基于单片机的智能水杯设计

钟浩 陈江萍

摘 要：文章设计了一款在52单片机基础上搭建起来的智能饮水用具，可以进行加热、保温、远程控制，可利用插口式电源来给加热模块提供电能，且可以将温度保持在设置程度。在人机交互模块进行操作可以控制温度停留在某一范围以及设定加水容量，对于超出范围的数据信息进行示警提醒。

关键词：单片机；智能水杯；数据

基金项目：2019年度大学生创新创业训练计划项目“智能水杯”的阶段性成果；项目名称 ：智能水杯设计；项目编号：S201913125022。

1 研究现状

在智能家居的研发如火如荼的时代，智能水杯是顺应消费者需求、顺应科技发展的产物，尤其在当前环境污染加剧、水源遭受污染、雾霾影响严重的形势下，人们更加重视生活家居中的健康问题，如装修使用环保材料、购买纯净水、搬离闹市区等举措。在智能水杯售卖市场中，群众认可度比较好的品牌有很多，比如lehoo智能水杯，还有麦开的，还有橘子的等，销售量都较为喜人。可见，尽管总体的智能水杯行业不是特别兴旺，但是智能水杯这一产品的实用性和需求性都比较高，也是未来水杯功能发展的趋势[1]。

2 设计要求

（1）采用 LCD1602 液晶来作为输出模块，为用户提供水温、时间等查看模块。

（2）根据水这一物质的特性，将温度区间设置在

0 ℃～100 ℃。

（3）水温在100 ℃之内的区间，当负责测试水的温度的传感器测试到的温度没有达到用户设置最低阈值的时候，机器的加热程序启动，当传感器感受到的水温达到了用户设置的阈值的时候，就断开加热功能，不再进行加热。

（4）智能水杯有一些功能需要用户进行输入，所以需要安装用户的开关按钮、设置按钮、温度的增加按钮和降低按钮，以及“确认键”等。

（5）可以利用红外技术，实现无接触的控制，比如使用遥控器，在10 m以内的范围内都可以进行智能水杯的设定操作。

3 硬件选择

根据系统设计的功能和经济因素来选择合适的元器件，然后依據需要的功能来熔接元器件组装成本文的设计。单片机是本文开发的系统的灵魂组建，也是整个水杯的核心部分，从元器件的性能和耐用性、经济性考虑，本文决定使用STC8952单片机作为智能水杯的主要控制元器件，另外配置了声音提醒模块、按钮控制模块和温控模块等；输出显示的元器件采用LCD1602液晶显示屏；而温度传感器则使用DS18B20元器件，压力信号的采集则使用HX711称重传感器。

4 系统软件设计

本文设计的程序包含温度传感部分、重量收集部分、核心职能控制芯片部分、外界输入按钮处置部分、时间设置部分和声音提醒部分，具备温度传感功能的元器件可以测试到液体的温度，而测试压力的元器件可以通过重量来测试液体装载的数量，二者的数据可以经由显示模块直观地让用户看到，利用LCD1602模块显示出来，当加水量大于系统设定的承载重量时，就会用提示模块发出声音警示用户[2]。

5 工作原理及性能

本文设计的智能水杯及其控制系统是由多组多个种类电子元器件熔接组成的一个整体，每一个功能模块按照设计需要和使用需要利用Keil软件程序进行编写，通过程序实现电子元器件在智能水杯中的功能。

（1）测试温度的元器件把测试得到的温度信息转换成电流，然后通过内部线路传输到LCD1602液晶屏，此时用户就能看到屏幕上的数字，同样测试重量的元器件感受到添加进入的水的重量，然后通过内部线路传输到同样的显示屏，使得用户可以看到容量的变化。

