范海健 張?jiān)曙w 李明瑞 楊天祥

【摘 要】設(shè)計(jì)了一款新型智能水杯，系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為控制核心，對(duì)溫控智能水杯系統(tǒng)的鍵盤、顯示、溫度傳感器、語(yǔ)音提示模塊、加熱模塊等相關(guān)接口進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)了智能水杯的無(wú)線供電，水溫加熱與控制、語(yǔ)音提示及無(wú)線信息的雙重提示功能。

【關(guān)鍵詞】STM32;智能水杯;溫度傳感器

中圖分類號(hào)： TP303 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）25-0028-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.25.012

Design of a New Smart Temperature Control Water Cup Based on Low Power MCU

FAN Hai-jian ZHANG Yun-fei LI Ming-rui YANG Tian-xiang

（Suzhou Vocational University，Suzhou Jiangsu 215104，China）

【Abstract】A new type of smart water cup is designed.STM32F103 is the control core in the system，controlling the keyboard，display，temperature sensor，voice module and heating module.The functions of wireless power supply，water temperature heating and control，voice and wireless information are realized.

【Key words】STM32;Smart water cup;Temperature sensor

0 前言

水杯在過(guò)去只是一個(gè)簡(jiǎn)單的飲水工具，隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步，水杯功能的單一化漸漸滿足不了人們的生活需求，“智能水杯”開始受到很多用戶的青睞。本文設(shè)計(jì)了一種新型智能溫控水杯，系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)了智能水杯的無(wú)線充電，水溫加熱與控制、語(yǔ)音提示及無(wú)線信息提示雙重提示等相關(guān)功能，里面的雙重提示功能特別適合需要特殊照顧的老人，可應(yīng)用在提醒喝水、用藥等相關(guān)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能水杯設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)以STM32F103為控制核心，通過(guò)溫度傳感器模塊ds18b20讀取溫度值顯示在TFT液晶顯示屏上，用戶可通過(guò)杯體上的薄膜按鍵設(shè)置水溫，單片機(jī)會(huì)根據(jù)讀取到的信息進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)PID自主調(diào)溫，并通過(guò)語(yǔ)音提示模塊提示吃藥時(shí)間等信息，如果沒(méi)有人響應(yīng)則通過(guò)GPRS模塊再次提示，智能水杯同時(shí)具有無(wú)線充電的功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電的功能。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊介紹

2.1 溫度傳感器模塊

系統(tǒng)采用的溫度傳感器為達(dá)拉斯公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該溫度傳感器的主要特點(diǎn)是體積較小，適用的電壓較寬，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，高精度等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。采用獨(dú)有的單總線通信方式，僅需要一根線就可以雙向通信，測(cè)溫在-55攝氏度到+125攝氏度較為穩(wěn)定，工作電源3-5v，可編程的分辨率為9-12位，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間為750毫秒左右。

讀取時(shí)序如圖2所示，當(dāng)單片機(jī)發(fā)出讀取數(shù)據(jù)信號(hào)的時(shí)候，單片機(jī)要馬上產(chǎn)生讀的時(shí)序，做好準(zhǔn)備讀取傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。讀時(shí)序需要至少60us的響應(yīng)時(shí)間，并且，在兩次讀時(shí)序之間需要有1us以上的恢復(fù)時(shí)間。每次讀取數(shù)據(jù)都需要單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，拉低總線，維持至少1us的時(shí)間。讀時(shí)序具體過(guò)程是，單片機(jī)輸出低電平，維持2us，給ds18b20一個(gè)信號(hào)，然后就可以讀取溫度傳感器返回來(lái)的溫度信息。

2.2 GPRS模塊

系統(tǒng)采用GPRS-A6模塊，通過(guò)單片機(jī)的串口發(fā)送AT指令與該模塊的串口進(jìn)行通信，具體通信時(shí)的主要步驟如下：

（1）上電需要等待10s左右的時(shí)間等待模塊穩(wěn)定，并且串口收到“OK”指令。

（2）將串口TX于GPRS模塊的RX相連，串口RX與GPRS的TX相連。

（3）單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送相應(yīng)的AT指令對(duì)GPRS模塊進(jìn)行初始化，讓它連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，讓GPRS模塊獲得終端IP地址，并且和終端進(jìn)行連接和匹配，便于進(jìn)行通信。

