基于TC89C52的多功能智能水杯设计

李 梦,余忠瑞

(安徽三联学院 电子电气工程学院,安徽 合肥 230601)

0 引言

近年来,由于社会的进步,人们对健康的需求日益增加,使得安全、有效的保暖材料受到广泛重视。在此背景下,智能家用电器逐渐兴起。为满足消费者的多样化需求,本文研发出一款多功能水杯。该水杯采用太阳能集热管,可实现实时加热,同时配备一层保温套,将其中的热能传输至蓄电池,进而达到对水的有效控温,而且还具备单片机的自动调节、实时温度检测及饮用水量的实时跟踪等多项功能,可以大大改善消费者的使用体验。

1 保温杯产业发展现状

随着科学的发展,我国的保温杯产业发展迅速,制造技术已经达到了全球顶尖水平。近年来,传统的民用保温容器已经被各种先进的设备和高精度的工艺所取代,从而为消费者提供更加便捷、舒适的生活体验。这些先进的工艺为消费者提供更加安全、舒适的生活环境,并且在各种行业都有广泛的应用。

智能水杯的设计旨在帮助忙碌的工作者、学习者,避免因为工作繁重而忽略补充水分的问题,从而改善人们的身心健康。智能水杯的芯片里安装的程序,可以实现对人们健康状况的实时监测,从而有效地指导人们的正确饮水。智能水杯拥有先进的功能,它可以根据人们的日常活动,定期发出“滴滴”的铃声,配合绿色的提醒,使人的身体得到及时补水,从而达到更好的保持健康的目的。此外,它还具有记录饮水量的功能,可以使用户的饮水更加规律,从而更有效地维持健康状态。

2 智能水杯总体设计

智能水杯系统设计如图1所示。这款智能水杯采用太阳能集热器实现即刻加热,而且还配备保温套。该智能水杯添加了一种特殊的热电元件,将其转化为蓄电池,从而实现自动调节水位。此外,该智能水杯还具备单片机的自动控制、实时温度检测及饮用水量的实时跟踪等功能。

图1 系统设计框架

2.1 温度传感器设计

温度监控模块使用DS18B20温度传感器对水温进行实时检测[1]。DS18B20温度传感器具有体积小、精度高、抗干扰能力强的优点,能安置在杯体内且减少空间占用,测量的温度范围为0～25 ℃。

DS18B20是基于半导体的温度传感技术制作的数字温度传感器[2]。它的核心部分包括温度传感器、模数转换器和数字接口电路。传感器通过测量半导体材料的电阻来感知温度,然后将这些电阻的变化转化为数字信号输出。

DS18B20的工作机制分为以下几个步骤:

(1)初始化。主设备(如微控制器)向DS18B20发送初始化命令,使其进入工作状态。

(2)温度变化。当DS18B20接收到变化指令时,它便会启动变化,同时记录下变化后的数据,以便日后查阅。

(3)读取温度值。主设备请求读取当前温度值,DS18B20将温度值通过单总线接口发送给主设备。

DS18B20采用Maxim公司的特殊的1-Wire总线协议,它可以进行单一的控制信号传输,而且这种控制信号必须具备一个可被激活的上拉电阻,才能保证DS18B20的输入端处于3态或更低的阻态。在这个总线系统中,主要的操作者采用64位的唯一编码标记所有的设备。随着时间的推移,装置的数量会不断增加。

2.2 控制模块设计

STC89C52单片机被广泛认为是一种极其优秀的控制器,不仅节省了大量的电源,而且还具备8 K的存储容量,并且支持8位CPU及Flash的操纵,既满足了低端产品的需求,又能够满足大量的嵌入式控制应用的需求。因此,STC89C52单片机已经被广泛认定为是一种理想的嵌入式控制器。52单片机拥有一个具备极强操作性、可靠性和成本优势的控制中枢,而其中的C语言则可以实现if、while等多种复杂的决策逻辑,从而满足不同应用场景的需求进行系统的软件设计。

(1)电源VCC接+5 V,VSS接地端,即公共参考地。

(2)STC89C52芯片拥有一个双向的时钟电路。其中,XTAL1作为一个输入,而XTAL2则作为一个输出,它们共同构成一个反向信号传感器[4],用来接收外部信息,并将其转换成一个可以被计算的信息。采用XTAL1与XTAL2之间的自激振荡,通过调节其中的石英晶体来实现对周围环境的控制,从而实现对时间的调节。

