何昌隆

( 成都七中萬達學校,四川 成都 610000)

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新型多功能水杯的設計

何昌隆

( 成都七中萬達學校,四川 成都 610000)

近年來人們的生活條件越來越優(yōu)越，智能水杯逐漸進入人們的視野。本設計為一種溫控水杯系統(tǒng)，具有敏感的溫度監(jiān)測和顯示功能，本系統(tǒng)采用STM32F103RBT6單片機作為控制平臺對水杯內置風扇電機轉速進行控制。用DHT11數字溫度傳感器采集實時溫度，傳遞給單片機處理后通過控制模塊來控制直流風扇的電機轉速。

單片機；溫度傳感器；智能控制 ；直流風扇

隨著制冷行業(yè)的迅速發(fā)展，空調價格的大幅度降低，電風扇一度認為是落寞行業(yè)。其實并非如此，市場人士調查并分析，家用電風扇并沒有隨著空調的普及而淡出市場，近兩年反而出現(xiàn)了市場銷售復蘇的態(tài)勢。其主要原因：一是風扇和空調的降溫快慢效果不同；二是電風扇有價格優(yōu)勢，價格便宜而且相對省電，安裝和使用都相對簡單,三是風扇相對于空調是低耗能產品,不會再次產生污染環(huán)境的產物,環(huán)保節(jié)能。

生活中普通電風扇多采用機械方式進行控制，功能短缺，噪音大，各檔位的風速變化大，不易控制。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和人們生活水平的不斷的提高，家用電器產品逐漸實現(xiàn)自動化、智能化、環(huán)?；腿诵曰?，使得由微電子控制的智能化家居和電器得以出現(xiàn)。本設計是一款新型智能水杯，系統(tǒng)采用高精度集成溫度傳感器，用單片機控制，能顯示實時溫度，并根據使用者設定的溫度自動在相應溫度時作出小風、大風、停機動作，精確度高，動作準確。

1 設計方案

系統(tǒng)以STM32F103RBT6單片機為核心控制，通過數字溫度傳感器對外界環(huán)境溫度進行數據采集，將數據傳輸給控制系統(tǒng)平臺處理，使電風扇隨外界溫度的變化而自動調節(jié)檔位，實現(xiàn)“溫度高、風力大、溫度低、風力弱”的性能。另外，通過紅外發(fā)射裝置和接收裝置及按鍵實現(xiàn)各種功能的啟動與關閉，并且可對各種功能實現(xiàn)遠程遙控，用戶可以在一定距離范圍內內設置電風扇的最低工作溫度，當溫度低于用戶所設置溫度時，電風扇將自動關閉，當溫度高于用戶所設溫度時電風扇又將重新啟動工作，其系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 智能水杯結構框架圖

2 硬件設計

本系統(tǒng)主要通過電源電路,溫度傳感器,單片機,按鍵電路,電機驅動模塊,LED數碼管組成，利用溫度傳感器監(jiān)測溫度并直接輸出溫度信號給單片機進行處理操作，在LED數碼管實時顯示當先溫度，同事采用PWM脈沖方式調節(jié)改變風扇電機的轉速，可通過鍵盤輸入高低溫定值來做預警溫度調節(jié)風扇轉速。

2.1 單片機最小系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件設計主要STM32F103RBT6單片機為核心控制芯片，該芯片硬件擴展的基礎上使用實時溫度傳感器DHT11測量溫度，而LCD顯示的溫度和濕度值。單片機最小系統(tǒng)如圖2所示：復位電路接NRST引腳。時鐘電路分別接時鐘電路引腳5和6。

圖2 單片機最小系統(tǒng)

2.2 傳感器電路

DHT11是一款數字型溫濕度一體化傳感器，具有以下特點：(1)相對濕度和溫度的測量；(2)全部校準，數字輸出；(3)卓越的長期穩(wěn)定性；(4)無需額外部件；(5)超長的信號傳輸距離；(6)超低能耗；(7)完全互換。

DHT11 是一種單總線的數字式芯片，單片機僅需使用 1個引腳就可實現(xiàn)與其的雙向通訊；同時，數字信號增強了輸出信號的抗干擾能力，提高了溫度測量的精度。它的接口電路因此就變得非常簡單。DQ 引腳為漏極開路輸出，需要 4.7KΩ的電阻拉高，這樣是為了保證如果沒有數據傳輸，總線就可以始終為高電平。在電源處放一個 0.1μF 增加濾波性。其接線圖如圖3所示：

