新型多功能水杯的設(shè)計

何昌隆

( 成都七中萬達學(xué)校,四川 成都 610000)

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新型多功能水杯的設(shè)計

何昌隆

( 成都七中萬達學(xué)校,四川 成都 610000)

近年來人們的生活條件越來越優(yōu)越，智能水杯逐漸進入人們的視野。本設(shè)計為一種溫控水杯系統(tǒng)，具有敏感的溫度監(jiān)測和顯示功能，本系統(tǒng)采用STM32F103RBT6單片機作為控制平臺對水杯內(nèi)置風(fēng)扇電機轉(zhuǎn)速進行控制。用DHT11數(shù)字溫度傳感器采集實時溫度，傳遞給單片機處理后通過控制模塊來控制直流風(fēng)扇的電機轉(zhuǎn)速。

單片機；溫度傳感器；智能控制 ；直流風(fēng)扇

隨著制冷行業(yè)的迅速發(fā)展，空調(diào)價格的大幅度降低，電風(fēng)扇一度認(rèn)為是落寞行業(yè)。其實并非如此，市場人士調(diào)查并分析，家用電風(fēng)扇并沒有隨著空調(diào)的普及而淡出市場，近兩年反而出現(xiàn)了市場銷售復(fù)蘇的態(tài)勢。其主要原因：一是風(fēng)扇和空調(diào)的降溫快慢效果不同；二是電風(fēng)扇有價格優(yōu)勢，價格便宜而且相對省電，安裝和使用都相對簡單,三是風(fēng)扇相對于空調(diào)是低耗能產(chǎn)品,不會再次產(chǎn)生污染環(huán)境的產(chǎn)物,環(huán)保節(jié)能。

生活中普通電風(fēng)扇多采用機械方式進行控制，功能短缺，噪音大，各檔位的風(fēng)速變化大，不易控制。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和人們生活水平的不斷的提高，家用電器產(chǎn)品逐漸實現(xiàn)自動化、智能化、環(huán)保化和人性化，使得由微電子控制的智能化家居和電器得以出現(xiàn)。本設(shè)計是一款新型智能水杯，系統(tǒng)采用高精度集成溫度傳感器，用單片機控制，能顯示實時溫度，并根據(jù)使用者設(shè)定的溫度自動在相應(yīng)溫度時作出小風(fēng)、大風(fēng)、停機動作，精確度高，動作準(zhǔn)確。

1 設(shè)計方案

系統(tǒng)以STM32F103RBT6單片機為核心控制，通過數(shù)字溫度傳感器對外界環(huán)境溫度進行數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)平臺處理，使電風(fēng)扇隨外界溫度的變化而自動調(diào)節(jié)檔位，實現(xiàn)“溫度高、風(fēng)力大、溫度低、風(fēng)力弱”的性能。另外，通過紅外發(fā)射裝置和接收裝置及按鍵實現(xiàn)各種功能的啟動與關(guān)閉，并且可對各種功能實現(xiàn)遠程遙控，用戶可以在一定距離范圍內(nèi)內(nèi)設(shè)置電風(fēng)扇的最低工作溫度，當(dāng)溫度低于用戶所設(shè)置溫度時，電風(fēng)扇將自動關(guān)閉，當(dāng)溫度高于用戶所設(shè)溫度時電風(fēng)扇又將重新啟動工作，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能水杯結(jié)構(gòu)框架圖

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)主要通過電源電路,溫度傳感器,單片機,按鍵電路,電機驅(qū)動模塊,LED數(shù)碼管組成，利用溫度傳感器監(jiān)測溫度并直接輸出溫度信號給單片機進行處理操作，在LED數(shù)碼管實時顯示當(dāng)先溫度，同事采用PWM脈沖方式調(diào)節(jié)改變風(fēng)扇電機的轉(zhuǎn)速，可通過鍵盤輸入高低溫定值來做預(yù)警溫度調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

2.1 單片機最小系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要STM32F103RBT6單片機為核心控制芯片，該芯片硬件擴展的基礎(chǔ)上使用實時溫度傳感器DHT11測量溫度，而LCD顯示的溫度和濕度值。單片機最小系統(tǒng)如圖2所示：復(fù)位電路接NRST引腳。時鐘電路分別接時鐘電路引腳5和6。

圖2 單片機最小系統(tǒng)

2.2 傳感器電路

DHT11是一款數(shù)字型溫濕度一體化傳感器，具有以下特點：(1)相對濕度和溫度的測量；(2)全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出；(3)卓越的長期穩(wěn)定性；(4)無需額外部件；(5)超長的信號傳輸距離；(6)超低能耗；(7)完全互換。

DHT11 是一種單總線的數(shù)字式芯片，單片機僅需使用 1個引腳就可實現(xiàn)與其的雙向通訊；同時，數(shù)字信號增強了輸出信號的抗干擾能力，提高了溫度測量的精度。它的接口電路因此就變得非常簡單。DQ 引腳為漏極開路輸出，需要 4.7KΩ的電阻拉高，這樣是為了保證如果沒有數(shù)據(jù)傳輸，總線就可以始終為高電平。在電源處放一個 0.1μF 增加濾波性。其接線圖如圖3所示：

