李 夢,余忠瑞

(安徽三聯(lián)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引言

近年來,由于社會的進步,人們對健康的需求日益增加,使得安全、有效的保暖材料受到廣泛重視。在此背景下,智能家用電器逐漸興起。為滿足消費者的多樣化需求,本文研發(fā)出一款多功能水杯。該水杯采用太陽能集熱管,可實現(xiàn)實時加熱,同時配備一層保溫套,將其中的熱能傳輸至蓄電池,進而達到對水的有效控溫,而且還具備單片機的自動調(diào)節(jié)、實時溫度檢測及飲用水量的實時跟蹤等多項功能,可以大大改善消費者的使用體驗。

1 保溫杯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著科學(xué)的發(fā)展,我國的保溫杯產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,制造技術(shù)已經(jīng)達到了全球頂尖水平。近年來,傳統(tǒng)的民用保溫容器已經(jīng)被各種先進的設(shè)備和高精度的工藝所取代,從而為消費者提供更加便捷、舒適的生活體驗。這些先進的工藝為消費者提供更加安全、舒適的生活環(huán)境,并且在各種行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。

智能水杯的設(shè)計旨在幫助忙碌的工作者、學(xué)習(xí)者,避免因為工作繁重而忽略補充水分的問題,從而改善人們的身心健康。智能水杯的芯片里安裝的程序,可以實現(xiàn)對人們健康狀況的實時監(jiān)測,從而有效地指導(dǎo)人們的正確飲水。智能水杯擁有先進的功能,它可以根據(jù)人們的日常活動,定期發(fā)出“滴滴”的鈴聲,配合綠色的提醒,使人的身體得到及時補水,從而達到更好的保持健康的目的。此外,它還具有記錄飲水量的功能,可以使用戶的飲水更加規(guī)律,從而更有效地維持健康狀態(tài)。

2 智能水杯總體設(shè)計

智能水杯系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。這款智能水杯采用太陽能集熱器實現(xiàn)即刻加熱,而且還配備保溫套。該智能水杯添加了一種特殊的熱電元件,將其轉(zhuǎn)化為蓄電池,從而實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)水位。此外,該智能水杯還具備單片機的自動控制、實時溫度檢測及飲用水量的實時跟蹤等功能。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框架

2.1 溫度傳感器設(shè)計

溫度監(jiān)控模塊使用DS18B20溫度傳感器對水溫進行實時檢測[1]。DS18B20溫度傳感器具有體積小、精度高、抗干擾能力強的優(yōu)點,能安置在杯體內(nèi)且減少空間占用,測量的溫度范圍為0～25 ℃。

DS18B20是基于半導(dǎo)體的溫度傳感技術(shù)制作的數(shù)字溫度傳感器[2]。它的核心部分包括溫度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字接口電路。傳感器通過測量半導(dǎo)體材料的電阻來感知溫度,然后將這些電阻的變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出。

DS18B20的工作機制分為以下幾個步驟:

(1)初始化。主設(shè)備(如微控制器)向DS18B20發(fā)送初始化命令,使其進入工作狀態(tài)。

(2)溫度變化。當(dāng)DS18B20接收到變化指令時,它便會啟動變化,同時記錄下變化后的數(shù)據(jù),以便日后查閱。

(3)讀取溫度值。主設(shè)備請求讀取當(dāng)前溫度值,DS18B20將溫度值通過單總線接口發(fā)送給主設(shè)備。

DS18B20采用Maxim公司的特殊的1-Wire總線協(xié)議,它可以進行單一的控制信號傳輸,而且這種控制信號必須具備一個可被激活的上拉電阻,才能保證DS18B20的輸入端處于3態(tài)或更低的阻態(tài)。在這個總線系統(tǒng)中,主要的操作者采用64位的唯一編碼標(biāo)記所有的設(shè)備。隨著時間的推移,裝置的數(shù)量會不斷增加。

2.2 控制模塊設(shè)計

STC89C52單片機被廣泛認(rèn)為是一種極其優(yōu)秀的控制器,不僅節(jié)省了大量的電源,而且還具備8 K的存儲容量,并且支持8位CPU及Flash的操縱,既滿足了低端產(chǎn)品的需求,又能夠滿足大量的嵌入式控制應(yīng)用的需求。因此,STC89C52單片機已經(jīng)被廣泛認(rèn)定為是一種理想的嵌入式控制器。52單片機擁有一個具備極強操作性、可靠性和成本優(yōu)勢的控制中樞,而其中的C語言則可以實現(xiàn)if、while等多種復(fù)雜的決策邏輯,從而滿足不同應(yīng)用場景的需求進行系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

(1)電源VCC接+5 V,VSS接地端,即公共參考地。

(2)STC89C52芯片擁有一個雙向的時鐘電路。其中,XTAL1作為一個輸入,而XTAL2則作為一個輸出,它們共同構(gòu)成一個反向信號傳感器[4],用來接收外部信息,并將其轉(zhuǎn)換成一個可以被計算的信息。采用XTAL1與XTAL2之間的自激振蕩,通過調(diào)節(jié)其中的石英晶體來實現(xiàn)對周圍環(huán)境的控制,從而實現(xiàn)對時間的調(diào)節(jié)。

(3)控制信號引腳。

①RST控制器可用于控制振蕩器的運行。如果在一個特定的機械循環(huán)中,RST的引腳產(chǎn)生了2次或更多的電流,則該單元會被激活。

②ALE/PROG是一種特殊技術(shù),在使用外部程序存儲和數(shù)據(jù)信息存儲時,能夠?qū)LE(位置鎖存允許)中的低8位信息轉(zhuǎn)換為固定信號,從而實現(xiàn)對外部設(shè)備發(fā)送時間信號,并且具有定期發(fā)送功能。需要注意的是,在使用外置的數(shù)據(jù)庫時,應(yīng)該避免使用ALE脈沖。

