何昌隆

( 成都七中萬(wàn)達(dá)學(xué)校,四川 成都 610000)

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新型多功能水杯的設(shè)計(jì)

何昌隆

( 成都七中萬(wàn)達(dá)學(xué)校,四川 成都 610000)

近年來(lái)人們的生活條件越來(lái)越優(yōu)越，智能水杯逐漸進(jìn)入人們的視野。本設(shè)計(jì)為一種溫控水杯系統(tǒng)，具有敏感的溫度監(jiān)測(cè)和顯示功能，本系統(tǒng)采用STM32F103RBT6單片機(jī)作為控制平臺(tái)對(duì)水杯內(nèi)置風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。用DHT11數(shù)字溫度傳感器采集實(shí)時(shí)溫度，傳遞給單片機(jī)處理后通過(guò)控制模塊來(lái)控制直流風(fēng)扇的電機(jī)轉(zhuǎn)速。

單片機(jī)；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(jià)格的大幅度降低，電風(fēng)扇一度認(rèn)為是落寞行業(yè)。其實(shí)并非如此，市場(chǎng)人士調(diào)查并分析，家用電風(fēng)扇并沒(méi)有隨著空調(diào)的普及而淡出市場(chǎng)，近兩年反而出現(xiàn)了市場(chǎng)銷(xiāo)售復(fù)蘇的態(tài)勢(shì)。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(jià)格優(yōu)勢(shì)，價(jià)格便宜而且相對(duì)省電，安裝和使用都相對(duì)簡(jiǎn)單,三是風(fēng)扇相對(duì)于空調(diào)是低耗能產(chǎn)品,不會(huì)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(jī)械方式進(jìn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、環(huán)?；腿诵曰沟糜晌㈦娮涌刂频闹悄芑揖雍碗娖鞯靡猿霈F(xiàn)。本設(shè)計(jì)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(jī)控制，能顯示實(shí)時(shí)溫度，并根據(jù)使用者設(shè)定的溫度自動(dòng)在相應(yīng)溫度時(shí)作出小風(fēng)、大風(fēng)、停機(jī)動(dòng)作，精確度高，動(dòng)作準(zhǔn)確。

1 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)以STM32F103RBT6單片機(jī)為核心控制，通過(guò)數(shù)字溫度傳感器對(duì)外界環(huán)境溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)平臺(tái)處理，使電風(fēng)扇隨外界溫度的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)檔位，實(shí)現(xiàn)“溫度高、風(fēng)力大、溫度低、風(fēng)力弱”的性能。另外，通過(guò)紅外發(fā)射裝置和接收裝置及按鍵實(shí)現(xiàn)各種功能的啟動(dòng)與關(guān)閉，并且可對(duì)各種功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(shí)，電風(fēng)扇將自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)溫度高于用戶所設(shè)溫度時(shí)電風(fēng)扇又將重新啟動(dòng)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(jì)

本系統(tǒng)主要通過(guò)電源電路,溫度傳感器,單片機(jī),按鍵電路,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,LED數(shù)碼管組成，利用溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度并直接輸出溫度信號(hào)給單片機(jī)進(jìn)行處理操作，在LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)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(jī)的轉(zhuǎn)速，可通過(guò)鍵盤(pán)輸入高低溫定值來(lái)做預(yù)警溫度調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

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

圖2 單片機(jī)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(diǎn)：(1)相對(duì)濕度和溫度的測(cè)量；(2)全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出；(3)卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；(4)無(wú)需額外部件；(5)超長(zhǎng)的信號(hào)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(jī)僅需使用 1個(gè)引腳就可實(shí)現(xiàn)與其的雙向通訊；同時(shí)，數(shù)字信號(hào)增強(qiáng)了輸出信號(hào)的抗干擾能力，提高了溫度測(cè)量的精度。它的接口電路因此就變得非常簡(jiǎn)單。DQ 引腳為漏極開(kāi)路輸出，需要 4.7KΩ的電阻拉高，這樣是為了保證如果沒(méi)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(gè) 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(jì)

圖4 LCD液晶顯示

2.3 顯示模塊

在本設(shè)計(jì)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(bào)警電路

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

圖5 聲音報(bào)警電路

2.5 電機(jī)控制模塊

電機(jī)調(diào)速是整個(gè)控制裝置中的一個(gè)相當(dāng)重要的方面。通過(guò)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(shí)現(xiàn)各檔位風(fēng)速的無(wú)級(jí)調(diào)速。系統(tǒng)中模塊電路中采用了過(guò)零雙向可控硅型光耦MOC3041M,集光電隔離、過(guò)零檢測(cè)、過(guò)零觸發(fā)等一些功能,避免了輸入輸出通道同時(shí)控制雙向可控硅觸發(fā)的缺陷,簡(jiǎn)化了輸出通道隔離2驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的可控硅觸發(fā)電路原理圖見(jiàn)圖3。其中RL即為電機(jī)負(fù)載，其工作原理是:單片機(jī)響應(yīng)用戶設(shè)定的參數(shù),在I/ O 口輸出一個(gè)高電平,經(jīng)反向器定向反向后,輸出一個(gè)低電平,使得光電耦合器導(dǎo)通,同時(shí)觸發(fā)雙向可控硅,使工作電路導(dǎo)通工作。給定時(shí)間內(nèi),負(fù)載得到的功率為:

(3)

在式中：P 為負(fù)載得到的功率( kW); n 為給定時(shí)間內(nèi)可控硅導(dǎo)通的正弦波個(gè)數(shù); N 為給定時(shí)間內(nèi)交流正弦波的總個(gè)數(shù); U為可控硅在一個(gè)電源周期全導(dǎo)通時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓有效值(V); I 為可控硅在一個(gè)電源周期全導(dǎo)通時(shí)所對(duì)應(yīng)的電流有效值(A)。由式(3) 可知,當(dāng)U,I,N 為定值時(shí),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(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的運(yùn)行的程序采用C語(yǔ)言進(jìn)行編碼，采用模塊化設(shè)計(jì)。在主程序進(jìn)行初始化后，開(kāi)始反復(fù)檢測(cè)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(shuō)明所對(duì)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(jī)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(guò)三個(gè)步驟：初始化系統(tǒng)、ROM指令、存儲(chǔ)器指令。單片機(jī)所用的系統(tǒng)頻率為12MHz。

根據(jù)DHT11數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行初始化時(shí)序、讀時(shí)序和寫(xiě)時(shí)序分別編寫(xiě)3個(gè)子程序：初始化子程序、寫(xiě)子程序、讀子程。

圖7 傳感器程序流程圖

3.2 電機(jī)調(diào)速與控制

模塊采用雙向可控硅過(guò)零觸發(fā)方式，由單片機(jī)控制雙向可控硅的通斷，通過(guò)改變每個(gè)控制周期內(nèi)可控硅導(dǎo)通和切斷交流完整全波信號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載功率，進(jìn)而達(dá)到調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

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

圖8 電機(jī)控制模塊中斷響應(yīng)流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

智能水杯系統(tǒng)可以有效的監(jiān)測(cè)飲用水的溫度并當(dāng)溫度超出閾值時(shí)提供報(bào)警指示功能，進(jìn)而控制水杯內(nèi)置電機(jī)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(chǎng)空間與發(fā)展前景廣闊。

[1] 曹佃國(guó)，王強(qiáng)德，史麗紅.計(jì)算機(jī)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(cè)控中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010 (6)：60-62.

TM913

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