新型多功能水杯的设计

何昌隆

( 成都七中万达学校,四川 成都 610000)



新型多功能水杯的设计

何昌隆

( 成都七中万达学校,四川 成都 610000)

近年来人们的生活条件越来越优越，智能水杯逐渐进入人们的视野。本设计为一种温控水杯系统，具有敏感的温度监测和显示功能，本系统采用STM32F103RBT6单片机作为控制平台对水杯内置风扇电机转速进行控制。用DHT11数字温度传感器采集实时温度，传递给单片机处理后通过控制模块来控制直流风扇的电机转速。

单片机；温度传感器；智能控制 ；直流风扇

随着制冷行业的迅速发展，空调价格的大幅度降低，电风扇一度认为是落寞行业。其实并非如此，市场人士调查并分析，家用电风扇并没有随着空调的普及而淡出市场，近两年反而出现了市场销售复苏的态势。其主要原因：一是风扇和空调的降温快慢效果不同；二是电风扇有价格优势，价格便宜而且相对省电，安装和使用都相对简单,三是风扇相对于空调是低耗能产品,不会再次产生污染环境的产物,环保节能。

生活中普通电风扇多采用机械方式进行控制，功能短缺，噪音大，各档位的风速变化大，不易控制。随着现代科技的发展和人们生活水平的不断的提高，家用电器产品逐渐实现自动化、智能化、环保化和人性化，使得由微电子控制的智能化家居和电器得以出现。本设计是一款新型智能水杯，系统采用高精度集成温度传感器，用单片机控制，能显示实时温度，并根据使用者设定的温度自动在相应温度时作出小风、大风、停机动作，精确度高，动作准确。

1 设计方案

系统以STM32F103RBT6单片机为核心控制，通过数字温度传感器对外界环境温度进行数据采集，将数据传输给控制系统平台处理，使电风扇随外界温度的变化而自动调节档位，实现“温度高、风力大、温度低、风力弱”的性能。另外，通过红外发射装置和接收装置及按键实现各种功能的启动与关闭，并且可对各种功能实现远程遥控，用户可以在一定距离范围内内设置电风扇的最低工作温度，当温度低于用户所设置温度时，电风扇将自动关闭，当温度高于用户所设温度时电风扇又将重新启动工作，其系统结构如图1所示。

图1 智能水杯结构框架图

2 硬件设计

本系统主要通过电源电路,温度传感器,单片机,按键电路,电机驱动模块,LED数码管组成，利用温度传感器监测温度并直接输出温度信号给单片机进行处理操作，在LED数码管实时显示当先温度，同事采用PWM脉冲方式调节改变风扇电机的转速，可通过键盘输入高低温定值来做预警温度调节风扇转速。

2.1 单片机最小系统

系统硬件设计主要STM32F103RBT6单片机为核心控制芯片，该芯片硬件扩展的基础上使用实时温度传感器DHT11测量温度，而LCD显示的温度和湿度值。单片机最小系统如图2所示：复位电路接NRST引脚。时钟电路分别接时钟电路引脚5和6。

图2 单片机最小系统

2.2 传感器电路

DHT11是一款数字型温湿度一体化传感器，具有以下特点：(1)相对湿度和温度的测量；(2)全部校准，数字输出；(3)卓越的长期稳定性；(4)无需额外部件；(5)超长的信号传输距离；(6)超低能耗；(7)完全互换。

DHT11 是一种单总线的数字式芯片，单片机仅需使用 1个引脚就可实现与其的双向通讯；同时，数字信号增强了输出信号的抗干扰能力，提高了温度测量的精度。它的接口电路因此就变得非常简单。DQ 引脚为漏极开路输出，需要 4.7KΩ的电阻拉高，这样是为了保证如果没有数据传输，总线就可以始终为高电平。在电源处放一个 0.1μF 增加滤波性。其接线图如图3所示：

图3 DHT11外部接线设计

图4 LCD液晶显示

2.3 显示模块

在本设计系统中显示模块采用LCD1602显示温度和湿度，显示电路如图4所示

2.4 声音报警电路

如图5所示，当传感器检测到的信号大于设定的阈值时，单片机A11变成低电平蜂鸣器报警，同时D2变亮指示报警。

图5 声音报警电路

2.5 电机控制模块

电机调速是整个控制装置中的一个相当重要的方面。通过控制改变三极翻出的导，使输出端电压发生改变，从而使施加在电风扇的输入电压发生改变，以调节风扇的转速，实现各档位风速的无级调速。系统中模块电路中采用了过零双向可控硅型光耦MOC3041M,集光电隔离、过零检测、过零触发等一些功能,避免了输入输出通道同时控制双向可控硅触发的缺陷,简化了输出通道隔离2驱动电路的结构。所设计的可控硅触发电路原理图见图3。其中RL即为电机负载，其工作原理是:单片机响应用户设定的参数,在I/ O 口输出一个高电平,经反向器定向反向后,输出一个低电平,使得光电耦合器导通,同时触发双向可控硅,使工作电路导通工作。给定时间内,负载得到的功率为:

(3)

在式中：P 为负载得到的功率( kW); n 为给定时间内可控硅导通的正弦波个数; N 为给定时间内交流正弦波的总个数; U为可控硅在一个电源周期全导通时所对应的电压有效值(V); I 为可控硅在一个电源周期全导通时所对应的电流有效值(A)。由式(3) 可知,当U,I,N 为定值时,只要改变n 值的大小,就可以改变功率P,即可控制功率的输出,从而达到调节电机转速的目的。

3 软件设计

本系统的运行的程序采用C语言进行编码，采用模块化设计。在主程序进行初始化后，开始反复检测各模块相关部分的缓冲区的标示，如果在缓冲区置位，说明所对应的数据需要处理，然后主程序调用相应的处理子模块.如图6所示。

图6 主程序流程图

3.1 温度传感器模块

如图7所示，主机控制DHT11数字温度传感器完成温度转换工作必须经过三个步骤：初始化系统、ROM指令、存储器指令。单片机所用的系统频率为12MHz。

根据DHT11数字温度传感器进行初始化时序、读时序和写时序分别编写3个子程序：初始化子程序、写子程序、读子程。

图7 传感器程序流程图

3.2 电机调速与控制

模块采用双向可控硅过零触发方式，由单片机控制双向可控硅的通断，通过改变每个控制周期内可控硅导通和切断交流完整全波信号的个数来调节负载功率，进而达到调整电机转速的目的。

因INT0信号反映工频电压过零时刻，所以只要在外中断0的中断服务程序中完成控制门的开启与关闭，并利用中断服务次数对控制量n进行计数和判断，过程中每中断一次，对n进行减1计数，如果n不等于0，保持控制电平为“1”，系统会继续打开控制门；如n=0，则使控制电平复位为“0”，关闭控制门，使的可控硅过零触发脉冲不再通过。这样就可以按照控制处理得到的控制量的需求，实现可控硅的过零控制，从而达到按控制量控制的效果，实现可控制，可调速的效果。

图8 电机控制模块中断响应流程图

4 结束语

智能水杯系统可以有效的监测饮用水的温度并当温度超出阈值时提供报警指示功能，进而控制水杯内置电机的转速给水杯降温。给工厂生产与家庭生活的安全增加了保障，市场空间与发展前景广阔。

[1] 曹佃国，王强德，史丽红.计算机控制技术[M].人民邮电出版社教材,2013，5，128-131.

[2] 倪天龙.单总线传感器 DHT11 在温湿度测控中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2010 (6)：60-62.

TM913

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1671-1602(2016)22-0020-02