基于低功耗单片机的新型智能温控水杯的设计

  虞燕        2019-11-21 14:03:22

水杯在过去只是一个简单的饮水工具,随着社会的发展和技术的不断进步,水杯功能的单一化渐渐满足不了人们的生活需求,“智能水杯”开始受到很多用户的青睐。本文设计了一种新型智能温控水杯,系统以STM32F103单片机为控制核心,实现了智能水杯的无线充电,水温加热与控制、语音提示及无线信息提示双重提示等相关功能,里面的双重提示功能特别适合需要特殊照顾的老人,可应用在提醒喝水、用药等相关现实场景中。


1系统设计

基于低功耗单片机的新型智能温控水杯的设计

智能水杯设计的系统框图如图1所示,系统以STM32F103为控制核心,通过温度传感器模块ds18b20读取温度值显示在TFT液晶显示屏上,用户可通过杯体上的薄膜按键设置水温,单片机会根据读取到的信息进行判断,实现PID自主调温,并通过语音提示模块提示吃药时间等信息,如果没有人响应则通过GPRS模块再次提示,智能水杯同时具有无线充电的功能,实现无线充电的功能。


2系统关键模块介绍


2.1温度传感器模块


系统采用的温度传感器为达拉斯公司生产的数字温度传感器DS18B20,该温度传感器的主要特点是体积较小,适用的电压较宽,驱动电路简单,抗干扰能力强,高精度等特点和优势。采用独有的单总线通信方式,仅需要一根线就可以双向通信,测温在-55摄氏度到+125摄氏度较为稳定,工作电源3-5v,可编程的分辨率为9-12位,温度转换时间为750毫秒左右。

基于低功耗单片机的新型智能温控水杯的设计

读取时序如图2所示,当单片机发出读取数据信号的时候,单片机要马上产生读的时序,做好准备读取传感器传输的数据。读时序需要至少60us的响应时间,并且,在两次读时序之间需要有1us以上的恢复时间。每次读取数据都需要单片机发送信号,拉低总线,维持至少1us的时间。读时序具体过程是,单片机输出低电平,维持2us,给ds18b20一个信号,然后就可以读取温度传感器返回来的温度信息。


2.2 GPRS模块


系统采用GPRS-A6模块,通过单片机的串口发送AT指令与该模块的串口进行通信,具体通信时的主要步骤如下:


(1)上电需要等待10s左右的时间等待模块稳定,并且串口收到“OK”指令。


(2)将串口TX于GPRS模块的RX相连,串口RX与GPRS的TX相连。


(3)单片机通过串口发送相应的AT指令对GPRS模块进行初始化,让它连接到GPRS网络上,让GPRS模块获得终端IP地址,并且和终端进行连接和匹配,便于进行通信。


(4)通过串口发送AT指令,控制模块发送和接收信息。


2.3无线充电模块


为更好地能对水杯内部单片机系统进行供电,避免传统充电接口频繁插拔造成接口接触不良,系统采用无线充电模块进行充电。无线充电模块由发射模块与接收模块组成,控制发送模块采用电磁感应原理产生磁场辐射能量,接收模块通过磁场产生电流。无线发射端线圈应具有信号强、速度快的特点。接收模块则通过线圈能量的耦合进行能量的传递,其特点是低成本,高谐振。


2.4加热模块


系统通过温度传感器读取水温,如果用户已经设定水温,主控制器将对设定温度和当前温度进行比较,经过运算控制MOS管的开合时间,进而控制加热棒的加热效果来控制水温。此电路需要24V直流电供电,由IO口输出高低电平来控制MOS的管的开合,控制加热管。


3系统软件设计


3.1程序设计主流程图


系统程序主流程图3所示,在主程序中完成了液晶显示屏的初始化,按键的初始化,定时器的初始化,如果用户没有按下按键,显示系统便正常测温、显示扫描按键,如果有键盘按下,则判断是温度键还是时间键,然后会执行相应的PID程序和语音控制子程序。

基于低功耗单片机的新型智能温控水杯的设计

3.2系统控温算法实现


在控制水温的时候,由于水温的惯性,很难达到一个预设的温度,这里采用PID算法,根据实际的水温进行合理的调节。


具有比例+积分+微分控制规律的控制称为比例积分微分(PID)控制,其传递函数为:


PID算法有比例,积分,微分三项,比例算法实现加热使其快速接近我们想要的水温,但是通过比例算法远远不够,比例过大,会超调很严重,比例较小迟迟达不到想要的温度,也容易产生静态误差,因此需要加上积分的效果,积分可解决稳态误差的问题,但是,积分会将历史的所有记录拿来控制当前的加热棒,容易超调,此时就需要加上微分项,这样就有了迅速稳定温度的效果,减少调温过程中的震荡。


4系统调试


系统调试时主要检查主控芯片模块与温度传感器、液晶显示电路、MOS开关电路、无线充电模块等的硬件连接是否牢固,系统是否能正常运行,液晶显示的颜色是否符合设计要求,PID调节温度是否稳定等。系统运行时,可以正常显示预设温度、实测温度、用药时间等,当温度超出预设温度时还可以通过液晶显示的不同颜色进行温度值的区分,如图4所示。


5结语


本设计主要设计了一种带有无线充电的智能水杯系统,系统实现了温度加热与检测、语音提示与无线提醒等相关功能,设计功能具有一定新颖性,具有一定实用价值。


来源:科技视界范海健 张允飞 李明瑞 杨天祥

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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