（4）通過(guò)串口發(fā)送AT指令，控制模塊發(fā)送和接收信息。

2.3 無(wú)線充電模塊

為更好地能對(duì)水杯內(nèi)部單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行供電，避免傳統(tǒng)充電接口頻繁插拔造成接口接觸不良，系統(tǒng)采用無(wú)線充電模塊進(jìn)行充電。無(wú)線充電模塊由發(fā)射模塊與接收模塊組成，控制發(fā)送模塊采用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生磁場(chǎng)輻射能量，接收模塊通過(guò)磁場(chǎng)產(chǎn)生電流。無(wú)線發(fā)射端線圈應(yīng)具有信號(hào)強(qiáng)、速度快的特點(diǎn)。接收模塊則通過(guò)線圈能量的耦合進(jìn)行能量的傳遞，其特點(diǎn)是低成本，高諧振。

2.4 加熱模塊

系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器讀取水溫，如果用戶已經(jīng)設(shè)定水溫，主控制器將對(duì)設(shè)定溫度和當(dāng)前溫度進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)運(yùn)算控制MOS管的開合時(shí)間，進(jìn)而控制加熱棒的加熱效果來(lái)控制水溫。此電路需要24V直流電供電，由IO口輸出高低電平來(lái)控制MOS的管的開合，控制加熱管。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?程序設(shè)計(jì)主流程圖

系統(tǒng)程序主流程圖3所示，在主程序中完成了液晶顯示屏的初始化，按鍵的初始化，定時(shí)器的初始化，如果用戶沒(méi)有按下按鍵，顯示系統(tǒng)便正常測(cè)溫、顯示掃描按鍵，如果有鍵盤按下，則判斷是溫度鍵還是時(shí)間鍵，然后會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的PID程序和語(yǔ)音控制子程序。

3.2 系統(tǒng)控溫算法實(shí)現(xiàn)

在控制水溫的時(shí)候，由于水溫的慣性，很難達(dá)到一個(gè)預(yù)設(shè)的溫度，這里采用PID算法，根據(jù)實(shí)際的水溫進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)。

具有比例+積分+微分控制規(guī)律的控制稱為比例積分微分（PID）控制，其傳遞函數(shù)為：

PID算法有比例，積分，微分三項(xiàng)，比例算法實(shí)現(xiàn)加熱使其快速接近我們想要的水溫，但是通過(guò)比例算法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，比例過(guò)大，會(huì)超調(diào)很嚴(yán)重，比例較小遲遲達(dá)不到想要的溫度，也容易產(chǎn)生靜態(tài)誤差，因此需要加上積分的效果，積分可解決穩(wěn)態(tài)誤差的問(wèn)題，但是，積分會(huì)將歷史的所有記錄拿來(lái)控制當(dāng)前的加熱棒，容易超調(diào)，此時(shí)就需要加上微分項(xiàng)，這樣就有了迅速穩(wěn)定溫度的效果，減少調(diào)溫過(guò)程中的震蕩。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試時(shí)主要檢查主控芯片模塊與溫度傳感器、液晶顯示電路、MOS開關(guān)電路、無(wú)線充電模塊等的硬件連接是否牢固，系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行，液晶顯示的顏色是否符合設(shè)計(jì)要求，PID調(diào)節(jié)溫度是否穩(wěn)定等。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可以正常顯示預(yù)設(shè)溫度、實(shí)測(cè)溫度、用藥時(shí)間等，當(dāng)溫度超出預(yù)設(shè)溫度時(shí)還可以通過(guò)液晶顯示的不同顏色進(jìn)行溫度值的區(qū)分，如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)了一種帶有無(wú)線充電的智能水杯系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度加熱與檢測(cè)、語(yǔ)音提示與無(wú)線提醒等相關(guān)功能，設(shè)計(jì)功能具有一定新穎性，具有一定實(shí)用價(jià)值。

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