基于STC89C52單片機的智能水杯測控系統設計

吳越 盧新輝 楊晨曦 吳林林 吳卓

摘? ?要：本設計介紹了一種基于STC89C52單片機控制的智能水杯，利用無線充電底座為半導體制冷片提供能量進行調溫，基于帕爾貼效應和PID控制設計控溫系統，利用塞貝克效應實現電熱能轉換，通過藍牙模塊使用手機APP與水杯形成交互，于液晶屏顯示水溫電量。該水杯滿足國家“節能減排”政策對節能要求，具有重要的時代意義。

關鍵詞：智能水杯;測控;單片機

隨著現代生活節奏的加快，人們時常忘記補水。為迎接智能化健康生活的時代趨勢，開發智能現代水杯成為必須任務[1]。

近年來，已出現關于水杯的改進研究功能并不完備，如李玉秋2019年的設計無加熱保溫等功能;仝曉龍[2]2019年的設計無聯網功能;周凌翱[3]2016年的設計加熱系統缺少反饋控制等。

總之，目前市場上沒有完善的智能水杯及其測控系統，人們時常掌握不好飲水時間，造成現代生活中的“飲水難”。

1? ? 測控系統方案設計及工作原理

本文設計了一種智能水杯測控系統，如圖1所示。以STC89C52單片機為主要控制芯片，由多個模塊協調配合，符合現代智能家居的需要。

2? ? 測控系統硬件模塊選擇與接口電路設計

2.1? MCU模塊選擇

MCU模塊使用STC89C52單片機，使用MCS-51內核，擁有8位CPU和在系統可編程Flash，可直接使用串口下載，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活的解決方案。

2.2? 電池模塊選擇與熱電轉換電路設計

2.2.1? 電池充電電路及模塊設計

為避免USB充電接口插拔帶來的損傷使用壽命，本系統采用無線充電底座充電，可給多臺不同充電電壓和容量的電子產品充電，充滿后自動斷開。無線充電利用電磁感應原理，信號發生器和驅動電路產生200 KHz的諧振信號，通過整流濾波等產生高頻諧振信號送入發射線圈。發射裝置使用NE555D芯片產生脈沖發射，與工頻交流電連接產生電磁場，接收端的次級線圈感應發射的電磁信號產生感應電動勢，形成能量耦合。當接收端電路接通時即產生感應電流對電池進行充電。無線充電具有便于攜帶、能量傳輸效率高、低成本、高諧振的優點。

2.2.2? 熱電轉換模塊選擇

利用半導體制冷片的塞貝克效應，將N型和P型半導體結成電偶對，利用杯壁內空層兩端溫度差形成載流子從熱端向冷端擴散的現象，即溫差電動勢，完成熱能與電能的轉換。將形成的電能存儲在鋰電池中，轉換效率約為14%，制冷片優值（Z）：2.5～3.0×10-3 W/℃，電氣參數如表1所示。

2.3? 溫度測量模塊選擇

系統采用數字溫度傳感器DS18B20，其體積小、精度高，在連接時僅需一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通信，節省硬件設計資源[4]。測量溫度范圍為﹣55～﹢125 ℃，在﹣10～﹢85 ℃內精度為±0.5 ℃，溫度轉換延時為750 ms。當水溫達到目標溫度時，蜂鳴器發聲提醒用戶。

2.4? 顯示模塊選擇

為實時顯示杯中水溫水量等數據，本系統使用0.96英寸的12864OLED小型顯示屏。有機發光半導體（Organic Light-Emitting Diode，OLED）顯示屏厚度薄，分辨率高（128×64個像素點）、功耗低、可采用SPI通信協議，占用單片機I/O少，適用于本系統的數字信號顯示。

2.5? 與手機無線通信模塊選擇

為實現手機與水杯交互，本系統使用低功耗BLE4.0藍牙無線通信模塊，型號為蜂匯B-0004。BLE藍牙接受APP的信號，通過串口發送給單片機形成信息交互。該模塊使用GATT協議與各類設備連接，適用于短距離無線通信，其傳輸速度快、抗干擾能力強。