③PSEN作為一種讀選通信號,可以被輸入STC89C52的內(nèi)置程序。STC89C52從內(nèi)置程序中讀入指令(或者數(shù)據(jù)),PSEN會被執(zhí)行2次,而在STC89C52從內(nèi)置程序中讀入之后,PSEN信號就會被執(zhí)行2次。

④為了讓CPU只能從EA/VPP中獲取數(shù)據(jù),CPU的端口必須接地,并且在處理這些數(shù)據(jù)之前,它的端口應(yīng)該具備較高的壓力。但要需特別注意的是,即使在進行加密操作之前,LB1端口也可能已經(jīng)被解碼。只要EA端接入高電平(連接到VCC端),CPU就會運算并編寫內(nèi)存中的程序。在編寫Flash存儲器的過程中,需要在其接口處添加+12 V的程序壓力,以確保器件能夠正常工作。

⑤并行I/O口P0-P3端引腳。

第一,P0口具有8位漏極開關(guān),可以實現(xiàn)雙向I/O接口,并且可以被廣泛應(yīng)用于各種場合,但是必須在接口處安裝一個拉電阻,以確保其穩(wěn)定性。

第二,P1口(P1.0-P1.7)具有一個雙向拉電阻,可以連接I/O端子。

第三,P2口(P2.0-P2.7)具有一個帶有拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O接口,以確保其可靠性和穩(wěn)定性。

第四,P3口(P3.0-P3.7)具有一個可以拉動電阻的8位多功能雙向I/O接口。

2.3 加熱模塊設(shè)計

加熱模塊利用太陽能集熱管,可隨時對水杯內(nèi)的水進行加熱。太陽能集熱管主要由真空管、金屬吸熱板、工作介質(zhì)和熱媒體組成。真空管由外管、內(nèi)管和兩者之間的真空層組成,有效地減少了熱量的傳輸損失[3]。金屬吸熱板位于真空管的內(nèi)部,能夠吸收太陽能并傳導(dǎo)給工作介質(zhì)。工作介質(zhì)是一種特殊的液體,它在吸熱板的作用下吸收太陽能并蒸發(fā)成氣體,然后通過熱媒體的傳導(dǎo)將熱量傳遞給需要加熱的對象。太陽能集熱管的工作原理共分為以下5個部分。

2.3.1 吸熱過程

當(dāng)太陽光照射到金屬吸熱板上時,吸熱板會吸收光能并轉(zhuǎn)化為熱能,使工作介質(zhì)溫度升高。

2.3.2 蒸發(fā)過程

當(dāng)工作介質(zhì)的溫度升高到一定程度時,液體會蒸發(fā)成氣體,形成蒸汽。

2.3.3 對流傳熱過程

蒸汽由于密度小于液體,會上升到熱媒體管的上部,然后通過對流傳熱將熱量傳遞給熱媒體。

2.3.4 冷凝過程

熱媒體在接收到熱量后會冷卻下來,從而使蒸汽冷凝成液體。

2.3.5 重力循環(huán)過程

冷凝后的液體由于密度大于蒸汽,會下降到工作介質(zhì)管的下部,形成循環(huán)。

2.4 質(zhì)檢模塊設(shè)計

水質(zhì)檢測模塊采用便攜式水質(zhì)檢測儀,在水杯內(nèi)部安裝微型便攜式水質(zhì)檢測儀。

便攜式水質(zhì)檢測儀是一種用于快速檢測水質(zhì)狀況的儀器,其原理主要基于化學(xué)和光學(xué)分析方法。首先,水杯內(nèi)置有光源和光接收器,當(dāng)光照射到水樣時,光將發(fā)生散射,部分光線被水樣中的懸浮顆粒物吸收,導(dǎo)致光的強度減弱。其次,便攜式水質(zhì)檢測儀根據(jù)光線散射的強度和方向,可以推算出水樣中懸浮顆粒物的濃度。同時,儀器還可以通過測量水樣的透射光強度,推算出水的濁度。最后,便攜式水質(zhì)檢測儀將測量得到的數(shù)據(jù)進行處理和分析,并顯示檢測結(jié)果。這些結(jié)果包括懸浮顆粒物的濃度、水的濁度以及溶解氧含量等。用戶可以通過這些數(shù)據(jù)了解水質(zhì)的基本狀況。

2.5 感應(yīng)模塊設(shè)計

感應(yīng)模塊采用杯蓋和水杯一體化設(shè)計,杯蓋安裝了觸摸傳感器,可360°無死角感應(yīng),進而觸發(fā)活塞驅(qū)動部件,自動打開出水口,無須用手開杯蓋喝水。另外,在杯子中部設(shè)置了一個LCD顯示器,可以顯示杯內(nèi)的水溫和水量,方便使用者了解杯內(nèi)信息,確保能夠喝上適宜溫度的水。在杯蓋設(shè)計上,嘴唇觸碰杯蓋壓力觸摸傳感器時,在杯口出水端作出反應(yīng),短時間推動活塞使水流出,應(yīng)用上集成的觸摸傳感器用線圈繞活塞周圍均勻分布,當(dāng)嘴唇觸碰到集成的觸摸傳感器時,立刻作出反應(yīng)推動杯蓋內(nèi)置活塞,并對應(yīng)360°杯口出水,從任何方向都能喝到水。

3 結(jié)語

這款多功能水杯擁有全面的水溫顯示系統(tǒng)不僅具備高效率、創(chuàng)造性和實用性,而且還具有巨大的潛在商機。