一種基于低功耗單片機的新型智能溫控水杯的設計

范海健 張允飛 李明瑞 楊天祥

【摘 要】設計了一款新型智能水杯，系統(tǒng)以STM32F103單片機為控制核心，對溫控智能水杯系統(tǒng)的鍵盤、顯示、溫度傳感器、語音提示模塊、加熱模塊等相關接口進行控制。實現(xiàn)了智能水杯的無線供電，水溫加熱與控制、語音提示及無線信息的雙重提示功能。

【關鍵詞】STM32;智能水杯;溫度傳感器

中圖分類號： TP303 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）25-0028-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.25.012

Design of a New Smart Temperature Control Water Cup Based on Low Power MCU

FAN Hai-jian ZHANG Yun-fei LI Ming-rui YANG Tian-xiang

（Suzhou Vocational University，Suzhou Jiangsu 215104，China）

【Abstract】A new type of smart water cup is designed.STM32F103 is the control core in the system，controlling the keyboard，display，temperature sensor，voice module and heating module.The functions of wireless power supply，water temperature heating and control，voice and wireless information are realized.

【Key words】STM32;Smart water cup;Temperature sensor

0 前言

水杯在過去只是一個簡單的飲水工具，隨著社會的發(fā)展和技術的不斷進步，水杯功能的單一化漸漸滿足不了人們的生活需求，“智能水杯”開始受到很多用戶的青睞。本文設計了一種新型智能溫控水杯，系統(tǒng)以STM32F103單片機為控制核心，實現(xiàn)了智能水杯的無線充電，水溫加熱與控制、語音提示及無線信息提示雙重提示等相關功能，里面的雙重提示功能特別適合需要特殊照顧的老人，可應用在提醒喝水、用藥等相關現(xiàn)實場景中。

1 系統(tǒng)設計

智能水杯設計的系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)以STM32F103為控制核心，通過溫度傳感器模塊ds18b20讀取溫度值顯示在TFT液晶顯示屏上，用戶可通過杯體上的薄膜按鍵設置水溫，單片機會根據(jù)讀取到的信息進行判斷，實現(xiàn)PID自主調溫，并通過語音提示模塊提示吃藥時間等信息，如果沒有人響應則通過GPRS模塊再次提示，智能水杯同時具有無線充電的功能，實現(xiàn)無線充電的功能。

2 系統(tǒng)關鍵模塊介紹

2.1 溫度傳感器模塊

系統(tǒng)采用的溫度傳感器為達拉斯公司生產的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該溫度傳感器的主要特點是體積較小，適用的電壓較寬，驅動電路簡單，抗干擾能力強，高精度等特點和優(yōu)勢。采用獨有的單總線通信方式，僅需要一根線就可以雙向通信，測溫在-55攝氏度到+125攝氏度較為穩(wěn)定，工作電源3-5v，可編程的分辨率為9-12位，溫度轉換時間為750毫秒左右。

讀取時序如圖2所示，當單片機發(fā)出讀取數(shù)據(jù)信號的時候，單片機要馬上產生讀的時序，做好準備讀取傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。讀時序需要至少60us的響應時間，并且，在兩次讀時序之間需要有1us以上的恢復時間。每次讀取數(shù)據(jù)都需要單片機發(fā)送信號，拉低總線，維持至少1us的時間。讀時序具體過程是，單片機輸出低電平，維持2us，給ds18b20一個信號，然后就可以讀取溫度傳感器返回來的溫度信息。

2.2 GPRS模塊

系統(tǒng)采用GPRS-A6模塊，通過單片機的串口發(fā)送AT指令與該模塊的串口進行通信，具體通信時的主要步驟如下：

（1）上電需要等待10s左右的時間等待模塊穩(wěn)定，并且串口收到“OK”指令。

（2）將串口TX于GPRS模塊的RX相連，串口RX與GPRS的TX相連。

（3）單片機通過串口發(fā)送相應的AT指令對GPRS模塊進行初始化，讓它連接到GPRS網(wǎng)絡上，讓GPRS模塊獲得終端IP地址，并且和終端進行連接和匹配，便于進行通信。

（4）通過串口發(fā)送AT指令，控制模塊發(fā)送和接收信息。

2.3 無線充電模塊

為更好地能對水杯內部單片機系統(tǒng)進行供電，避免傳統(tǒng)充電接口頻繁插拔造成接口接觸不良，系統(tǒng)采用無線充電模塊進行充電。無線充電模塊由發(fā)射模塊與接收模塊組成，控制發(fā)送模塊采用電磁感應原理產生磁場輻射能量，接收模塊通過磁場產生電流。無線發(fā)射端線圈應具有信號強、速度快的特點。接收模塊則通過線圈能量的耦合進行能量的傳遞，其特點是低成本，高諧振。

2.4 加熱模塊

系統(tǒng)通過溫度傳感器讀取水溫，如果用戶已經設定水溫，主控制器將對設定溫度和當前溫度進行比較，經過運算控制MOS管的開合時間，進而控制加熱棒的加熱效果來控制水溫。此電路需要24V直流電供電，由IO口輸出高低電平來控制MOS的管的開合，控制加熱管。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 ?程序設計主流程圖

系統(tǒng)程序主流程圖3所示，在主程序中完成了液晶顯示屏的初始化，按鍵的初始化，定時器的初始化，如果用戶沒有按下按鍵，顯示系統(tǒng)便正常測溫、顯示掃描按鍵，如果有鍵盤按下，則判斷是溫度鍵還是時間鍵，然后會執(zhí)行相應的PID程序和語音控制子程序。

3.2 系統(tǒng)控溫算法實現(xiàn)

在控制水溫的時候，由于水溫的慣性，很難達到一個預設的溫度，這里采用PID算法，根據(jù)實際的水溫進行合理的調節(jié)。

具有比例+積分+微分控制規(guī)律的控制稱為比例積分微分（PID）控制，其傳遞函數(shù)為：

PID算法有比例，積分，微分三項，比例算法實現(xiàn)加熱使其快速接近我們想要的水溫，但是通過比例算法遠遠不夠，比例過大，會超調很嚴重，比例較小遲遲達不到想要的溫度，也容易產生靜態(tài)誤差，因此需要加上積分的效果，積分可解決穩(wěn)態(tài)誤差的問題，但是，積分會將歷史的所有記錄拿來控制當前的加熱棒，容易超調，此時就需要加上微分項，這樣就有了迅速穩(wěn)定溫度的效果，減少調溫過程中的震蕩。

4 系統(tǒng)調試

系統(tǒng)調試時主要檢查主控芯片模塊與溫度傳感器、液晶顯示電路、MOS開關電路、無線充電模塊等的硬件連接是否牢固，系統(tǒng)是否能正常運行，液晶顯示的顏色是否符合設計要求，PID調節(jié)溫度是否穩(wěn)定等。系統(tǒng)運行時，可以正常顯示預設溫度、實測溫度、用藥時間等，當溫度超出預設溫度時還可以通過液晶顯示的不同顏色進行溫度值的區(qū)分，如圖4所示。

5 結語

本設計主要設計了一種帶有無線充電的智能水杯系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)了溫度加熱與檢測、語音提示與無線提醒等相關功能，設計功能具有一定新穎性，具有一定實用價值。

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