(3)控制信号引脚。

①RST控制器可用于控制振荡器的运行。如果在一个特定的机械循环中,RST的引脚产生了2次或更多的电流,则该单元会被激活。

②ALE/PROG是一种特殊技术,在使用外部程序存储和数据信息存储时,能够将ALE(位置锁存允许)中的低8位信息转换为固定信号,从而实现对外部设备发送时间信号,并且具有定期发送功能。需要注意的是,在使用外置的数据库时,应该避免使用ALE脉冲。

③PSEN作为一种读选通信号,可以被输入STC89C52的内置程序。STC89C52从内置程序中读入指令(或者数据),PSEN会被执行2次,而在STC89C52从内置程序中读入之后,PSEN信号就会被执行2次。

④为了让CPU只能从EA/VPP中获取数据,CPU的端口必须接地,并且在处理这些数据之前,它的端口应该具备较高的压力。但要需特别注意的是,即使在进行加密操作之前,LB1端口也可能已经被解码。只要EA端接入高电平(连接到VCC端),CPU就会运算并编写内存中的程序。在编写Flash存储器的过程中,需要在其接口处添加+12 V的程序压力,以确保器件能够正常工作。

⑤并行I/O口P0-P3端引脚。

第一,P0口具有8位漏极开关,可以实现双向I/O接口,并且可以被广泛应用于各种场合,但是必须在接口处安装一个拉电阻,以确保其稳定性。

第二,P1口(P1.0-P1.7)具有一个双向拉电阻,可以连接I/O端子。

第三,P2口(P2.0-P2.7)具有一个带有拉电阻的8位准双向I/O接口,以确保其可靠性和稳定性。

第四,P3口(P3.0-P3.7)具有一个可以拉动电阻的8位多功能双向I/O接口。

2.3 加热模块设计

加热模块利用太阳能集热管,可随时对水杯内的水进行加热。太阳能集热管主要由真空管、金属吸热板、工作介质和热媒体组成。真空管由外管、内管和两者之间的真空层组成,有效地减少了热量的传输损失[3]。金属吸热板位于真空管的内部,能够吸收太阳能并传导给工作介质。工作介质是一种特殊的液体,它在吸热板的作用下吸收太阳能并蒸发成气体,然后通过热媒体的传导将热量传递给需要加热的对象。太阳能集热管的工作原理共分为以下5个部分。

2.3.1 吸热过程

当太阳光照射到金属吸热板上时,吸热板会吸收光能并转化为热能,使工作介质温度升高。

2.3.2 蒸发过程

当工作介质的温度升高到一定程度时,液体会蒸发成气体,形成蒸汽。

2.3.3 对流传热过程

蒸汽由于密度小于液体,会上升到热媒体管的上部,然后通过对流传热将热量传递给热媒体。

2.3.4 冷凝过程

热媒体在接收到热量后会冷却下来,从而使蒸汽冷凝成液体。

2.3.5 重力循环过程

冷凝后的液体由于密度大于蒸汽,会下降到工作介质管的下部,形成循环。

2.4 质检模块设计

水质检测模块采用便携式水质检测仪,在水杯内部安装微型便携式水质检测仪。

便携式水质检测仪是一种用于快速检测水质状况的仪器,其原理主要基于化学和光学分析方法。首先,水杯内置有光源和光接收器,当光照射到水样时,光将发生散射,部分光线被水样中的悬浮颗粒物吸收,导致光的强度减弱。其次,便携式水质检测仪根据光线散射的强度和方向,可以推算出水样中悬浮颗粒物的浓度。同时,仪器还可以通过测量水样的透射光强度,推算出水的浊度。最后,便携式水质检测仪将测量得到的数据进行处理和分析,并显示检测结果。这些结果包括悬浮颗粒物的浓度、水的浊度以及溶解氧含量等。用户可以通过这些数据了解水质的基本状况。

2.5 感应模块设计

感应模块采用杯盖和水杯一体化设计,杯盖安装了触摸传感器,可360°无死角感应,进而触发活塞驱动部件,自动打开出水口,无须用手开杯盖喝水。另外,在杯子中部设置了一个LCD显示器,可以显示杯内的水温和水量,方便使用者了解杯内信息,确保能够喝上适宜温度的水。在杯盖设计上,嘴唇触碰杯盖压力触摸传感器时,在杯口出水端作出反应,短时间推动活塞使水流出,应用上集成的触摸传感器用线圈绕活塞周围均匀分布,当嘴唇触碰到集成的触摸传感器时,立刻作出反应推动杯盖内置活塞,并对应360°杯口出水,从任何方向都能喝到水。

3 结语

这款多功能水杯拥有全面的水温显示系统不仅具备高效率、创造性和实用性,而且还具有巨大的潜在商机。