吳越 盧新輝 楊晨曦 吳林林 吳卓

摘? ?要：本設(shè)計(jì)介紹了一種基于STC89C52單片機(jī)控制的智能水杯，利用無線充電底座為半導(dǎo)體制冷片提供能量進(jìn)行調(diào)溫，基于帕爾貼效應(yīng)和PID控制設(shè)計(jì)控溫系統(tǒng)，利用塞貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電熱能轉(zhuǎn)換，通過藍(lán)牙模塊使用手機(jī)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(jié)能減排”政策對(duì)節(jié)能要求，具有重要的時(shí)代意義。

關(guān)鍵詞：智能水杯;測(cè)控;單片機(jī)

隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快，人們時(shí)常忘記補(bǔ)水。為迎接智能化健康生活的時(shí)代趨勢(shì)，開發(fā)智能現(xiàn)代水杯成為必須任務(wù)[1]。

近年來，已出現(xiàn)關(guān)于水杯的改進(jìn)研究功能并不完備，如李玉秋2019年的設(shè)計(jì)無加熱保溫等功能;仝曉龍[2]2019年的設(shè)計(jì)無聯(lián)網(wǎng)功能;周凌翱[3]2016年的設(shè)計(jì)加熱系統(tǒng)缺少反饋控制等。

總之，目前市場(chǎng)上沒有完善的智能水杯及其測(cè)控系統(tǒng)，人們時(shí)常掌握不好飲水時(shí)間，造成現(xiàn)代生活中的“飲水難”。

1? ? 測(cè)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及工作原理

本文設(shè)計(jì)了一種智能水杯測(cè)控系統(tǒng)，如圖1所示。以STC89C52單片機(jī)為主要控制芯片，由多個(gè)模塊協(xié)調(diào)配合，符合現(xiàn)代智能家居的需要。

2? ? 測(cè)控系統(tǒng)硬件模塊選擇與接口電路設(shè)計(jì)

2.1? MCU模塊選擇

MCU模塊使用STC89C52單片機(jī)，使用MCS-51內(nèi)核，擁有8位CPU和在系統(tǒng)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(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活的解決方案。

2.2? 電池模塊選擇與熱電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

2.2.1? 電池充電電路及模塊設(shè)計(jì)

為避免USB充電接口插拔帶來的損傷使用壽命，本系統(tǒng)采用無線充電底座充電，可給多臺(tái)不同充電電壓和容量的電子產(chǎn)品充電，充滿后自動(dòng)斷開。無線充電利用電磁感應(yīng)原理，信號(hào)發(fā)生器和驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生200 KHz的諧振信號(hào)，通過整流濾波等產(chǎn)生高頻諧振信號(hào)送入發(fā)射線圈。發(fā)射裝置使用NE555D芯片產(chǎn)生脈沖發(fā)射，與工頻交流電連接產(chǎn)生電磁場(chǎng)，接收端的次級(jí)線圈感應(yīng)發(fā)射的電磁信號(hào)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，形成能量耦合。當(dāng)接收端電路接通時(shí)即產(chǎn)生感應(yīng)電流對(duì)電池進(jìn)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(yōu)點(diǎn)。

2.2.2? 熱電轉(zhuǎn)換模塊選擇

利用半導(dǎo)體制冷片的塞貝克效應(yīng)，將N型和P型半導(dǎo)體結(jié)成電偶對(duì)，利用杯壁內(nèi)空層兩端溫度差形成載流子從熱端向冷端擴(kuò)散的現(xiàn)象，即溫差電動(dòng)勢(shì)，完成熱能與電能的轉(zhuǎn)換。將形成的電能存儲(chǔ)在鋰電池中，轉(zhuǎn)換效率約為14%，制冷片優(yōu)值（Z）：2.5～3.0×10-3 W/℃，電氣參數(shù)如表1所示。

2.3? 溫度測(cè)量模塊選擇

系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其體積小、精度高，在連接時(shí)僅需一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信，節(jié)省硬件設(shè)計(jì)資源[4]。測(cè)量溫度范圍為﹣55～﹢125 ℃，在﹣10～﹢85 ℃內(nèi)精度為±0.5 ℃，溫度轉(zhuǎn)換延時(shí)為750 ms。當(dāng)水溫達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲提醒用戶。

2.4? 顯示模塊選擇

為實(shí)時(shí)顯示杯中水溫水量等數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)使用0.96英寸的12864OLED小型顯示屏。有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體（Organic Light-Emitting Diode，OLED）顯示屏厚度薄，分辨率高（128×64個(gè)像素點(diǎn)）、功耗低、可采用SPI通信協(xié)議，占用單片機(jī)I/O少，適用于本系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)顯示。

