基于單片機(jī)的智能水杯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏貴輝，吳燕，丁春發(fā)，黎國(guó)強(qiáng)，平劍超

（南昌師范學(xué)院，江西南昌， 330032）

0 引言

水是人類(lèi)所需的第二重要的資源。在當(dāng)人們感覺(jué)到口渴時(shí)其實(shí)已經(jīng)表示人體已經(jīng)處于缺水狀態(tài)了。醫(yī)生建議每天能夠有八杯水的攝入量。因此水對(duì)人們的重要性不言而喻。但是我們喝到健康且有溫度的水很困難，因?yàn)槿藗兒苋菀淄洶磿r(shí)喝水，并不是在當(dāng)你感到口渴時(shí)喝水才是正確的，我們需要在一天內(nèi)喝到足量的水并且在一定的時(shí)間內(nèi)喝水才能更健康。因此，智能水杯的概念也逐漸呈現(xiàn)在人們的視野中[1]。目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)了很多可以顯示當(dāng)前水杯內(nèi)水的溫度的保溫杯。能夠顯示當(dāng)前的水溫將為大家?guī)?lái)很多的便利，畢竟不必再冒著被燙傷的風(fēng)險(xiǎn)用舌頭去試水溫了。而我們?cè)O(shè)計(jì)的智能水杯系統(tǒng)將在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，增加更多的功能，提高它的智能性；并且降低智能水杯的成本，增加它的實(shí)用性，提高它的便利性。在能夠滿足日常生活的同時(shí)滿足用戶(hù)的個(gè)性需求，以便適用于不同的人群。

1 總體設(shè)計(jì)

■1.1 系統(tǒng)功能

此系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器獲取當(dāng)前水杯中水的溫度，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到STC89C52 單片機(jī)中，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以判斷是否需要進(jìn)行加熱或降溫。用戶(hù)可通過(guò)按鍵對(duì)水杯進(jìn)行控制；語(yǔ)音模塊可以播報(bào)當(dāng)前的水溫并提醒用戶(hù)及時(shí)喝水，LCD 液晶屏能夠顯示出當(dāng)前水杯的狀態(tài)及水溫[2]。

■1.2 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)由溫度檢測(cè)模塊檢測(cè)當(dāng)前水杯中水的溫度，并判斷是否需要進(jìn)行溫度調(diào)控。液晶顯示模塊可顯示出當(dāng)前水溫。按鍵可設(shè)置自己所需水的溫度，同時(shí)按鍵還可以進(jìn)行定時(shí)以及設(shè)置杯蓋的開(kāi)關(guān)。語(yǔ)音模塊可播報(bào)當(dāng)前的水溫。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖2 所示，由單片機(jī)、復(fù)位電路與晶振電路組成。本系統(tǒng)選用STC89C52 單片機(jī)為核心，控

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

制其他的各個(gè)模塊。STC89C52 單片機(jī)是一種低功耗、高性能的CMOS8 位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程的Flash存儲(chǔ)器。復(fù)位電路分為上電復(fù)位和按鍵復(fù)位。在上電瞬間，由于電容兩端電壓不能突變，在上電一瞬間電容等效為短路， 因此RESET 的輸入為高電平，電位等于VCC，芯片被復(fù)位。隨后電源通過(guò)電阻R9 對(duì)電容充電，與此同時(shí)電阻上的電壓開(kāi)始減小，最后約等于0，而電容兩端電壓差近似為VCC，芯片開(kāi)始正常工作。并聯(lián)在電容兩端的按鍵為復(fù)位按鍵，當(dāng)復(fù)位按鍵沒(méi)有被按下的時(shí)候電路實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，在芯片正常工作后，可以通過(guò)按下按鍵使RST 管腳出現(xiàn)高電平達(dá)到手動(dòng)復(fù)位的效果。晶振電路可以為單片機(jī)提供一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，使單片機(jī)能夠按照一定的時(shí)間序列進(jìn)行工作，本系統(tǒng)采用的晶振頻率為11.0592MHz。