（2）通过安装的外界输入按钮来预设好温度以及需要的水的容量，利用本文设计的提示灯作为温度的标记。

6 智能水杯的组装

（1）电源电路。电源提供的加热功能是智能水杯的基础性功能，在整个水杯设计中有着先决性地位。如果电源电路不能够安全可靠稳定地使用，那么整个智能水杯都是不能使用的。电源电路存在的意义就是给单片机和其他功能性模块输入安全并且稳定的电压电流，使得设备得以运转[3]。（2）按钮接口的线路。本系统设计的输入输出的接口线路使用的全部为单独的按键电路，这样每一个按钮都是独立运行的，每一个按钮都有自己的输入输出接口，这样设计的好处是各个按钮之间互不干扰，当一个按钮线路损坏时，并不影响其他按钮的使用。在设备供电刚开始时，所有的按钮都设置成低电平有效；此外当按钮状态为“否”时，上拉电阻使得输入输出接口线路处于高电平状态。在本系统的设计中，各个输入按钮的软件一般是利用查询式方式来运行，先一位一位地搜寻全部输入输出接口线路的输入工作状态。如果只有一个输入输出接口线路的输入电平呈“低”的状态，那么就能够判断出这个输入输出接口线路所对应的按钮已经被“按下”了，那么系统就会运行这个按钮对应的功能的代码去实现它所对应的功能。（3）声音提醒电路。在加热过程中，当水达到了提前设定好的温度时，系统就会发出声音给予提醒，告诉用户水已经加热到需要的温度了，如果不及时断电有可能会造成危险。（4）温度测试电路。本文所设计的智能水杯的温度感受元器件采用的是DS18B20。它是由美国注明芯片企业制造的线式的数字温度传感器，他的优点是体积很小，具备针对温度极为敏感的性能，能够提高智能水杯的精确性和灵敏性。（5）红外收发模块。这个模块主要是用来为用户提供远程操作的功能，系统内的红外传感器感受到红外信号后会将其转化处理，然后将新的信息传达到单片机引脚P3.3口，然后进行该接口的电平判定，以此达到远程操作的效果，比如远程设置时间和温度。（6）显示模块。这一部分主要用来向用户展示温度、时间、容量等讯息，本文在这一模块采用的是JHD162A来作为显示驱动控制器。根据LCD1602元器件需要的电路运行情况来制定出单片机和LCD1602 的接口。

7 软件程序设计

編程上，本文采用的开发环境是Visual C + + 6.0。核心功能的程序包括 A/D 转换子程序（水温、水位），按钮读取、处理和显示子程序，加热控制子程序和安全性能上的防止漏电的子程序。

8 实验调试

智能加热水杯的实验步骤如下：

（1）接上电源后，智能水杯系统电路联通，准备好15 ℃的水备用，然后把需要保温的温度范围设置在28 ℃～38 ℃，加热时间上设置成2 min。那么理论上当前水温比设置的要低，水杯应该启动加热，但是系统没有开启加热操作，而是显示出红色灯，并且有声音“滴滴”的提醒，是因为杯子中并没有倒入水，实验准备的水还在外界的其他容器中，那么系统认定现在不能加热，否则会出现干烧危险。（2）把外界的水倒入杯中，使其达到水位的上限值，那么此时加水不足的指示灯灭掉，杯子的加热电阻开始工作，加热工作提示灯（黄灯）打开了。（3）持续加热中，当水温达到了28 ℃但是没有达到38 ℃，这时候加热继续。当继续加热到水的温度达到了38 ℃也就是设置的上限温度时，加热模块停止工作，加热提示灯关闭。

经过实验验证，本文涉及的基于单片机的智能水杯具备了加热、保温、提醒等功能。

9 结语

本文利用 STC89C51 单片机作为中控模块设计出了智能加热、保温的水杯，涉及包括了元器件的选择、电路和各个模块输入输出接口的设计、功能上的设计。经过实验测试，本文设计的智能水杯达到了设计功能，便于使用，具有很高的现实意义和实用价值。

[参考文献]

[1]赵华峰.基于单片机的家居智能系统设计与实现[J].信息与电脑（理论版），2018（22）：134-136.

[2]周凌翱，车金庆.基于AT89C51单片机的智能水杯设计[J].电子制作，2016（24）：3.

[3]张仁朝，王先彪.基于STC12C5A60S2单片机的智能水杯设计[J].电子世界，2018（22）：164-165.

（编辑 王永超）

Design of intelligent water cup based on single chip microcomputer

Zhong Hao， Chen Jiangping

（Shaanxi Fashion Engineering University， Xi’an 712046， China）

Abstract：This article designs a smart drinking appliance based on 52 single-chip microcomputers. It can be heated， kept warm， and remotely controlled. It can use a plug-in power supply to provide electricity to the heating module and keep the temperature at the set level. Operation in the human-computer interaction module can control the temperature staying in a certain range and the setting of the water adding capacity， and give warnings to the data information out of the range.

Key words：MCU； intelligent water cup； data