圖3 DHT11外部接線設(shè)計

圖4 LCD液晶顯示

2.3 顯示模塊

在本設(shè)計系統(tǒng)中顯示模塊采用LCD1602顯示溫度和濕度，顯示電路如圖4所示

2.4 聲音報警電路

如圖5所示，當(dāng)傳感器檢測到的信號大于設(shè)定的閾值時，單片機A11變成低電平蜂鳴器報警，同時D2變亮指示報警。

圖5 聲音報警電路

2.5 電機控制模塊

電機調(diào)速是整個控制裝置中的一個相當(dāng)重要的方面。通過控制改變?nèi)龢O翻出的導(dǎo)，使輸出端電壓發(fā)生改變，從而使施加在電風(fēng)扇的輸入電壓發(fā)生改變，以調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)各檔位風(fēng)速的無級調(diào)速。系統(tǒng)中模塊電路中采用了過零雙向可控硅型光耦MOC3041M,集光電隔離、過零檢測、過零觸發(fā)等一些功能,避免了輸入輸出通道同時控制雙向可控硅觸發(fā)的缺陷,簡化了輸出通道隔離2驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計的可控硅觸發(fā)電路原理圖見圖3。其中RL即為電機負載，其工作原理是:單片機響應(yīng)用戶設(shè)定的參數(shù),在I/ O 口輸出一個高電平,經(jīng)反向器定向反向后,輸出一個低電平,使得光電耦合器導(dǎo)通,同時觸發(fā)雙向可控硅,使工作電路導(dǎo)通工作。給定時間內(nèi),負載得到的功率為:

(3)

在式中：P 為負載得到的功率( kW); n 為給定時間內(nèi)可控硅導(dǎo)通的正弦波個數(shù); N 為給定時間內(nèi)交流正弦波的總個數(shù); U為可控硅在一個電源周期全導(dǎo)通時所對應(yīng)的電壓有效值(V); I 為可控硅在一個電源周期全導(dǎo)通時所對應(yīng)的電流有效值(A)。由式(3) 可知,當(dāng)U,I,N 為定值時,只要改變n 值的大小,就可以改變功率P,即可控制功率的輸出,從而達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的運行的程序采用C語言進行編碼，采用模塊化設(shè)計。在主程序進行初始化后，開始反復(fù)檢測各模塊相關(guān)部分的緩沖區(qū)的標(biāo)示，如果在緩沖區(qū)置位，說明所對應(yīng)的數(shù)據(jù)需要處理，然后主程序調(diào)用相應(yīng)的處理子模塊.如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.1 溫度傳感器模塊

如圖7所示，主機控制DHT11數(shù)字溫度傳感器完成溫度轉(zhuǎn)換工作必須經(jīng)過三個步驟：初始化系統(tǒng)、ROM指令、存儲器指令。單片機所用的系統(tǒng)頻率為12MHz。

根據(jù)DHT11數(shù)字溫度傳感器進行初始化時序、讀時序和寫時序分別編寫3個子程序：初始化子程序、寫子程序、讀子程。

圖7 傳感器程序流程圖

3.2 電機調(diào)速與控制

模塊采用雙向可控硅過零觸發(fā)方式，由單片機控制雙向可控硅的通斷，通過改變每個控制周期內(nèi)可控硅導(dǎo)通和切斷交流完整全波信號的個數(shù)來調(diào)節(jié)負載功率，進而達到調(diào)整電機轉(zhuǎn)速的目的。

因INT0信號反映工頻電壓過零時刻，所以只要在外中斷0的中斷服務(wù)程序中完成控制門的開啟與關(guān)閉，并利用中斷服務(wù)次數(shù)對控制量n進行計數(shù)和判斷，過程中每中斷一次，對n進行減1計數(shù)，如果n不等于0，保持控制電平為“1”，系統(tǒng)會繼續(xù)打開控制門；如n=0，則使控制電平復(fù)位為“0”，關(guān)閉控制門，使的可控硅過零觸發(fā)脈沖不再通過。這樣就可以按照控制處理得到的控制量的需求，實現(xiàn)可控硅的過零控制，從而達到按控制量控制的效果，實現(xiàn)可控制，可調(diào)速的效果。

圖8 電機控制模塊中斷響應(yīng)流程圖

4 結(jié)束語

智能水杯系統(tǒng)可以有效的監(jiān)測飲用水的溫度并當(dāng)溫度超出閾值時提供報警指示功能，進而控制水杯內(nèi)置電機的轉(zhuǎn)速給水杯降溫。給工廠生產(chǎn)與家庭生活的安全增加了保障，市場空間與發(fā)展前景廣闊。

[1] 曹佃國，王強德，史麗紅.計算機控制技術(shù)[M].人民郵電出版社教材,2013，5，128-131.

[2] 倪天龍.單總線傳感器 DHT11 在溫濕度測控中的應(yīng)用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010 (6)：60-62.

TM913

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