■2.2 溫度檢測(cè)模塊

溫度檢測(cè)模塊如圖3 所示。采用的是DS18B20 實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)芯片，其檢測(cè)的溫度范圍為：極限溫度域-55℃~125℃；正常使用值大約為-10℃~85℃，此時(shí)測(cè)得的誤差將在±0.4℃。將經(jīng)封裝的DS18B20 實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)芯片放入水杯中[3]，1 和3 兩個(gè)引腳接電源和地。2 與單片機(jī)的P2.4引腳相連，將收集到的溫度數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)進(jìn)行處理。

圖3 溫度檢測(cè)模塊

■2.3 按鍵模塊

按鍵模塊如圖4 所示。采用四個(gè)獨(dú)立按鍵對(duì)水杯進(jìn)行控制。K1 按鍵用于主界面與閾值設(shè)置界面切換；在主界面中，K3 按鍵可控制水杯的加熱與降溫，K4 按鍵可控制杯蓋的開(kāi)關(guān)。按下K1按鍵進(jìn)入閾值設(shè)置界面，默認(rèn)以溫度下限位置開(kāi)始閃爍；此時(shí)K2 鍵用于閾值設(shè)置，按下K2 鍵將進(jìn)入溫度上限閃爍，再次按下則進(jìn)入定時(shí)時(shí)間閃爍，如此循環(huán)；K3 按鍵可對(duì)數(shù)值進(jìn)行加操作，K4 按鍵可對(duì)數(shù)值進(jìn)行減操作。再次按下K1 按鍵，將回到主界面中。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3 引腳將會(huì)變成低電平，實(shí)現(xiàn)對(duì)水杯的控制。

圖4 按鍵模塊

■2.4 LCD 顯示模塊

LCD1602 顯示模塊如圖5 所示，單片機(jī)P0.0~P0.7分別與LCD 數(shù)據(jù)端相連，P2.5~P2.7 分別與LCD 的RS、RW、E 端相連。實(shí)現(xiàn)顯示當(dāng)前的水溫，設(shè)置水溫的上下限值，定時(shí)時(shí)間，以及杯蓋此時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖5 LCD 顯示模塊

■2.5 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊如圖6 所示?？赏ㄟ^(guò)按下按鍵直接改變單片機(jī)P3.4、P3.5、P3.6、P3.7 引腳的電平，控制電機(jī)馬達(dá)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)杯蓋的開(kāi)關(guān)。此外，在定時(shí)結(jié)束時(shí)，杯蓋將自動(dòng)打開(kāi)。

圖6 驅(qū)動(dòng)模塊

■2.6 語(yǔ)音播報(bào)模塊

語(yǔ)音播報(bào)模塊如圖7 所示。本系統(tǒng)采用的是syn6288語(yǔ)音播報(bào)芯片，串口數(shù)據(jù)發(fā)送TXD 接單片機(jī)P3.0 引腳，串口數(shù)據(jù)接收RXD 接單片機(jī)P3.1 引腳。當(dāng)用戶(hù)設(shè)置定時(shí)結(jié)束時(shí)，語(yǔ)言開(kāi)始播報(bào)提醒用戶(hù)喝水并播報(bào)當(dāng)前水溫。

圖7 語(yǔ)音模塊

■2.7 溫度調(diào)控模塊

溫度調(diào)控模塊由加熱與制冷兩部分組成，如圖8、圖9所示。本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體制冷片熱電溫差電子制冷片和PTC小型低壓加熱片實(shí)現(xiàn)加熱和制冷兩個(gè)功能。通過(guò)繼電器和導(dǎo)線與單片機(jī)相連，并由單片機(jī)的P1.2 引腳連接繼電器控制加熱片，單片機(jī)的P1.3 引腳控制制冷片；當(dāng)兩個(gè)引腳為低電平時(shí)，開(kāi)始工作。接入一個(gè)小燈泡可用于觀察加熱片與制冷片是否工作。

圖8 加熱模塊

圖9 制冷模塊

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 主程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)總體流程圖如圖10 所示：先進(jìn)行初始化，設(shè)置溫度上下限，獲取當(dāng)前水溫，在LCD 顯示屏上顯示出各個(gè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)判斷是否需要加熱或降溫；當(dāng)?shù)竭_(dá)加熱或降溫的條件后，開(kāi)始加熱或降溫，直到到達(dá)設(shè)定溫度范圍。在處于定時(shí)模式時(shí)，在倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，杯蓋將自動(dòng)打開(kāi)，同時(shí)語(yǔ)音提醒用戶(hù)喝水。