2.6? 溫度調控模塊選擇

本產品使用SP1848-27145半導體制冷片，根據帕爾貼效應，當電流通過不同的導體連接成的回路時，電流方向不同，在結點處產生吸熱或者放熱現象。

N型半導體（Bi2Te3-Bi2Se3）和P型半導（Bi2Te3-Sb2Te3）體的熱電勢差最大，用金屬片焊接成一個電偶對，通電不到1 min可達最大溫差。直流電從N極流向P極時熱端吸熱，冷端放熱。將熱端緊貼水杯內壁，冷端與外壁導熱良好可達制冷作用。利用繼電器改變電流方向，改變兩端吸放熱情況，達到加熱的效果。

實驗表明單個電偶對熱效應較小，在實際中將上百個電偶對串并聯形成熱電堆，通過多級組合的方式將同類型電堆組成制冷系統增大制冷量。半導體制冷器的制冷功率可達到幾毫瓦到上萬瓦，實現﹣130～﹢90 ℃。SP1848-27145性能參數如表2所示。

3? ? 測控系統軟件設計

3.1? 軟件總體設計

智能水杯開機后初始化，用戶通過手機軟件設定目標水溫，通過藍牙模塊連接單片機，控制半導體制冷片調溫，通過APP提醒用戶飲水。本系統單片機主程序流程如圖2所示。

3.2? 恒溫控制程序設計

系統采用PID閉環調溫方法，將DS18B20實際測量水溫作為反饋，通過反饋計算調節單片機PWM波占空比，控制H橋通斷實現調溫。水溫和目標溫度差值較大時開始PI調節前段，為提高調節效率PWM占空比為100%，帕爾貼滿負荷工作。當溫差較小時開始PI調節階段，計算PWM占空比（0%～100%），PI調節器調節輸出使差值接近0。

采用增量式控制算法實現數字PI控制，連續算式轉換成離散的周期采樣偏差算式：

Mn=KC×（TS-TPn）+KI×（TS-TPn+SE）+KD×（TPn-1-TPn）+Minit。

可見，通過當前和前一次的溫度差值可算出當前的控制增量。式中，TPn為第n個控制周期測量的水溫，TS為目標溫度，SE為積分前項值，Minit是PID控制的初始值。

4? ? 測控系統測試與試驗結果分析

實驗發現，目標溫度為80 ℃時，常規閉環控制算法溫度失調近5 ℃，控溫均方誤差為1.5～2 ℃。PID算法分別降為1 ℃與0.1 ℃，系統有較高魯棒性。

當室內溫度為25 ℃時，杯中加入450 mL水，水溫從24 ℃加熱到50 ℃需 25 min;從24 ℃制冷到10 ℃需35 min，滿足日常需求，溫度變化曲線如圖3所示[5]。

5? ? 結語

用戶通過手機軟件設定目標水溫，水杯開始調溫，通過APP提醒飲水。液晶屏實時顯示水溫與電量，利用無線充電底座充電。水杯吸收水溫轉化為存儲電能節約能源。

隨著科技與生活水平的提高，水杯作為生活必需用品急需功能改進。本款智能水杯便捷日常生活，且目前市場空缺，具有極大的市場潛力。

[參考文獻]

[1]Hamid E M，Shnawah D A，Sabri M F M，et al.A review on thermoelectric renewable energy：principle parameters that affect their performance[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014（30）：337-355.

[2]仝曉龍，劉香雨，錢苗苗，等.基于半導體制冷片的可控溫式水杯設計[J].計算機產品與流通，2019（8）：111.

[3]周凌翱，車金慶.基于AT89C51單片機的智能水杯設計[J].電子制作，2016（24）：3.

[4]康燕萍，程小輝，黃鵬.應用半導體制冷技術的智能水杯設計[J].桂林理工大學學報，2017（4）：707-712.

[5]高峰，王全全.基于PID算法和STM32的錄井氣相色譜儀溫控系統研究[J].工業控制計算機，2019（11）：152-153.