2.5? 與手機(jī)無線通信模塊選擇

為實(shí)現(xiàn)手機(jī)與水杯交互，本系統(tǒng)使用低功耗BLE4.0藍(lán)牙無線通信模塊，型號(hào)為蜂匯B-0004。BLE藍(lán)牙接受APP的信號(hào)，通過串口發(fā)送給單片機(jī)形成信息交互。該模塊使用GATT協(xié)議與各類設(shè)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(qiáng)。

2.6? 溫度調(diào)控模塊選擇

本產(chǎn)品使用SP1848-27145半導(dǎo)體制冷片，根據(jù)帕爾貼效應(yīng)，當(dāng)電流通過不同的導(dǎo)體連接成的回路時(shí)，電流方向不同，在結(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生吸熱或者放熱現(xiàn)象。

N型半導(dǎo)體（Bi2Te3-Bi2Se3）和P型半導(dǎo)（Bi2Te3-Sb2Te3）體的熱電勢(shì)差最大，用金屬片焊接成一個(gè)電偶對(duì)，通電不到1 min可達(dá)最大溫差。直流電從N極流向P極時(shí)熱端吸熱，冷端放熱。將熱端緊貼水杯內(nèi)壁，冷端與外壁導(dǎo)熱良好可達(dá)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(dá)到加熱的效果。

實(shí)驗(yàn)表明單個(gè)電偶對(duì)熱效應(yīng)較小，在實(shí)際中將上百個(gè)電偶對(duì)串并聯(lián)形成熱電堆，通過多級(jí)組合的方式將同類型電堆組成制冷系統(tǒng)增大制冷量。半導(dǎo)體制冷器的制冷功率可達(dá)到幾毫瓦到上萬瓦，實(shí)現(xiàn)﹣130～﹢90 ℃。SP1848-27145性能參數(shù)如表2所示。

3? ? 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? 軟件總體設(shè)計(jì)

智能水杯開機(jī)后初始化，用戶通過手機(jī)軟件設(shè)定目標(biāo)水溫，通過藍(lán)牙模塊連接單片機(jī)，控制半導(dǎo)體制冷片調(diào)溫，通過APP提醒用戶飲水。本系統(tǒng)單片機(jī)主程序流程如圖2所示。

3.2? 恒溫控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用PID閉環(huán)調(diào)溫方法，將DS18B20實(shí)際測(cè)量水溫作為反饋，通過反饋計(jì)算調(diào)節(jié)單片機(jī)PWM波占空比，控制H橋通斷實(shí)現(xiàn)調(diào)溫。水溫和目標(biāo)溫度差值較大時(shí)開始PI調(diào)節(jié)前段，為提高調(diào)節(jié)效率PWM占空比為100%，帕爾貼滿負(fù)荷工作。當(dāng)溫差較小時(shí)開始PI調(diào)節(jié)階段，計(jì)算PWM占空比（0%～100%），PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出使差值接近0。

采用增量式控制算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字PI控制，連續(xù)算式轉(zhuǎn)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(dāng)前和前一次的溫度差值可算出當(dāng)前的控制增量。式中，TPn為第n個(gè)控制周期測(cè)量的水溫，TS為目標(biāo)溫度，SE為積分前項(xiàng)值，Minit是PID控制的初始值。

4? ? 測(cè)控系統(tǒng)測(cè)試與試驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)溫度為80 ℃時(shí)，常規(guī)閉環(huán)控制算法溫度失調(diào)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(tǒng)有較高魯棒性。

當(dāng)室內(nèi)溫度為25 ℃時(shí)，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(jié)語

用戶通過手機(jī)軟件設(shè)定目標(biāo)水溫，水杯開始調(diào)溫，通過APP提醒飲水。液晶屏實(shí)時(shí)顯示水溫與電量，利用無線充電底座充電。水杯吸收水溫轉(zhuǎn)化為存儲(chǔ)電能節(jié)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(jìn)。本款智能水杯便捷日常生活，且目前市場(chǎng)空缺，具有極大的市場(chǎng)潛力。

[參考文獻(xiàn)]

[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(dǎo)體制冷片的可控溫式水杯設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2019（8）：111.

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

[4]康燕萍，程小輝，黃鵬.應(yīng)用半導(dǎo)體制冷技術(shù)的智能水杯設(shè)計(jì)[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，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(tǒng)研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2019（11）：152-153.