圖10 主流程圖

■3.2 按鍵模塊程序設(shè)計(jì)

按鍵程序流程圖如圖11 所示。按鍵按下然后立即釋放即可完成一次信號(hào)的傳輸。在閉合和分開(kāi)的時(shí)間需要超過(guò)10ms，前沿抖動(dòng)消失后再一次檢測(cè)鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)電平，確認(rèn)為真正有按鍵被按下。

圖11 按鍵模塊流程圖

■3.3 顯示模塊程序設(shè)計(jì)

顯示程序流程圖如圖12 所示。在上電初始化后，通過(guò)單片機(jī)將檢測(cè)到的溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)顯示在液晶顯示屏上。用戶(hù)可通過(guò)外部按鍵來(lái)調(diào)節(jié)當(dāng)前的溫度以及定后會(huì)通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行判斷。溫度高于上限將會(huì)進(jìn)行降溫處理；溫度過(guò)低將會(huì)進(jìn)行加熱處理。以達(dá)到溫度調(diào)控的目的。

圖12 顯示模塊流程圖

圖13 語(yǔ)音播報(bào)模塊流程圖

圖14 溫度調(diào)控模塊流程圖

4 實(shí)物測(cè)試

在搭建好硬件模塊后，于Keil軟件內(nèi)編寫(xiě)軟件程序，將編寫(xiě)完成的軟件程序燒錄到單片機(jī)中。系統(tǒng)上電后，等待系統(tǒng)初始化，此時(shí)LCD 顯示屏上顯示的第一行數(shù)據(jù)分別為當(dāng)前溫度，設(shè)置的溫度上下限；第二行數(shù)據(jù)為定時(shí)時(shí)間以及杯蓋狀態(tài)?？赏ㄟ^(guò)按鍵來(lái)設(shè)置溫度上下限，定時(shí)時(shí)間以及完成杯蓋的開(kāi)關(guān)。實(shí)物測(cè)試如圖15 所示。

圖15 實(shí)物測(cè)試圖

實(shí)物功能測(cè)試：將感溫棒和加熱、制冷片放入水杯中，開(kāi)機(jī)后設(shè)置溫度上下限，往杯中加入溫度超過(guò)上限的熱水，制冷片開(kāi)始工作，等待制冷片工作燈關(guān)閉；再加入冷水，加熱燈自動(dòng)打開(kāi)，加熱片開(kāi)始工作，進(jìn)行加熱。在水溫設(shè)定范圍內(nèi)，用戶(hù)可根據(jù)需要手動(dòng)進(jìn)行加熱、制冷或恒溫控制。下一項(xiàng)功能：設(shè)置定時(shí)提醒用時(shí)時(shí)間，以此來(lái)改變顯示屏上的數(shù)值。

■3.4 語(yǔ)音模塊程序設(shè)計(jì)

語(yǔ)音播報(bào)程序流程圖如圖13 所示。在進(jìn)入定時(shí)后將會(huì)對(duì)當(dāng)前時(shí)間進(jìn)行判斷，當(dāng)定時(shí)倒數(shù)到0時(shí)將會(huì)開(kāi)啟語(yǔ)音播報(bào)功能。

■3.5 溫度調(diào)控模塊程序設(shè)計(jì)

溫度調(diào)控模塊流程圖如圖14 所示。在讀取到當(dāng)前溫度戶(hù)喝水，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)后，水杯將進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)“主人，喝水時(shí)間到了，當(dāng)前水溫為28 度。”

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了智能水杯控制系統(tǒng)。使用STC89C52 單片機(jī)為控制核心，通過(guò)溫度探頭采集水溫?cái)?shù)據(jù)，再由單片機(jī)將數(shù)據(jù)處理后傳輸至LCD 液晶顯示屏對(duì)水溫實(shí)時(shí)顯示；并通過(guò)繼電器控制水杯加熱和制冷，實(shí)現(xiàn)溫度控制；按鍵設(shè)置定時(shí)來(lái)提醒用戶(hù)喝水[4]。實(shí)際測(cè)試完成成功，證明本智能水杯設(shè)計(jì)已實(shí)現(xiàn)所有預(yù)期功能，且具備良好的實(shí)用價(jià)值，加以外形包裝后，可滿足用戶(hù)的實(shí)際生活需求。