基于单片机温度自动提醒的智能水杯设计

陈江萍 钟浩

摘 要：文章设计了一种基于STM32的多功能智能水杯系统，旨在使人们养成良好的饮水习惯。该系统采用单片机控制温度传感器和压力传感器，实时测量水温和水量。同时，通过蓝牙模块，用户可以通过手机App获得水温、水量等信息。内置在杯子中的锂电池可以为微控制器和每个模块提供电力。经过调试，该系统能够成功地实现上述功能，较好地解决了人们的饮用水问题，具有较高的性价比和应用前景。

关键词：智能水杯;自动提醒;单片机

0    引言

本文设计了一种基于物联网的智能水杯，用户可以设定时间和水温。当达到用户设定的时间或热水冷却到用户设定的水温时，声音提醒用户喝水。本文设计的智能水杯具有内置锂电池和测量电路。锂电池采用无线充电技术充电，使水杯更小更方便。同时还具有压力传感器，可以测量杯中的水量。水杯内置蓝牙模块，微控制器通过蓝牙模块向手机App传输数据，使用户可以更方便地在手机App上查看饮用水记录。

1   系统设计

在本文所提的系统中，单片机通过温度传感器、压力传感器和时钟模块采集数据，并在液晶显示器上显示水温、水量和电流时间，此外，它可以通过不同的水温点亮不同的Led灯，并可以通过按钮设置水温和饮水时间，微控制器检测水温和时间，并控制语音模块在达到预定水温和时间时发出声音，它可以控制AD转换器采集电压并显示在LCD上，当电池电量不足时，电池通过无线充电技术充电。系统中包含蓝牙模块，微控制器通过蓝牙模块向移动App发送数据[1]。

2   主模块设计

2.1 主控芯片

STM32F103C8T6集成了一个高性能的ARM cortex-m332位RISC核心，在72 MHz工作，高速嵌入式存储器，以及各种增强的 I/O和连接到两个APB总线的外设。该系统采用单片机中的12位ADC和RTC模块实现电压的采集和时钟的显示。 12位ADC是一个逐次逼近的模拟数字转换器。它有多达18个多路信道允许它测量来自16个外部和两个内部来源的信号。各通道的A/D转换可以采用单通道、连续通道、扫描通道或间断通道进行。ADC的结果存储在左对齐或右对齐的16位数据寄存器中。

2.2 触摸键模块

触摸键芯片是RH6030。该芯片是一种电容式可触摸感应开关，可替代传统的机械式开关。RH6030可以通过外部引脚在多种模式下工作。当触键面积增加到一定程度时，面积的持续增加几乎不会影響灵敏度。在触摸电极和触摸输入针之间连接一个电阻器，用于提高触摸的抗干扰能力。在VDD和GND之间需要一个滤波电容来消除噪声。电源需要稳定。如果电源电压漂移或快速变化，可能造成灵敏度漂移或检测误差。在给系统供电之前，应该将介质覆盖在触摸电极上，因为芯片在加电时会检测环境和初始电容。如果覆盖层是在芯片初始化后放置的，那么系统可能检测到电容的突然变化，从而导致判断错误。

2.3 语音模块

ISD1820提供高质量、单芯片、单消息、录音/回放解决方案，用户可选择持续时间。CMOS器件包括片上振荡器、麦克风前置放大器、自动增益控制、抗混叠滤波器、多级存储器阵列、平滑滤波器和扬声器放大器。最小录音/回放子系统可以配置一个麦克风、扬声器、多个被动元件、两个按钮和一个电源。这些记录存储在芯片上的非挥发性记忆体存储单元中，以提供零功率的信息存储。

2.4 时钟模块

选用STM32内部RTC时钟作为时钟模块。实时时钟是一个独立的计时器。RTC 核心和时钟配置（RCC _ bdcr寄存器）位于备份域，这意味着RTC设置和时间在重置或从备用模式唤醒后保持不变。重置后，将禁用对备份寄存器和 RTC的访问，并保护备份域（BKP）免受可能的寄生写访问。RTC和备份寄存器由一个开关提供，该开关由VDD电源供电或由VBAT引脚供电。当VDD电源不存在时，备份寄存器（1 016位寄存器）可用于存储数据。实时时钟提供了一组连续运行的计数器，可以与适当的软件一起使用，以提供时钟日历功能，并提供报警中断和周期性中断。它由一个外部的32.768 kHz振荡器、一个内部的低功率RC振荡器或一个除以128的高速外部时钟来计时。内部低功耗RC的典型频率为      32 kHz。该RTC可以校准使用外部512赫兹输出，以补偿任何自然石英偏见。RTC有一个32位的可编程计数器，可用于长期测量使用比较寄存器生成警报[2]。

