基于Arduino 單片機(jī)多功能水杯的設(shè)計(jì)

周佐培，楊潔，潘文術(shù)，黃發(fā)玲

（黔南民族師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州都勻，558000）

0 引言

水杯作為日常生活中的必需品，在市場(chǎng)上的選擇眾多。然而，當(dāng)前市面上的水杯大多只具備基本的盛水和保溫功能，僅有少數(shù)水杯具備加熱的功能。然而，隨著消費(fèi)者需求的多元化和對(duì)功能多樣性的追求，一款具備更多功能的水杯成為人們的期望。為了滿足消費(fèi)者的多樣化需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款創(chuàng)新的多功能水杯。除了基本的裝水和保溫功能外，這款水杯還增加了語音控制的加熱、制冷、保溫、攪拌以及音樂播放功能。同時(shí)，我們引入了太陽(yáng)能模塊，使得水杯能夠通過環(huán)保的方式進(jìn)行充電。這樣的設(shè)計(jì)不僅提供了更多的便利性和功能選擇，還注重了環(huán)境友好和節(jié)能減排的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由Arduino MEGA 單片機(jī)、LD3320A 語言識(shí)別模塊、太陽(yáng)能充電模塊、加熱模塊、制冷模塊、攪拌模塊、功放模塊、顯示模塊，照明模塊構(gòu)成。Arduino 控制語音識(shí)別模塊識(shí)別相關(guān)指令傳入至控制板進(jìn)行處理對(duì)其他模塊達(dá)到控制作用，達(dá)到人機(jī)交互功能。Arduino MEGA 單片機(jī)作為控制中心，接收LD3320A 語音識(shí)別模塊識(shí)別到的語音指令，并進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其他模塊的控制。LD3320A 語音識(shí)別模塊通過識(shí)別用戶添加的語音命令，并將識(shí)別到的命令傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理；太陽(yáng)能充電模塊由CN3065 太陽(yáng)能充電板以及太陽(yáng)能板組成，將外界的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能儲(chǔ)存到蓄電池；加熱模塊是馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器一個(gè)接口正轉(zhuǎn)以及內(nèi)置的發(fā)熱絲來組成，通過控制正轉(zhuǎn)接口與發(fā)熱絲形成回路達(dá)到加熱功能；冷模塊是馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的一接口反轉(zhuǎn)以及半導(dǎo)體制冷片組成，通過控制反轉(zhuǎn)接口與半導(dǎo)體制冷片形成回路達(dá)到制冷功能；攪拌模塊是通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的第二接口與馬達(dá)構(gòu)成，接收到Arduino MEGA 單片機(jī)的命令進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)攪拌的功能；功放模塊是在執(zhí)行命令前后對(duì)外播放執(zhí)行命令的內(nèi)容和結(jié)果；顯示模塊由DS18B20 傳感器將數(shù)據(jù)溫度傳入Arduino MEGA 單片機(jī)處理，并在LCD1602 液晶顯示屏顯示信息。照明模塊是發(fā)出照明指令時(shí)，Arduino MEGA 單片機(jī)控制LED 提供光源。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

■1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 Arduino mega 單片機(jī)

Arduion 是一款具有免費(fèi)的、開源的IDE 單片機(jī)。Arduion MEGA 2560 控 制 器 擁 有54 路數(shù)字輸入／輸出口，和16 路模擬輸入，使其具有較強(qiáng)的拓展性，有利于與各種傳感器進(jìn)行連接[1]。本設(shè)計(jì)充分利用了Arduino MEGA2560 作為控制中心，來處理語音識(shí)別器所識(shí)別的內(nèi)容并將其轉(zhuǎn)化為邏輯語言。此外，我們還利用Arduino MEGA 將溫度傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并在顯示器上進(jìn)行顯示。