圖3 DHT11外部接線設計

圖4 LCD液晶顯示

2.3 顯示模塊

在本設計系統(tǒng)中顯示模塊采用LCD1602顯示溫度和濕度，顯示電路如圖4所示

2.4 聲音報警電路

如圖5所示，當傳感器檢測到的信號大于設定的閾值時，單片機A11變成低電平蜂鳴器報警，同時D2變亮指示報警。

圖5 聲音報警電路

2.5 電機控制模塊

電機調速是整個控制裝置中的一個相當重要的方面。通過控制改變三極翻出的導，使輸出端電壓發(fā)生改變，從而使施加在電風扇的輸入電壓發(fā)生改變，以調節(jié)風扇的轉速，實現(xiàn)各檔位風速的無級調速。系統(tǒng)中模塊電路中采用了過零雙向可控硅型光耦MOC3041M,集光電隔離、過零檢測、過零觸發(fā)等一些功能,避免了輸入輸出通道同時控制雙向可控硅觸發(fā)的缺陷,簡化了輸出通道隔離2驅動電路的結構。所設計的可控硅觸發(fā)電路原理圖見圖3。其中RL即為電機負載，其工作原理是:單片機響應用戶設定的參數,在I/ O 口輸出一個高電平,經反向器定向反向后,輸出一個低電平,使得光電耦合器導通,同時觸發(fā)雙向可控硅,使工作電路導通工作。給定時間內,負載得到的功率為:

(3)

在式中：P 為負載得到的功率( kW); n 為給定時間內可控硅導通的正弦波個數; N 為給定時間內交流正弦波的總個數; U為可控硅在一個電源周期全導通時所對應的電壓有效值(V); I 為可控硅在一個電源周期全導通時所對應的電流有效值(A)。由式(3) 可知,當U,I,N 為定值時,只要改變n 值的大小,就可以改變功率P,即可控制功率的輸出,從而達到調節(jié)電機轉速的目的。

3 軟件設計

本系統(tǒng)的運行的程序采用C語言進行編碼，采用模塊化設計。在主程序進行初始化后，開始反復檢測各模塊相關部分的緩沖區(qū)的標示，如果在緩沖區(qū)置位，說明所對應的數據需要處理，然后主程序調用相應的處理子模塊.如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.1 溫度傳感器模塊

如圖7所示，主機控制DHT11數字溫度傳感器完成溫度轉換工作必須經過三個步驟：初始化系統(tǒng)、ROM指令、存儲器指令。單片機所用的系統(tǒng)頻率為12MHz。

根據DHT11數字溫度傳感器進行初始化時序、讀時序和寫時序分別編寫3個子程序：初始化子程序、寫子程序、讀子程。

圖7 傳感器程序流程圖

3.2 電機調速與控制

模塊采用雙向可控硅過零觸發(fā)方式，由單片機控制雙向可控硅的通斷，通過改變每個控制周期內可控硅導通和切斷交流完整全波信號的個數來調節(jié)負載功率，進而達到調整電機轉速的目的。

因INT0信號反映工頻電壓過零時刻，所以只要在外中斷0的中斷服務程序中完成控制門的開啟與關閉，并利用中斷服務次數對控制量n進行計數和判斷，過程中每中斷一次，對n進行減1計數，如果n不等于0，保持控制電平為“1”，系統(tǒng)會繼續(xù)打開控制門；如n=0，則使控制電平復位為“0”，關閉控制門，使的可控硅過零觸發(fā)脈沖不再通過。這樣就可以按照控制處理得到的控制量的需求，實現(xiàn)可控硅的過零控制，從而達到按控制量控制的效果，實現(xiàn)可控制，可調速的效果。

圖8 電機控制模塊中斷響應流程圖

4 結束語

智能水杯系統(tǒng)可以有效的監(jiān)測飲用水的溫度并當溫度超出閾值時提供報警指示功能，進而控制水杯內置電機的轉速給水杯降溫。給工廠生產與家庭生活的安全增加了保障，市場空間與發(fā)展前景廣闊。

[1] 曹佃國，王強德，史麗紅.計算機控制技術[M].人民郵電出版社教材,2013，5，128-131.

[2] 倪天龍.單總線傳感器 DHT11 在溫濕度測控中的應用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2010 (6)：60-62.

TM913

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1671-1602(2016)22-0020-02