2.5 温度模组

DS18B20数码温度计提供9至12摄氏度的温度测量，并设有报警功能，具有非挥发性用户可编程上下触发点。DS18B20通过1线总线进行通信，根据定义，该总线只需要一条数据线（和地线）与中央微处理器进行通信。它的工作温度范围为-55℃至+125 ℃，精确度为± 0.5 ℃，从-10 ℃至+85 ℃。此外，DS18B20可以直接从数据线（“寄生电源”）获得电力，而不需要外部电源。根据定义，1-Wire总线只有一条数据线。每个设备（主设备或从设备）都通过一个开放接口或三态端口连接到数据线。这允许每个设备在不传输数据时“释放”数据线，因此总线可用于其他设备。DS18B20的单线端口（DQ引脚）是开放式漏极，需要大约5 kω的外部上拉电阻。DS18B20的核心功能是直接数字式温度传感器。用户可以将温度传感器的分辨率设置为9，10，11或12位，相应的增量分别为0.5 ℃，0.25 ℃，0.125 ℃ 和0.0625 ℃。开机时的默认分辨率为12位。DS18B20在低功耗空闲状态下启动;要开始温度测量和a/d转换，主机必须发出 Convert [44h]命令。转换后，生成的热数据存储在暂存器中的2字节温度寄存器中，DS18B20返回到空闲状态。在 DS18B20执行温度转换后，将温度值与存储在1字节TH和TL寄存器中的用户定义2的补码报警触发器值进行比较。符号位（s）表示该值是正数还是负数： 对于正数s=0，对于负数s=1。TH和TL寄存器是非易失性的（EEPROM），因此当设备断电时，它们将保留数据。

2.6 电源管理模块

电池使用电磁感应无线充电技术充电。主要原理是在初级线圈上产生交流电，而次级线圈通过电磁感应产生一定的电流。充电基座和水杯端子分别有内置线圈，当两者接近时，在水杯中的接收线圈中产生一定的电流电磁感应。通电导线周围产生的磁场方向与电流方向垂直，通常磁场很弱。然而，如果导线缠绕成一个圆圈或螺旋，同一方向的磁场就会叠加，从而形成一个强磁场。利用变化的电场产生变化的磁场，利用变化的磁场产生电场，从而将能量从发射端转移到接收端，从而产生电流给装置充电[3]。

3   结语

本文介绍的智能水杯与普通水杯相比，能够显示水温、水量，提醒用户智能饮水。无线通信技术允许用户在App上查看饮用水记录。无线充电技术消除了充电的不便。该系统采用传感器测量水杯内的水温和水量，误差不超过±0.5 ℃。当水温低于30 ℃，30 ℃～60 ℃和高于60 ℃时，分别开启3种颜色指示灯，误差不超过± 0.5℃。水温通过按键在液晶显示器上设定。当热水冷却到设定温度时，声音提醒用户饮水，误差不超过±0.5 ℃。用户可以通过按键设置LCD上的时间。当设定的时间到来时，声音提醒用户喝水。电磁感应的无线充电技术被用来给锂电池充电。当锂电池电压达到4.2 V时，断开电路停止充电，当锂电池电压小于3.4 V时，系统提醒用户对电池充电。蓝牙模块用于无线数据传输，饮用水记录可以在移动App上查看。

[参考文献]

[1]陈莲芳.关于单片机温度控制系统方案的探讨[J].科技资讯，2019（10）：11-12.

[2]王维佳.基于单片机的温度控制系统设计[J].电子技术与软件工程，2018（23）：244.

[3]高敏.基于单片机的温度控制系统的研究与实现[J].广州城市职业学院学报，2016（4）：26-29.

（编辑 何 琳）