電以及液晶顯示屏溫度顯示的電能消耗。也就是說(shuō)明這個(gè)溫差發(fā)電模塊有效利用了高溫?zé)崴臒崮埽⑵滢D(zhuǎn)化成了我們可以二次利用的電能。整體環(huán)節(jié)體現(xiàn)了我們對(duì)節(jié)能減排的研究初衷?？上攵?，如果我們的日常生活中可以這樣充分利用這些將要浪費(fèi)的掉的能量，那么在不知不覺(jué)中就會(huì)節(jié)約很多能源。

4.新型多功能水杯的優(yōu)越性

(1)人性化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，使用方便，智能化高。我們的作品有溫度顯示和USB設(shè)備充電功能，可以讓使用者清楚的了解水溫，可以為使用者提供一個(gè)應(yīng)急電源設(shè)備。

(2)杯體大小適中，攜帶方便。

(3)節(jié)能環(huán)保，充分利用了杯中熱水的能量，降低了對(duì)能源的浪費(fèi)。該水杯的成本低，功能強(qiáng)大，且易于大規(guī)模生產(chǎn)。

5.總結(jié)

新型多功能水杯充分體現(xiàn)了流行元素與現(xiàn)代科技的完美結(jié)合，水溫顯示功能，體現(xiàn)了人性化的設(shè)計(jì)，可讓人們實(shí)時(shí)掌握杯中水溫，方便以最佳溫度飲水飲水，避免燙傷；手機(jī)充電功能，解決了在辦公的時(shí)候手機(jī)臨時(shí)斷電問(wèn)題，體現(xiàn)該水杯的應(yīng)急性，改善了人們的生活理念；音樂(lè)播放功能，該水杯搭載一款高品質(zhì)音樂(lè)播放器，可以給工作、學(xué)習(xí)疲勞的人以音樂(lè)的享受，釋放壓力，愉悅身心?？傊?，新型多功能水杯完全符合現(xiàn)代人生活的需求，是一款節(jié)能，新穎，并且有廣闊市場(chǎng)的產(chǎn)品。

[1]崔英.為手機(jī)應(yīng)急充電,魔幻充電寶走俏[J].現(xiàn)代營(yíng)銷(xiāo),2007(7):19-20.

[2]周子鵬.半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的研制[J].2008(8):5-6.

[3]張佳瑞,呂其兵.基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].2013:59-10.

[4]王文,王直.基于ARM和DS18B20的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電工電氣,2012(3):5-6.

[5]趙亮.跟我學(xué)51單片機(jī)(七)--LCD1602液晶顯示模塊[J].電子制作,2011.7:25-26.