李小龍，孫立巍，林煒雄，王 佳，周家霖

（長(zhǎng)春師范大學(xué) 工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130032）

0 引 言

中國(guó)的保溫瓶最早出現(xiàn)在宋代，那時(shí)稱之為“暖水釜”?，F(xiàn)代社會(huì)中，人們對(duì)于保溫杯的功能需求不僅僅是保溫，還追求使用方便、設(shè)計(jì)美觀等。人們?cè)谌粘Ｉ钪惺褂帽乇瓡r(shí)經(jīng)常遇見保溫性能太差等問題導(dǎo)致不能及時(shí)得到滿意溫度的水，同時(shí)市場(chǎng)上的控溫保溫杯價(jià)格高昂，因此設(shè)計(jì)一個(gè)更具性價(jià)比的控溫保溫杯十分重要[1]。

1 可拆卸控溫保溫杯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

可拆卸控溫保溫杯主要分為3個(gè)部分，分別是熱水部分、控制部分、冷水部分，裝置詳情如圖1所示。其中熱水部分、控制部分以及冷水部分之間采用螺紋連接，上下兩個(gè)部分可以拆卸。熱水部分采取的保溫方法是真空隔熱，冷水部分采取的是常溫冷卻，控制部分由球形閥、舵機(jī)以及DS18B20數(shù)字溫度傳感器組成。

圖1 可拆卸控溫保溫杯整體結(jié)構(gòu)

1.2 溫控電路設(shè)計(jì)

該可拆卸控溫保溫杯搭載Ardunio UNO單片機(jī)、DS18B20數(shù)字溫度傳感器、SG90舵機(jī)、OLED顯示器、藍(lán)牙模塊以及電池等配件，通過不同配件的配合使用實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。保溫杯溫控電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 保溫杯溫控電路設(shè)計(jì)

1.3 輸入裝置設(shè)計(jì)

通過手機(jī)藍(lán)牙或者控溫保溫杯上的按鍵輸入預(yù)定溫度值，當(dāng)選擇手機(jī)藍(lán)牙進(jìn)行輸入時(shí)，用戶需要將手機(jī)藍(lán)牙與保溫杯藍(lán)牙進(jìn)行匹配，匹配成功后可以選擇低溫、中溫、高溫或者任意溫度。

1.4 溫度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器檢測(cè)溫度，該傳感器適用于各種場(chǎng)合，具有體積小、靈敏度高等特點(diǎn)，能夠有效適應(yīng)保溫杯內(nèi)狹窄且溫度變化快的工作環(huán)境。DS18B20數(shù)字溫度傳感器擁有獨(dú)特的單線接口方式，與微處理器連接時(shí)僅需要一條連線即可實(shí)現(xiàn)雙向通信。

1.5 單片機(jī)主控制

單片機(jī)對(duì)輸入裝置的溫度信號(hào)和溫度檢測(cè)裝置的溫度信號(hào)進(jìn)行匹配，如果不一樣，則向溫度控制裝置發(fā)送信號(hào)，控制其調(diào)節(jié)溫度。與此同時(shí)，將溫度信號(hào)發(fā)送到顯示裝置，通過顯示裝置實(shí)時(shí)顯示預(yù)定水溫和實(shí)時(shí)水溫。

1.6 控制裝置設(shè)計(jì)

控制裝置和球形閥結(jié)構(gòu)分布如圖3所示。溫度控制裝置主要由球形閥與DSI820C傳感器構(gòu)成，裝置上下各有一旋向相反的螺紋，用于與保溫裝置及冷水裝置連接，通過內(nèi)部舵機(jī)與球形閥之間的相互配合實(shí)現(xiàn)控制功能?？刂蒲b置中的隔水空間用于放置舵機(jī)和球形閥，球形閥的開閉可以控制熱水的輸送[2]。當(dāng)檢測(cè)溫度高于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，球形閥旋轉(zhuǎn)90°，從而打開閥門，使冷水流入熱水部分進(jìn)行混合調(diào)溫，直至達(dá)到指定溫度。當(dāng)檢測(cè)溫度接近于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，球形閥回轉(zhuǎn)90°，從而關(guān)閉閥門，截?cái)嘁后w流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)基本溫度控制。球形閥的優(yōu)勢(shì)在于啟閉迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從全開到全關(guān)只要旋轉(zhuǎn)90°，便于遠(yuǎn)距離控制。此外，球形閥密封圈一般都是活動(dòng)的，拆卸更換都比較方便。

圖3 控制裝置和球形閥結(jié)構(gòu)分布

1.7 可拆卸設(shè)計(jì)

由于控制裝置與熱水部分為一體化設(shè)計(jì)，因此熱水部分不可拆卸。在溫度調(diào)節(jié)后，可以通過熱水部分與冷水部分的螺紋連接來將冷水部分拆卸下來喝水，實(shí)現(xiàn)一杯多用。

2 可拆卸控溫保溫杯工作過程

可拆卸控溫保溫杯實(shí)際工作過程如圖4所示。

圖4 可拆卸控溫保溫杯工作過程

利用外部終端或者矩陣鍵盤將所需溫度T1發(fā)送給Ardiuno UNO單片機(jī)，DS18B20數(shù)字溫度傳感器將實(shí)際溫度T2實(shí)時(shí)反饋給Ardiuno UNO單片機(jī)，單片機(jī)接收到T1與T2后對(duì)兩者進(jìn)行比較。若T2＜T1，則單片機(jī)控制溫度控制裝置進(jìn)行調(diào)控，舵機(jī)帶動(dòng)球形閥打開熱水與冷水的連接部分，實(shí)現(xiàn)冷水與熱水的混合。當(dāng)溫度達(dá)到T1時(shí)，溫度傳感器給予單片機(jī)信號(hào)，單片機(jī)控制溫度控制裝置，舵機(jī)帶動(dòng)球形閥關(guān)閉熱水與冷水的連接部分，從而實(shí)現(xiàn)水溫的合理調(diào)控。顯示裝置實(shí)時(shí)顯示冷水溫度，告知用戶是否達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)[3-7]。

3 結(jié) 論

可拆卸控溫保溫杯以聚酰胺和玻璃纖維為主材料，通過搭載SG90舵機(jī)、DS18B20數(shù)字溫度傳感器、電池、無線模塊、OLED顯示器以及球形閥，各個(gè)模塊相互配合共同完成保溫杯控溫過程，為用戶能夠及時(shí)得到滿意的水溫提供了合理方案。該設(shè)計(jì)不僅可以對(duì)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)把控，還實(shí)現(xiàn)了一杯多用，為用戶提供了不同的保溫杯選擇。