1.1.2 語音識(shí)別模塊

LD3320 片集成了語音識(shí)別處理器和AD、DA 轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口[2]，在設(shè)計(jì)本電路時(shí)，可以將LD3320A 語音識(shí)別處理器與Arduion MEGA2560 單片機(jī)直接連接，進(jìn)行語音指令編程，通過LD3320 片采集語音信號(hào)，將其傳入單片機(jī)進(jìn)行處理從而實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別功能。如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)控制LD3320A 語音識(shí)別模塊

1.1.3 太陽(yáng)能充電模塊

太陽(yáng)能充電模塊采用CN3791MPPT 太陽(yáng)能充電管理芯片與太陽(yáng)能板結(jié)合。CN3791 是具有光伏 MPPT 功能的PWM 降壓型單節(jié)鋰電池充電管理芯片，具有涓流、恒流、恒壓充電模式，采用定電壓跟蹤法( CVT) 跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)[3]。利用輸出特性，能夠高效率地給鋰電池進(jìn)行充電。

1.1.4 加熱，制冷，攪拌模塊

加熱制冷攪拌模塊的控制采用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器。該馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器具有兩個(gè)輸出端口，通過調(diào)整電流方向?qū)崿F(xiàn)馬達(dá)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)?；谶@一原理，我們將加熱回路和制冷回路分別連接到馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的同一個(gè)端口的正負(fù)極，并引入二極管以確保電流流向與指令設(shè)定的方向一致。馬達(dá)則連接到馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)端口，接收相關(guān)指令，并完成攪拌功能的正向轉(zhuǎn)動(dòng)。加熱，制冷和攪拌連接圖如圖3 所示。

圖3 單片機(jī)控制加熱制冷攪拌連接圖

發(fā)熱模塊采用了發(fā)熱絲與2A 升壓轉(zhuǎn)換器DC-DC 電路的組合構(gòu)成。該2A 升壓轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⑤斎腚妷悍秶鷱?V～24V 轉(zhuǎn)換為最高28V 的輸出電壓。通過充分利用該升壓轉(zhuǎn)換器的特性，將馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓有效轉(zhuǎn)換為發(fā)熱絲所需的工作電壓，從而實(shí)現(xiàn)了理想的升溫效果。

制冷模塊主要采用半導(dǎo)體制冷片來實(shí)現(xiàn)其制冷功能，半導(dǎo)體制冷也被稱為熱制冷。該技術(shù)利用半導(dǎo)體材料通過電流作用的帕爾貼效應(yīng)[4]，實(shí)現(xiàn)了一端吸熱、另一端釋熱的效果，從而達(dá)到制冷或制熱的目的。為了提高制冷效率，我們?cè)诎雽?dǎo)體制冷片的釋熱端串聯(lián)了一臺(tái)小型風(fēng)扇，以促使制熱端的熱量散發(fā)更為迅速有效。這樣的設(shè)計(jì)方案旨在充分發(fā)揮半導(dǎo)體制冷片的性能，以達(dá)到優(yōu)化的制冷效果。

1.1.5 顯示模塊

顯示模塊采用LCD1602[5]液晶顯示屏，該顯示屏是一種專門顯示字符的液晶顯示器，所顯示的內(nèi)容為杯內(nèi)DS18B20 傳感器所采集數(shù)據(jù)經(jīng)Arduion MEGA2560 單片機(jī)所處理數(shù)據(jù)。DS18B20 傳感器具有自我保護(hù)能力以及極強(qiáng)的抗干擾能力，通過單線接口。工作原理圖如圖4 所示。

圖4 溫度顯示原理圖

■1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 Linkboy 平臺(tái)

本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)主要是在Linkbboy 圖形化編程軟件進(jìn)行。Linkboy 適用于對(duì)Arduion 和電子設(shè)計(jì)滿懷熱情但是對(duì)單片機(jī)以及編程語言不熟悉的愛好者。Linkboy 具有圖形化設(shè)計(jì)，中文編程的兩大特點(diǎn)，讓設(shè)計(jì)者能在短時(shí)間內(nèi)高效地完成編程任務(wù)。在Linkboy 上設(shè)計(jì)的多功能水杯電路圖如圖5 所示，該電路圖主要是由Arduion MEGA2560 單片機(jī)，LD3320A 語音識(shí)別處理器，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，LCD1602 液晶顯示屏，DS18B20 傳感器，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，以及馬達(dá)和馬達(dá)所在電路代替的加熱與制冷模塊。多功能水杯設(shè)計(jì)電路圖如圖5 所示。

