廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學院 張仁朝 王先彪

本文設計了一種基于STC12C5A60S2單片機控制的智能水杯，以滿足人們對健康飲水生活的需要。該智能水杯不僅具有喝水語音提示，提醒由于工作忙碌而忘記喝水的人；還可以加熱水、制冷水，提供適和人體正常飲用的溫水；同時手動模式可以自行設定飲水時間、水的溫度，以滿足個人性化人群的需要。

引言：醫(yī)學研究表明：正常的成年人一天飲水量應該在2000cc左右，以維持由于尿液、流汗或皮膚蒸發(fā)等流失的水分，從而保證人體的健康。很多人由于工作繁忙或生活習慣的問題往往無法達到這一要求，結(jié)果是在口渴的時候才去喝水。其實當人體感到口渴想要喝水的時候，體內(nèi)的失水已經(jīng)達到20%，口渴本身其實是體內(nèi)已經(jīng)嚴重缺水的表現(xiàn)，這是造成“亞健康”狀態(tài)的致命習慣之一。

因此我們需要一款智能水杯。它可以記錄飲水數(shù)據(jù)并提醒飲水，這樣人們就可以根據(jù)個人平時的需要設置喝水時間，時間到了它就會發(fā)出語音提醒；同時在杯子屏幕上顯示日期、時間、水量、水溫等。真正的養(yǎng)成“一杯在手，健康享受”的飲水習慣。

1.硬件電路設計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由半導體制冷片、MCU模塊、顯示模塊、溫度傳感模塊、按鍵模塊、語音模塊、時鐘模塊及組成。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 半導體制冷片原理

1.2 硬件模塊介紹

1.2.1 半導體制冷片

半導體制冷片，也叫熱電制冷片，是一種熱泵。它的優(yōu)點是沒有滑動部件，應用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無制冷劑污染的場合。它的工作原理是利用半導體材料的珀耳帖效應，具體如圖2所示。當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯(lián)結(jié)成電偶對時，在這個電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端，由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導體材料N、P的元件對數(shù)來決定。

1.2.2 MCU模塊

MCU采用STC12C5A60S2的單片機作為控制的核心。它是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，單時鐘/機器周期(1T)工作，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對電機控制，強干擾場合。如圖3所示。

圖3 單片機模塊

1.2.3 顯示模塊

由于智能水杯要求顯示時間以及溫度的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，實現(xiàn)良好的人機交換信息因此才用0.96英寸的OLED 顯示器，此顯示器具有功耗低體積小、分辨率高（128*64個像素點）等特點，可采用SPI通信，占用I/O較小綜合考慮采用中景園0.96寸OLED顯示屏12864作為智能水杯的顯示模塊。如圖4所示。

圖4 顯示模塊

1.2.4 語音模塊

為了更好的實現(xiàn)更好的人機信息的交換以及提醒用戶按時喝水，因此我們加入了語音控制模塊，實現(xiàn)溫度提示，電源低壓報警提示用戶及時給智能溫控杯充電，以至于更好延長鋰電池的壽命，其中P3.0、P3.1接單片機，J3接揚聲器，如圖5所示。

圖5 語音模塊

1.2.5 電源電路

智能溫控杯采用內(nèi)部的聚合物鋰電池供電為主，實現(xiàn)便攜式，因此我們將鋰電池的12V電壓分兩路供電。一路經(jīng)過三端穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓后，提供給主控電路以及各模塊電路所需的電源。另一路是直接送到驅(qū)動電路。如圖6所示。

圖6 電源電路

1.2.6 驅(qū)動電路

由于要控制半導體電流的方向來實現(xiàn)制熱和制冷，因此我們設計了H橋驅(qū)動電路（如圖7所示）當P2.1為高電平、P2.0為低電平時Q2與Q3導通形則電流從制冷片的左端流入右邊流出，水杯處于制冷狀態(tài)。當P2.1為低電平、P2.0為高電平時Q1與Q4導通，電流從制冷片的右邊流入，左邊流出，這時水杯處于制熱狀態(tài)。當P2.1和P2.0為低電平時水杯此時處于保溫狀態(tài)。

圖7 驅(qū)動電路

2.軟件設計

開機后，系統(tǒng)初始化，首先進行電量的檢測；然后會提示當前水溫，用戶可以設置水的溫度、喝水時間以及自動模式，也可以通過按鍵設置，具體流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)流程圖

3.結(jié)束語

本文設計的智能水杯，有效利用了單片機在電子產(chǎn)品的控制領(lǐng)域中的性能優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)設定水的溫度、顯示時間、提醒喝水、同時具有電量檢測等功能，符合人們對健康飲水的需求。