圖5 多功能水杯設(shè)計(jì)在Linkboy 上設(shè)計(jì)圖

圖6 程序設(shè)計(jì)框圖

1.2.2 程序設(shè)計(jì)

在Linkboy 上連接好各主要部分以后，對(duì)整體進(jìn)行文字化編程，語音指令編程首先按將Arduion MEGA2560 單片機(jī)進(jìn)行初始化，LD3320A 語音識(shí)別處理器所識(shí)別的工作指令拼音轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)編碼為（例如：開始攪拌工作指令為kai shi jiao ban，編碼ID 為1），所有指令編碼完成以后，語音識(shí)別模塊開始工作。溫度顯示編程執(zhí)行反復(fù)執(zhí)行指令，首先將信息顯示器第二排清空，將DS18B20 溫度傳感器的整數(shù)部分，小數(shù)點(diǎn)，小數(shù)部分，以及溫度單位“℃”依次在信息顯示器的第二行的5、6、7、8 列顯示，通過延時(shí)器進(jìn)行延時(shí)0.5 秒。

2 調(diào)試與測(cè)試數(shù)據(jù)

按照Linkboy 上的仿真電路將實(shí)際電路依次連接，連接好電路以后將Linkboy 系統(tǒng)程序選擇Arduion MEGA2560 所在端口COM4 進(jìn)行下載。程序以及電路完成后選擇一個(gè)安靜的環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，通過語音輸入來檢測(cè)各項(xiàng)由語音控制的功能是否能完成指令。在調(diào)試語音控制功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)調(diào)試溫度傳感器以及顯示器顯示液體溫度是否相同。多功能水杯設(shè)計(jì)實(shí)物模型圖如圖7 所示，其功能實(shí)現(xiàn)視頻可通過圖8 二維碼進(jìn)行觀看。

圖7 多功能水杯實(shí)物圖

圖8 功能觀看二維碼

系統(tǒng)完成基本功能調(diào)試以后，將該設(shè)計(jì)置于室溫為23℃，取礦泉水100ml，利用設(shè)計(jì)好的溫度顯示器分別記錄好該設(shè)計(jì)對(duì)水的加熱以及制冷數(shù)據(jù)。所得數(shù)據(jù)如圖9～圖10 所示。

圖9 多功能水杯設(shè)計(jì)制冷溫度變化圖

圖10 多功能水杯設(shè)計(jì)加熱溫度變化圖

從加熱以及制冷溫度變化圖可得，該裝置能夠在一段時(shí)間達(dá)成一定的加熱和制冷效果。能夠滿足大多數(shù)人群對(duì)杯內(nèi)溫度的不同需求。

3 總結(jié)

該設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是利用Arduino MEGA 單片機(jī)和LD3320A 語音識(shí)別模塊、DS18B20 傳感器、LCD1602 液晶顯示屏等模塊，實(shí)現(xiàn)多種功能。且設(shè)計(jì)具備太陽(yáng)能充電功能，實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保的特性。通過語音控制和功能使用播報(bào)，方便用戶進(jìn)行操作，尤其適合老年人和兒童使用。設(shè)計(jì)不僅具備加熱和保溫功能，還能實(shí)現(xiàn)制冷，滿足不同溫度需求。此外，它還可作為便攜式充電寶，減輕出差人士的行李負(fù)擔(dān)。獨(dú)特的語音控制燈光可以照亮回家的路，而獨(dú)特的攪拌和音樂播放功能則可讓嬰兒在外出時(shí)享受攪拌均勻的奶粉，并在輕松的音樂中愉快地進(jìn)食。